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唐家鹏编著 著

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出版社： 人民邮电出版社

ISBN：9787115422040

商品编码：10462111474

出版时间：2016-06-01

作  者:唐家鹏 编著 定  价:89 出 版 社:人民邮电出版社 出版日期:2016年06月01日 页  数:554 装  帧:平装 ISBN:9787115422040 ●第1章流体力学与计算流体力学基础1
●1.1流体力学基础1
●1.1.1流体力学概述1
●1.1.2连续介质模型3
●1.1.3流体的基本概念及性质3
●1.1.4流体流动分类11
●1.1.5流体流动描述的方法14
●1.1.6流体力学基本方程组15
●1.1.7湍流模型29
●1.2计算流体力学（CFD）基础37
●1.2.1CFD概述37
●1.2.2CFD求解力学问题的过程38
●1.2.3CFD数值模拟方法和分类40
●1.2.4有限体积法计算区域的离散42
●1.2.5有限体积法控制方程的离散42
●1.2.6CFD常用算法50
●1.2.7计算域网格生成技术61
●1.3CFD软件的构成62
●1.3.1前处理器63
●1.3.2求解器63
●部分目录

内容简介

本书以有限体积分析法（又称为控制容积法）为基础，结合作者多年的使用和开发经验，通过丰富的工程实例详细介绍ANSYS FLUENT 16.0在各个专业领域的应用。
全书分为基础和实例两个部分，共16章。基础部分详细介绍了流体力学的相关理论基础知识和ANSYS FLUENT 16.0软件，包括FLUENT软件、前处理、后处理、常用的边界条件等内容；实例部分包括导热问题、流体流动与传热、自然对流与辐射换热、凝固和融化过程、多相流模型、离散相、组分传输与气体燃烧、动网格问题、多孔介质内部流动与换热、UDF基础应用和燃料电池问题等的数值模拟。本书每个实例都有详细的说明和操作步骤，读者只需按书中的方法和步骤进行软件操作，即可完成一个具体问题的数值模拟和分析，进而逐步学会ANSYS FLUENT 16.0软件的使用。本书光盘配有书中实例等
唐家鹏 编著 唐家鹏，精通Fluent流体分析软件、Ansys有限元分析软件以及AutoCAD、Solidworks、UG等机械设计软件。在靠前外期刊发表论文多篇。

《流体动力学仿真技法深度解析》 引言 在当今科学技术飞速发展的时代，计算流体动力学（CFD）已成为工程设计、科学研究以及产品开发不可或缺的强大工具。它能够模拟和预测流体的行为，为工程师和研究人员提供宝贵的洞察力，从而优化设计、解决复杂问题并推动创新。然而，掌握CFD技术的精髓并非一蹴而就，它需要扎实的理论基础、丰富的实践经验以及对仿真软件深刻的理解。 本书《流体动力学仿真技法深度解析》旨在为广大CFD爱好者、工程师、科研人员以及相关专业的学生提供一本全面、深入的学习指南。我们不局限于单一软件的特定版本操作，而是将目光聚焦于CFD核心理论、普遍适用的仿真方法论、以及解决实际工程问题的通用策略。通过本书的学习，您将能够构建起坚实的CFD知识体系，无论是使用何种CFD软件，都能游刃有余地进行复杂流体问题的模拟与分析。 第一部分：CFD基础理论与数学模型 本部分将带领您系统地回顾和深入理解CFD的基石——流体动力学理论。我们将从最基础的流体性质（如密度、粘度、表面张力等）出发，逐步深入到描述流体运动的关键方程组——Navier-Stokes方程。 流体力学基本概念 revisited： 我们将重新审视并深入探讨流体的连续性假设、物质导数、涡量、散度等核心概念。这些概念是理解后续所有模型的基础。 Navier-Stokes方程的由来与本质： 本章将详细推导Navier-Stokes方程，并深入分析其物理意义，包括惯性力、压力梯度力、粘性力、外力等各项的贡献。我们将探讨不同流态（层流、湍流）下方程的简化形式，以及它们在实际应用中的局限性。 守恒定律与质量、动量、能量的传递： Navier-Stokes方程实质上是质量守恒、动量守恒和能量守恒的体现。我们将深入分析这些守恒定律在流体系统中的表述，以及它们如何驱动流体的运动和能量交换。 湍流模型的理论基础与发展： 湍流是工程中最普遍存在的流动形态，但其复杂性使得直接求解Navier-Stokes方程（DNS）在工程上几乎不可行。本章将系统介绍各种湍流模型，包括： 雷诺平均纳维-斯托克斯（RANS）方程： 详细讲解RANS方程的推导，以及引入雷诺应力项的必要性。 零方程模型（如代数模型）： 介绍最简单的湍流模型，以及它们的应用范围和局限性。 单方程模型（如 Spalart-Allmaras 模型）： 深入解析单方程模型的原理，以及它在航空航天等领域的优势。 两方程模型（如 $k-epsilon$ 系列模型、$k-omega$ 系列模型）： 这是工程中最常用的湍流模型。我们将详细解析$k$（湍动能）和$epsilon$（湍动能耗散率）或$omega$（比耗散率）的输运方程，分析它们各自的特点、优缺点，以及不同改进版本的适用性（如Standard $k-epsilon$, RNG $k-epsilon$, Realizable $k-epsilon$, $k-omega SST$等）。 大涡模拟（LES）与全模拟（DNS）的原理与适用性： 介绍LES和DNS的理论基础，分析它们在捕捉流动机理细节方面的优势，以及在计算成本上的挑战。讨论何时选择这些更高级的模型。 其他重要的物理模型： 除了湍流模型，实际工程问题往往还需要考虑其他物理现象，本章将对以下模型进行深入阐述： 传热模型： 能量方程的推导与求解，传导、对流、辐射传热的耦合。 多相流模型： 欧拉-欧拉模型、欧拉-拉格朗日模型、VOF（Volume of Fluid）模型、相场模型等，适用于液-液、气-液、固-液、固-气等多种相态的耦合模拟。 化学反应模型： 燃烧、污染物扩散等涉及化学反应的模拟，如有限速率模型、EDC（Eddy Dissipation Concept）模型等。 多体耦合模型： 流固耦合（FSI）、热固耦合、声固耦合等，以及它们在工程中的应用。 第二部分：CFD仿真流程与数值离散方法 掌握了理论基础，接下来我们将聚焦于CFD仿真从建模到后处理的完整流程，并深入理解其背后的数值离散技术。 问题定义与建模策略： 确定仿真目标： 明确需要解决的工程问题，设定清晰的仿真目标和关键输出参数。 几何建模： 从CAD模型的导入、简化到网格质量的评估。本章将讨论如何处理复杂的几何、去除不必要的细节以减小计算量，并强调高质量网格对于仿真精度的重要性。 物理模型选择： 基于问题定义，如何恰当地选择湍流模型、传热模型、多相流模型等。 边界条件设置： inlet/outlet、wall、symmetry、periodic等边界条件的物理含义及设置要点。特别是速度入口、压力入口、自由出口、壁面无滑移/滑移条件、周期性边界等。 求解器选择： pressure-based vs density-based求解器的适用场景分析。 数值离散技术： CFD的核心是将连续的偏微分方程转化为离散的代数方程组。 有限体积法（FVM）： 详细讲解FVM的基本原理，包括控制体的划分、方程的积分、通量计算等。这是当前CFD软件中最主流的离散方法。 有限差分法（FDM）： 介绍FDM的基本概念，以及它在结构化网格上的应用。 有限元法（FEM）： 简要介绍FEM的原理，以及它在结构力学和电磁学中的广泛应用，在CFD中也有其独特的优势。 网格生成技术： 结构化网格与非结构化网格： 它们的特点、优劣及适用场景。 网格划分策略： 均匀网格、自适应网格、边界层网格、局部网格加密等。 网格质量评估： 倾斜度、纵横比、正交性等指标的意义，以及如何提高网格质量。 求解器的工作原理与迭代过程： 线性方程组的求解： LU-SGS、Gauss-Seidel、SOR等迭代求解器的原理与特点。 压力-速度耦合算法： SIMPLE、PISO、COUPLED等算法的工作流程及各自的优缺点。 收敛性判断： 残差分析、监控变量的稳定性，以及如何判断仿真是否收敛。 并行计算与高性能计算（HPC）： 并行计算的基本概念： MPI、OpenMP等。 CFD中的并行策略： 网格划分、数据分发与通信。 利用HPC加速仿真： 如何选择合适的计算资源，以及优化并行计算的设置。 第三部分：复杂流体问题的仿真实践与案例分析 理论与方法论的学习离不开实际的应用。本部分将结合具体的工程案例，引导您将所学知识融会贯通，掌握解决实际问题的能力。 案例一：外部空气动力学仿真 问题背景： 汽车、飞机、风力涡轮机等外部流动。 建模要点： 远场边界的设置、网格的充分发展、湍流模型（如$k-omega SST$）的选择、升力和阻力的计算。 仿真流程： 从几何简化到结果分析，强调如何评估气动性能。 案例二：内部流动与换热仿真 问题背景： 管道流动、热交换器、电子设备散热等。 建模要点： 充分考虑壁面函数的应用、湍流与传热的耦合、多相流（如蒸汽冷凝）的模拟。 仿真流程： 重点关注压力降、传热系数、温度分布等关键指标的评估。 案例三：多相流仿真 问题背景： 气泡上升、液滴破碎、固液混合等。 建模要点： VOF模型或欧拉-欧拉模型的选择、相间作用力（如表面张力、曳力）的考虑。 仿真流程： 关注界面演化、相间质量/能量传递。 案例四：自由表面流仿真 问题背景： 船舶航行、水坝泄洪、波浪模拟等。 建模要点： VOF模型是常用方法，需要关注自由表面的捕捉精度和计算稳定性。 仿真流程： 重点分析波浪载荷、流动形态等。 案例五：传热与辐射耦合仿真 问题背景： 炉膛燃烧、高温设备散热等。 建模要点： 辐射模型（如P1、DO模型）的选择与设置，传热与辐射的耦合。 仿真流程： 分析温度场分布，评估辐射对整体传热的影响。 结果后处理与不确定性评估： 数据可视化： 流线、矢量图、云图、等值面等。 定量分析： 积分面积、质量流量、热通量等。 不确定性来源： 网格收敛性研究、模型不确定性、边界条件不确定性。 仿真结果的验证与确认（V&V）： 如何将仿真结果与实验数据或理论解进行对比，以验证仿真的准确性。 第四部分：CFD仿真进阶技巧与前沿发展 在掌握了基础和进阶的仿真技能后，本部分将为您介绍更深入的技巧，以及CFD领域的前沿发展方向。 网格独立性研究与收敛性分析： 详细讲解如何通过改变网格密度来评估计算结果的可靠性，这是确保仿真精度的关键步骤。 参数化建模与优化： 如何利用脚本语言或优化算法，实现几何参数、边界条件等参数的自动调整，以达到最佳设计目标。 CFD与其他仿真技术的耦合： CFD与FEA（有限元分析）的流固耦合（FSI）： 详细讲解其耦合原理、数据交换方式，以及在航空、生物医学等领域的应用。 CFD与多体动力学（MBD）的耦合： 分析其在机械系统设计中的作用。 CFD前沿技术展望： 人工智能（AI）与机器学习（ML）在CFD中的应用： 例如，利用ML加速湍流模型开发，或用于预测仿真结果。 GPU加速CFD计算： 介绍GPU在并行计算方面的优势，以及相关的软件和算法。 基于模型降阶（Model Order Reduction）的快速仿真： 针对特定问题，构建简化模型以实现近实时仿真。 结论 《流体动力学仿真技法深度解析》并非一本简单的软件操作手册，而是一本致力于为您构建扎实CFD理论基础，掌握普适性仿真方法论，并能灵活应用于解决各类工程挑战的学习宝典。通过系统学习本书内容，您将能够从“工具使用者”跃升为“仿真问题解决者”，为您的专业发展注入强大的动力。希望本书能成为您在CFD学习道路上不可或缺的伙伴，助您在探索流体世界的奥秘中取得丰硕的成果。

评分☆☆☆☆☆

这本书简直是给我打开了新世界的大门！作为一个刚开始接触CFD仿真，却对各种专业术语和操作流程感到迷茫的新手来说，这本书无异于雪中送炭。 最让我赞赏的是，书中摒弃了枯燥乏味的理论灌输，而是以一种非常直观、实用的方式来引导读者。比如，在讲解动量守恒方程时，作者并没有直接给出复杂的微分方程，而是通过一个简单的水流例子，生动地解释了动量是如何在流体中传递和变化的。这种“由浅入深，化繁为简”的讲解方式，让我这个初学者也能轻松理解CFD的核心概念。 在操作层面，这本书的指导也非常到位。从软件的安装配置，到几何模型的导入与处理，再到网格的生成与优化，每一步都有详细的图文说明，让我能够一步一步跟着操作，即使是遇到一些常见的软件问题，书中也给出了相应的解决方案。我曾经在导入CAD模型时遇到过各种兼容性问题，总是无法顺利导入。而这本书提供了关于CAD模型清理、简化以及导入设置的详细技巧，让我能够轻松解决这些问题。 而且，书中还包含了大量的实用案例，涵盖了不同领域的CFD应用，例如航空航天、汽车工程、能源工业等等。通过这些案例，我不仅能够学习到不同行业CFD仿真的具体流程和方法，还能了解到如何根据实际需求选择合适的物理模型和求解器设置。我曾经一直对如何模拟自然对流传热感到困惑，而书中提供的关于自然对流传热的详细案例分析，让我对如何设置重力、如何选择合适的湍流模型有了清晰的认识。 这本书让我觉得CFD仿真不再是遥不可及的科学，而是可以通过系统学习和实践掌握的一项强大工具。它不仅教会了我如何使用FLUENT，更重要的是培养了我分析和解决CFD问题的能力。我非常期待利用这本书所学到的知识，去解决我工作中遇到的实际问题。

评分☆☆☆☆☆

这本书简直是太棒了！作为一个在CFD领域摸爬滚打了几年，却总是在某些关键细节上卡壳的工程师，我一直渴望有一本能够深入浅出、系统讲解ANSYS FLUent 16.0核心功能和高级技巧的书籍。这本书的出现，就像是黑暗中的一道光，彻底点燃了我学习的热情。 我尤其欣赏书中对理论知识的讲解方式。作者并没有堆砌晦涩难懂的公式，而是通过大量的图示和生动的比喻，将复杂的物理模型、数值算法以及边界条件的处理方式讲解得淋漓尽致。例如，在讲解湍流模型选择时，书中不仅罗列了不同模型的适用范围，还详细分析了它们在不同流动场景下的优缺点，甚至给出了具体的案例分析，让我能够直观地理解何时选择k-epsilon，何时选择k-omega，以及如何根据实际情况进行模型判别。这种“授之以渔”的学习方法，让我受益匪浅，也让我对 FLUent有了更深层次的认识。 在操作层面，这本书的指导也同样细致入微。从前处理（几何建模、网格划分）到求解器设置，再到后处理（结果可视化、数据提取），每一个步骤都配有详细的操作截图和文字说明。我曾经在网格划分时遇到过各种疑难杂症，比如网格质量不高、边界层网格生成困难等等，而这本书提供了大量实用的网格生成技巧和优化方法，让我能够轻松应对各种复杂的几何模型。更重要的是，书中还分享了大量优化求解器设置的经验，例如如何选择合适的离散格式、求解器收敛策略，以及如何有效处理数值不稳定性问题，这些都是我在实际工作中反复摸索但效率不高的地方。有了这本书的指导，我感觉自己的仿真效率和结果精度都有了质的飞跃。 书中对复杂物理现象的模拟也进行了深入的探讨，这一点让我非常惊喜。无论是多相流、传热传质，还是燃烧模拟，书中都提供了详细的理论背景、模型选择以及案例演示。我一直在研究某个复杂的多相流问题，常常因为对相间作用力、表面张力等物理量的理解不够透彻而感到困惑。这本书中关于这些内容的讲解，不仅清晰明了，还结合了实际应用，帮助我理解了不同多相流模型之间的差异以及如何根据具体问题进行选择和设置。例如，在讲解颗粒输运时，书中不仅介绍了欧拉-拉格朗日方法，还详细阐述了如何处理颗粒-颗粒碰撞、颗粒-壁面碰撞等复杂交互，这对我解决实际工程问题提供了非常有价值的参考。 总而言之，这本书不仅仅是一本技术手册，更像是一位经验丰富的导师。它不仅教会我如何使用FLUENT，更重要的是教会我如何“思考”CFD问题。书中对不同物理模型的深入分析，对网格策略的精妙讲解，以及对求解器优化的独到见解，都让我受益匪浅。我强烈推荐这本书给所有希望在CFD领域深入发展的朋友，无论是初学者还是有一定经验的工程师，都能从中获得巨大的价值。这本书让我看到了CFD世界的无限可能，也让我对未来的研究和工作充满了信心。

评分☆☆☆☆☆

这本书简直就是一本“点石成金”的宝典！作为一个在CFD领域摸爬滚打了数年，却依然觉得自己在某些关键问题上“卡壳”的工程师，我一直都在寻找一本能够真正帮助我突破瓶颈的书籍。这本书，就是我一直在寻找的！ 它最让我惊喜的是，作者并没有简单地罗列软件功能，而是深入剖析了每一个功能背后的原理和应用场景。例如，在讲解求解器选项时，书中不仅仅列出了各种离散格式和收敛算法，更是详细解释了它们各自的优缺点，以及在不同类型的流动问题中应该如何选择。我曾经因为不了解不同求解器设置的含义，而花费大量时间去尝试，结果效率低下。而通过这本书，我学会了如何根据流动特性、计算资源等因素，快速有效地选择最合适的求解器设置，从而大大提高了仿真的效率和收敛性。 更重要的是，书中对于如何处理仿真结果中的不确定性，以及如何评估仿真的可靠性，也进行了深入的探讨。这一点对于我们实际工程应用来说至关重要。我曾经有过将仿真结果直接用于工程设计的经历，但内心总有一丝疑虑。而这本书让我明白了，仿真结果并非绝对准确，我们需要对结果进行仔细的分析和评估，例如通过网格收敛性分析、模型对比验证等方法，来确保仿真结果的可靠性。书中提供的这些方法和技巧，让我能够更加理性地看待和使用CFD仿真结果，避免盲目乐观。 此外，书中还提供了大量关于如何利用用户自定义函数（UDF）来扩展FLUENT功能的技巧。这一点对于需要进行特殊物理模型开发或定制化仿真的工程师来说，非常有价值。我曾经因为软件本身的功能限制，而无法完全满足某些特定的仿真需求。而通过这本书，我了解到了UDF编程的基本原理和常用的API函数，这为我进一步开发和定制仿真模型提供了可能性。 总之，这本书为我打开了一扇新的大门，让我对CFD仿真有了更深刻的理解和更全面的认识。它不仅教会了我如何使用FLUENT，更重要的是教会了我如何“思考”CFD问题，如何更科学、更严谨地进行仿真分析。我极力向所有对CFD感兴趣的朋友推荐这本书，相信它一定会给你带来意想不到的收获。

评分☆☆☆☆☆

这本书的内容，简直就像是一本藏宝图，为我揭示了ANSYS FLUent 16.0的无数奥秘。我一直对CFD有着浓厚的兴趣，但苦于缺乏系统性的学习资料，常常感到无从下手。而这本书，恰好填补了这一空白。 它给我最深刻的印象是，作者并没有止步于讲解软件的基本操作，而是深入到每一个功能的“为什么”和“如何做”。比如，在介绍边界条件时，书中不仅仅列出了常见的边界类型，更详细地解释了每种边界条件背后的物理意义，以及在不同工程应用场景下应该如何选择和设置。我曾经在模拟复杂进出口边界时遇到过困难，总是无法准确地模拟出实际流动情况。而通过这本书，我理解了稳态进气、周期性边界、用户自定义函数（UDF）等不同边界条件的设置精髓，让我能够更加自信地处理各种复杂情况。 另外，书中对网格质量的讲解也让我茅塞顿开。之前我总是觉得网格好坏是玄学，随便划分一下就可以了。但这本书通过大量的图示和实际案例，让我深刻认识到网格质量对仿真结果精度的巨大影响，以及如何通过优化网格生成策略来提高网格质量。例如，书中详细讲解了如何处理几何细节、如何生成高质量的边界层网格、如何进行网格自适应等技巧，这些都让我对网格划分有了全新的认识，也让我学会了如何避免常见的网格问题。 更让我惊喜的是，书中对结果后处理的讲解也极具深度。不仅仅是如何生成云图，更是如何从仿真结果中提取有价值的信息，如何进行不确定性分析，如何评估仿真结果的可靠性。我曾经花费大量时间去理解和处理仿真数据，却常常抓不住重点。这本书让我学会了如何利用 FLUent的后处理工具，进行定性分析和定量分析，例如如何提取流线、涡量、湍动能等关键参数，并对其进行统计分析，从而更好地理解流动特性，并为工程决策提供支持。 总而言之，这本书是我CFD学习道路上的一盏明灯。它不仅让我掌握了FLUENT 16.0的强大功能，更让我学会了如何用科学的方法去解决实际问题。我强烈推荐这本书给所有想要深入学习CFD的朋友，无论你是初学者还是有经验的用户，都能从中获得宝贵的知识和技巧。

评分☆☆☆☆☆

这本书绝对是我近年来读到的最实用、最有价值的CFD学习资料之一！我是一个在工业领域工作多年的工程师，虽然接触过一些CFD仿真，但总感觉自己在理解模型和处理复杂问题时还不够深入。而这本书，恰好弥补了我的这一不足。 让我印象最深刻的是，书中对CFD理论的讲解非常有深度，但又避免了过于学术化的表达。作者能够巧妙地将复杂的物理概念，比如压力梯度、粘性力、湍流扩散等，用通俗易懂的语言进行解释，并且结合实际的流动现象进行阐述。例如，在讲解压力泊定时，书中不仅解释了其产生的物理机制，还详细分析了其对仿真结果稳定性和精度的影响，并给出了相应的解决方法，这对我理解和避免一些常见的仿真问题非常有帮助。 在网格生成方面，这本书也提供了非常详尽的指导。我一直认为网格划分是CFD仿真中最耗时且最关键的环节之一。而这本书不仅介绍了多种网格生成方法，更重要的是讲解了如何根据几何形状和流动特性，选择最优的网格划分策略，以及如何进行网格质量的评估和优化。书中还提供了许多关于边界层网格、细化网格区域的实用技巧，这些都对提高仿真精度和收敛性至关重要。我曾经在模拟翼型绕流时，因为网格设置不当而导致结果失真，而通过这本书的学习，我学会了如何更好地处理高雷诺数下的边界层网格，从而获得了更精确的结果。 此外，书中对高级物理模型的讲解也让我受益匪浅。例如，在讲解多相流模拟时，书中不仅介绍了不同模型（如欧拉模型、欧拉-拉格朗日模型）的适用范围和优缺点，还给出了详细的设置步骤和案例分析，这对于我目前正在进行的某些多相流仿真项目非常有帮助。我之前在模拟气液两相流时，总是对界面捕捉和相间作用力的设置感到困惑，而这本书的讲解，让我能够更清晰地理解这些关键的设置参数，并能够根据实际情况进行调整。 总的来说，这本书不仅仅是一本操作指南，更是一本能够提升CFD仿真能力的“内功心法”。它让我对FLUENT 16.0有了更全面、更深入的理解，也让我能够更加自信地应对各种复杂的CFD仿真挑战。我强烈推荐这本书给所有想要提升CFD仿真技能的工程师和研究人员。