Ansys Fluent中文版流场分析从入门到精通_曾建邦单丰武_9787302650522

《Ansys Fluent中文版流场分析从入门到精通》将全面介绍通过Fluent进行流场分析的各种功能和基本操作方法。全书共13章，第1～2章介绍流体力学基础知识和流体流动分析软件，第3～6章介绍DesignModeler、Meshing、Fluent的使用操作，第7～13章结合实例介绍Fluent中常用的计算模型及其在求解流体和传热等工程问题中的方法。
本书配套的电子资源包含书中所有实例的源文件和素材、教学视频，以方便读者学习使用。
本书可作为科研院所流体力学研究人员、流体力学相关专业硕、博士研究生或本科高年级学生的自学指导用书或参考用书。

computational fluid dynamics（简称CFD，计算流体动力学），用离散化的数值方法和计算机对流体无黏绕流和黏性流动进行数值模拟和分析。无黏绕流包括低速流、跨声速流、超声速流等；黏性流动包括湍流、边界层流动等。计算流体力学是计算力学的一个分支，是为弥补理论分析方法的不足，于20世纪60年代发展起来的，并相应地形成了各种数值解法，主要有限差分法和有限元法。流体力学运动偏微分方程有椭圆型、抛物型、双曲型和混合型等，所以计算流体力学很大程度上就是针对不同性质的偏微分方程采用和发展相应的数值解法。
实验研究、理论分析方法和数值模拟是研究流体运动规律的3种基本方法，它们的发展是相互依赖、相互促进的。计算流体力学的兴起促进了流体力学的发展，改变了流体力学研究工作的状况，很多原来认为很难解决的问题，如超声速、高超声速钝体绕流、分离流以及湍流问题等，现在对这些问题的分析研究都有了不同程度的发展，而且将为流体力学研究工作提供新的发展前景。
计算流体力学的兴起促进了实验研究和理论分析方法的发展，为简化流动模型的创建提供了更多的依据，使很多分析方法得到了发展和完善。然而，更重要的是计算流体力学采用它独有的、新的研究方法数值模拟方法，研究流体运动的基本物理特性，其特点如下。
（1）给出流体运动区域内的离散解，而不是解析解，这区别于一般理论分析方法。
（2）它的发展与计算机技术的发展直接相关。这是因为模拟的流体运动的复杂程度、解决问题的广度，都与计算机运算速度、内存等直接相关。
（3）若物理问题的数学提法（包括数学方程及其相应的边界条件）是正确的，则可在较广泛的流动参数（如马赫数、雷诺数、模型尺度等）范围内研究流体力学问题，且能给出流场参数的定量结果。
以上这些是风洞实验和理论分析难以做到的，因此要创建正确的数学方程还必须与实验研究相结合。另外，严格的稳定性分析、误差估计和收敛性理论的发展还跟不上数值模拟的发展。所以在计算流体力学中，仍必须依靠一些较简单的、线性化的、与原问题有密切关系的模型方程的严格数学分析，给出所求解问题数值解的理论依据。依靠数值实验、地面实验和物理特性分析，验证计算方法的可靠性，从而进一步改进计算方法。
Fluent是目前国际上比较流行的商用CFD软件包，在美国的市场占有率为60%。与流体、热传递和化学反应等有关的行业均可使用它。它具有丰富的物理模型、先进的数值计算方法和强大的前后处理功能，在航空航天、汽车设计、石油、天然气、涡轮机设计等方面都有着广泛的应用。例如，在石油、天然气工业上的应用就包括燃烧、井下分析、喷射控制、环境分析、油气消散与聚积、多相流、管道流动等。另外，通过Fluent提供的用户自定义函数可以改进和完善模型，从而处理更加个性化的问题。
一、编写目的
鉴于Fluent的强大功能，我们力图编写一本着重介绍Fluent实际工程应用的书籍。不求事无巨细地将Fluent知识点全面讲解清楚，而是根据工程需要，将Fluent大体知识脉络作为线索，以实例作为抓手，帮助读者掌握利用Fluent进行工程分析的基本技能和技巧。
二、本书内容及特点
本书全面介绍了通过Fluent中文版进行流场分析的各种功能和基本操作方法。全书共13章，第1～2章介绍流体力学基础和流体流动分析软件，第3～6章介绍DesignModeler、Meshing、Fluent软件的使用操作，第7～13章结合实例介绍Fluent中常用的计算模型及其在求解流体和传热等工程问题中的方法。
三、本书的配套资源
本书提供了极为丰富的学习配套资源，可以帮助读者在最短的时间内学会并掌握书中介绍的技术。读者可扫描封底的文泉云盘二维码，以获取下载方式。
1．15集同步教学视频
针对本书实例，专门制作了15集配套教学视频，读者可像看电影一样轻松愉悦地学习本书内容，然后对照课本加以实践和练习，可以大大提高学习效率。
2．15个综合实战案例精讲视频，长达200分钟
为了帮助读者拓展视野，电子资源中额外赠送了15个有限元分析综合实战案例（涵盖Ansys、Patran和Nastran）及其配套的源文件和精讲课堂视频，学习时长达200分钟。
3．全书实例的源文件和素材
本书附带了很多实例，光盘中包含实例和练习实例的源文件和素材，读者可以安装Fluent 2022软件，打开并使用。
四、关于本书的服务
1．Fluent安装软件的获取
按照本书的实例进行操作练习，需要事先在计算机上安装Fluent软件。读者可以登录Ansys官方网站购买Fluent安装软件，或者使用其试用版。
2．关于本书的技术问题或有关本书信息的发布
读者如果遇到有关本书的技术问题，可以扫描封底文泉云盘二维码查看是否已发布相关勘误/ 解疑文档。如果没有，可在页面下方找到加群方式联系我们，我们会尽快回复。
3．关于手机在线学习
读者可扫描书后的刮刮卡（需刮开涂层）二维码，以获取书中二维码的读取权限，再扫描书中二维码，可在手机中观看对应的教学视频，以充分利用碎片化时间，取得较好的学习效果。需要强调的是，书中给出的是实例的重点步骤，详细操作过程还需读者通过视频来学习并领会。
五、关于作者
本书由华东交通大学的曾建邦和同济大学的单丰武两位老师编写，其中曾建邦执笔编写了第1～8章，单丰武执笔编写了第9～13章。本书在编写过程中虽力求尽善尽美，但由于作者能力有限，书中难免存在不妥之处，请广大读者提出建议或意见。

六、致谢
在本书的写作过程中，编辑贾小红和艾子琪女士给予了很多的帮助和支持，提出了很多中肯的建议，在此表示感谢。同时，还要感谢清华大学出版社的所有编辑人员为本书的出版所付出的辛勤劳动。本书的成功出版是大家共同努力的结果，谢谢所有给予支持和帮助的人们。

编者

第1章流体力学基础 1
1.1 流体力学基本概念 2
1.1.1 连续介质的模型 2
1.1.2 流体的基本性质 2
1.1.3 作用在流体上的力 3
1.1.4 研究流体运动方法 4
1.2 流体运动的基本概念 5
1.2.1 层流流动与紊流流动 5
1.2.2 有旋流动与无旋流动 5
1.2.3 声速与马赫数 6
1.2.4 膨胀波与激波 6
1.3 附面层理论 7
1.3.1 附面层概念及附面层厚度 7
1.3.2 附面层微分方程 8
1.4 流体运动及换热的多维方程组 8
1.4.1 物质导数 8
1.4.2 不同形式的N-S方程 9
1.4.3 能量方程与导热方程 11
1.5 湍流模型 11
1.6 计算网格与边界条件 14
1.6.1 计算网格 14
1.6.2 边界条件 14
第2章流体流动分析软件概述 16
2.1 CFD软件简介 17
2.1.1 CFD软件结构 17
2.1.2 CFD基本模型 18
2.1.3 常用的CFD商用软件 21
2.2 Fluent软件介绍 23
2.2.1 Fluent的软件结构 23
2.2.2 Fluent的功能及特点 24
2.3 Fluent的系统要求和启动 26
2.3.1 系统要求 26
2.3.2 Fluent软件的启动 26
2.4 Fluent的功能特点和分析过程 29
2.4.1 数值算法 29
2.4.2 物理模型 30
2.4.3 Fluent的应用 33
2.4.4 Fluent的分析过程 33
第3章创建几何模型 35
3.1 启动DesignModeler 36
3.2 DesignModeler图形界面 37
3.2.1 图形界面介绍 37
3.2.2 菜单栏 38
3.2.3 工具栏 39
3.2.4 信息栏 39
3.2.5 鼠标操作 40
3.2.6 选择过滤器 40
3.2.7 单选 40
3.2.8 框选 41
3.3 绘制草图 41
3.3.1 设置单位 41
3.3.2 绘图平面 42
3.3.3 草图工具箱 43
3.4 三维建模 46
3.4.1 挤出特征 46
3.4.2 旋转特征 49
3.4.3 扫掠特征 50
3.4.4 蒙皮/放样 51
3.4.5 薄/表面 51
3.4.6 固定半径圆角 52
3.4.7 变量半径圆角 53
3.4.8 顶点圆角 53
3.4.9 倒角 54
3.4.10 模式 54
3.4.11 几何体转换 55
3.4.12 布尔运算 60
3.4.13 切片 61
3.4.14 单一几何体 63
3.5 概念建模 63
3.5.1 来自点的线 64
3.5.2 草图线 64
3.5.3 边线 64
3.5.4 曲线 65
3.5.5 分割边 65
3.5.6 边表面 66
3.5.7 草图表面 67
3.5.8 面表面 67
3.6 横截面 68
3.6.1 创建横截面 68
3.6.2 将横截面赋给线体 68
3.7 冻结和解冻 69
第4章划分网格 70
4.1 网格生成技术 71
4.1.1 常用的网格单元 71
4.1.2 网格生成方法分类 71
4.1.3 网格类型的选择 73
4.1.4 网格质量 74
4.2 Meshing网格划分模块 75
4.2.1 网格划分步骤 75
4.2.2 分析类型 75
4.3 全局网格控制 76
4.3.1 全局单元尺寸 76
4.3.2 全局尺寸调整 77
4.3.3 质量 78
4.3.4 高级尺寸功能 79
4.4 局部网格控制 80
4.4.1 局部尺寸调整 80
4.4.2 接触尺寸 82
4.4.3 加密 82
4.4.4 面网格剖分 83
4.4.5 匹配控制 84
4.4.6 收缩控制 85
4.4.7 膨胀 85
4.5 网格工具 86
4.5.1 生成网格 86
4.5.2 截面 86
4.5.3 命名选择 88
4.6 网格划分方法 88
4.6.1 自动划分方法 88
4.6.2 四面体 89
4.6.3 扫掠 91
4.6.4 多区域 91
第5章 Fluent软件的操作使用 93
5.1 Fluent的操作界面 94
5.1.1 Fluent启动界面 94
5.1.2 Fluent图形用户界面 94
5.2 Fluent对网格的基本操作 97
5.2.1 导入和检查网格 97
5.2.2 显示和修改网格 100
5.3 选择Fluent求解器及运行环境 105
5.3.1 Fluent求解器的比较与选择 105
5.3.2 Fluent计算模式的选择 106
5.3.3 Fluent运行环境的选择 106
5.3.4 Fluent的基本物理模型 107
5.3.5 Fluent的材料定义 112
5.4 设置Fluent的边界条件 113
5.5 设置Fluent的求解参数 125
第6章 Fluent高级应用 127
6.1 UDF概述 128
6.1.1 UDF基础知识 128
6.1.2 UDF能够解决的问题 128
6.1.3 UDF宏 128
6.1.4 UDF的预定义函数 130
6.1.5 UDF的编写 134
6.2 UDS基础知识 135
6.3 并行计算 137
6.3.1 开启并行求解器 137
6.3.2 使用并行网络工作平台 137
6.3.3 分割网格 138
6.3.4 检测并提高并行性能 141
第7章二维流动和传热的数值模拟 143
（视频讲解：20分钟）
7.1 三角形腔体内层流流动 144
7.1.1 创建几何模型 144
7.1.2 划分网格及边界命名 145
7.1.3 分析设置 146
7.1.4 求解设置 148
7.1.5 求解 150
7.1.6 查看求解结果 150
7.2 二维三通管内流体的流动分析 151
7.2.1 导入Mesh文件 152
7.2.2 计算模型的设定 152
7.2.3 求解设置 156
7.2.4 查看求解结果 157
第8章三维流动和传热的数值模拟 161
（视频讲解：26分钟）
8.1 混合器流动和传热的数值模拟 162
8.1.1 导入Mesh文件 162
8.1.2 计算模型的设定 162
8.1.3 求解设置 168
8.1.4 后处理 169
8.2 三维流-固耦合散热模拟 175
8.2.1 导入Mesh文件 175
8.2.2 计算模型的设定 175
8.2.3 求解设置 180
8.2.4 后处理 180
第9章多相流模型 184
（视频讲解：42分钟）
9.1 Fluent中的多相流模型 185
9.1.1 VOF模型 185
9.1.2 Mixture模型 186
9.1.3 Eulerian模型 186
9.2 水油混合物T形管流动模拟
实例 187
9.2.1 导入Mesh文件 187
9.2.2 计算模型的设定 187
9.2.3 求解设置 189
9.2.4 查看求解结果 189
9.2.5 欧拉模型求解设置 190
9.2.6 查看欧拉模型求解结果 191
9.3 VOF模型倒酒实例 191
9.3.1 创建几何模型 192
9.3.2 划分网格及边界命名 194
9.3.3 分析设置 196
9.3.4 求解设置 201
9.3.5 求解 203
9.3.6 查看求解结果 204
第10章湍流分析 206
（视频讲解：18分钟）
10.1 湍流模型概述 207
10.1.1 单方程（spalart-allmaras）
模型 207
10.1.2 标准k~ε模型 208
10.1.3 重整化群（RNG）k~ε模型 208
10.1.4 可实现k~ε模型 209
10.1.5 k-epsilon（2 eqn）模型 210
10.1.6 k-omega（2 eqn）模型 211
10.1.7 转捩 k-kl-omega（3 eqn）
模型 211
10.1.8 转捩SST（4 eqn）模型 211
10.1.9 雷诺应力（RSM-5 eqn）模型 212
10.1.10 尺度自适应（SAS）模型 213
10.1.11 分离涡模拟（DES）模型 213
10.1.12 大涡模拟 213
10.2 混合弯头中的流体流动和传热 213
10.2.1 创建几何模型 214
10.2.2 划分网格及边界命名 219
10.2.3 分析设置 222
10.2.4 求解设置 227
10.2.5 求解 230
10.2.6 查看求解结果 231
第11章可动区域中流动问题的模拟 232
（视频讲解：26分钟）
11.1 无旋转坐标系的三维旋转流动 233
11.1.1 导入Mesh文件 233
11.1.2 计算模型的设定过程 233
11.1.3 模型初始化 239
11.1.4 迭代计算 239
11.1.5 Fluent自带后处理 240
11.2 单一旋转坐标系中三维旋转
流动 242
11.2.1 利用Fluent导入Case文件 242
11.2.2 =/2涡动模型的修改和
计算 243
11.2.3 =涡动模型的修改和计算 246
11.3 滑移网格实例分析十字搅拌器
流场模拟 248
11.3.1 导入Mesh文件 248
11.3.2 计算模型的设定 249
11.3.3 求解设置 251
11.3.4 后处理 251
第12章动网格模型的模拟 253
（视频讲解：47分钟）
12.1 动网格模型概述 254
12.2 用动网格方法模拟隧道中两车
相对行驶的流场 255
12.2.1 创建几何模型 255
12.2.2 划分网格及边界命名 256
12.2.3 分析设置 258
12.2.4 模型初始化 261
12.2.5 迭代计算 262
12.2.6 Fluent自带后处理 263
12.3 三维活塞在汽缸中的运动模拟
实例 264
12.3.1 导入Mesh文件 264
12.3.2 计算模型的设定 265
12.3.3 求解设置 268

12.3.4 查看求解结果 269
12.4 动网格小球落水模拟 270
12.4.1 创建几何模型 270
12.4.2 划分网格及边界命名 271
12.4.3 分析设置 272
12.4.4 求解设置 278
12.4.5 求解 279
12.4.6 查看求解结果 279
第13章物质运输和有限速率化学反应
模型模拟 282
（视频讲解：30分钟）
13.1 有限速率化学反应 283
13.1.1 化学反应模型概述 283
13.1.2 有限速率化学反应的设置 286
13.2 预混燃烧模型实例乙炔-氧
燃烧 289
13.2.1 创建几何模型 289
13.2.2 划分网格及边界命名 290
13.2.3 分析设置 291
13.2.4 求解设置 295
13.2.5 求解 296
13.2.6 查看求解结果 297
13.3 乙烷燃烧模拟实例 299
13.3.1 利用Fluent求解器求解 299
13.3.2 采用变比热容的解法 308
13.3.3 后处理 310

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