FLUENT工程技术与实例分析

本书通过大量实例系统介绍了FLUENT建模和计算以及后处理的详细过程，读者可以在短时间内系统掌握数值模拟的基础知识，掌握FLUENT的高级应用技术，学会采用FLUENT软件进行产品的开发。本书实例来自于科研和生产一线，对于解决实际工程和科研问题会有很大的帮助。为了方便读者学习，本书还配套有模型文件，以提高学习效率。

本书既是利用FLUENT软件进行高级应用计算的工程技术相关计算指导书，又可作为高等院校相关专业本科生和硕士生的教学参考书。

工业发展是我国经济发展的主要推动力，但也是污染物排放的主要来源，随着节能减排和低碳经济压力的不断提高，高耗能高污染企业研发重点转向大量设备的开发。为早日实现节能减排目标，本书从几个典型行业选取过程设备和机械进行分析计算，为产品开发和设计者提供一个可供参考的例子。

任何流体运动的规律均是以质量守恒定律、动量守恒定律、能量守恒定律和组分守恒定律为基础的。这些基本定律可由数学方程组来描述。采用数值计算方法，通过计算机求解这些控制流体流动的数学方程组，进而研究流体的运动规律，这就是计算流体动力学（CFD）。计算流体动力学是建立在经典流体动力学与数值计算方法基础上的一门新学科，通过计算机数值计算和图像显示方法，在时间和空间上定量描述流场的数值解，从而达到对物理问题进行研究的目的。

目前，比较著名的有FLUENT、CFX、STAR-CD和PHOENICS等，而FLUENT是国际上比较流行的商用CFD软件包，市场占有率高、计算准确、界面友好、使用简单、应用领域广、物理模型多。

正是因为FLUENT在流体工程模拟计算中的重要作用，高校和企业科技人员对学习FLUENT的热情很高，但往往很难应用到产品开发过程中，本书从FLUENT基础、工程应用到提高系统介绍FLUENT相关知识以及典型行业的实例。

本书内容共分三篇，15章，本书通过大量实例系统介绍了FLUENT建模和计算以及后处理的详细过程，可以让读者在短时间内系统掌握数值模拟的基础知识，掌握FLUENT的高级应用技术，学会采用FLUENT软件进行产品的开发。本书第一篇为基础篇，包括1～4章，主要讲解流体计算基础、网格划分基础以及Gambit工具的应用、结合计算流体和传热学中的经典算例熟悉FLUENT分析问题的过程和方法；第二篇为工程应用篇，包括5～9章，系统讲解了FLUENT在各种工程背景下的应用，内容涵盖流体机械领域、化工设备领域、换热和制冷领域、热力设备领域和汽车工程领域，其中通过丰富而细致的应用实例来讲解如何应用FLUENT解决应用中出现的问题；第三篇为提高与专题篇，包括10～15章，讲解了UDF、UDS、并行计算的专题，针对于工程实际的需求，还特别讲解了与FLUENT配合使用的数据后处理工具的应用技巧，最后对多相流和动网格模型进行了讲解。

本书在写作过程中注重层次递进，深入浅出地讲解FLUENT流体分析方面的技术，并通过大量丰富且有深度的应用案例来讲解FLUENT的应用，实例均来自于科研和生产一线，对于解决实际工程和科研问题会有很大的帮助。此外，为了方便读者的学习，本书还配套有模型文件，以提高读者的学习效率。

本书第一篇由周俊杰教授编写；第二篇、7.4节和7.5节由西安交通大学的张华俊教授编写，第9章由通用泛亚技术中心的徐国权工程师编写，剩余章节由周俊杰教授编写；第三篇共6章，第10章和14.3节由通用泛亚技术中心的徐国权工程师编写，其余章节由周俊杰编写，全书由周俊杰教授统稿。

本书在编写过程中研究生刘博完成大量算例和插图，并参与编写部分章节初稿，博士生刘兵参与第一章编写，研究生耿艳辉完成风机的算例，张钰、赵书臣、喻舒婷、陶钧、宋晓磊、李召召和邓继容等参与文字和图片的处理，参与具体工作的还包括：王斌、张强林、万雷、张赛桥、王晓、陈军、赵会春等，在此一并感谢。在本书的编写过程中，得到院领导魏新利院长和王定标副院长的大力支持，也得到同事曹海亮博士、李言钦博士、付卫东博士等同事帮助，在此感谢。本书部分材料参考流体中文网和清洁能源网等论坛，感谢同行的交流。

本书在编写过程中，得到了编辑的热心指导和大力协助，编写共花费一年半的时间，在此期间也获得了合作者的理解与支持，也正是你们的宽容和谅解，使得本书能够顺利出版。由于编者水平有限，书中难免有不当之处，还请广大读者批评指正。

编 者

2010年元月

前言
第1章 概述 1
1.1 序言 1
1.2 基本思想 2
1.3 主要应用领域 3
1.4 常用流体分析软件比较 4
1.5 本章小结 6
第2章 FLUENT基础 7
2.1 概述 7
2.2 流体流动基本特性 8
2.2.1 基本的物理概念 9
2.2.2 流动状态 9
2.2.3 湍流模型 9
2.2.4 多相流模型 13
2.3 控制方程 14
2.3.1 连续性方程 14
2.3.2 N-S方程 14
2.3.3 能量守恒方程 15
2.3.4 其他方程 16
2.3.5 通用控制方程 16
2.4 数值求解方法 17
2.4.1 概述 17
2.4.2 有限差分法 17
2.4.3 有限元法 19
2.4.4 有限容积法 20
2.4.5 谱方法 20
2.4.6 边界元法 22
2.5 离散格式 25
2.5.1 概述 25
2.5.2 一阶差分格式 25
2.5.3 高阶差分格式 25
2.6 边界条件 27
2.6.1 概述 27
2.6.2 边界条件 27
2.6.3 初始条件 34
2.6.4 UDF与边界条件 34
2.7 软件基本结构 35
2.7.1 概述 35
2.7.2 前处理 35
2.7.3 求解器 35
2.7.4 后处理 35
2.8 求解过程 36
2.8.1 建立控制方程 37
2.8.2 确定边界条件与初始条件 37
2.8.3 划分计算网格 37
2.8.4 建立离散化方程 37
2.8.5 离散初始条件和边界条件 37
2.8.6 给定求解控制参数 38
2.8.7 求解离散方程 38
2.8.8 判断解的收敛性 38
2.8.9 输出结果 38
2.9 本章小结 38
第3章 网格生成技术 39
3.1 概述 39
3.2 结构化网格 40
3.2.1 单块结构网格生成技术 40
3.2.2 分区结构网格生成方法 41
3.3 非结构化网格 42
3.4 Gambit的使用 44
3.4.1 Gambit的用户界面 45
3.4.2 绘制几何图形 46
3.4.3 绘制网格 47
3.4.4 Gambit几何图形绘制实例 49
3.4.5 FLUENT的安装与运行 67
3.4.6 FLUENT的用户界面 68
3.4.7 数值模拟步骤简介 71
3.5 本章小结 72
第4章 FLUENT基本算例 73
4.1 概述 73
4.2 顶盖驱动流 73
4.2.1 物理模型 73
4.2.2 在Gambit中建立模型 74
4.2.3 求解计算 75
4.2.4 计算结果 78
4.3 后台阶流动 80
4.3.1 物理模型 81
4.3.2 在Gambit中建立模型 81
4.3.3 求解计算 83
4.3.4 计算结果 85
4.4 圆柱绕流 86
4.4.1 基本理论与物理模型 86
4.4.2 在Gambit中建立模型 87
4.4.3 求解计算 89
4.4.4 计算结果 92
4.5 圆管流动 95
4.5.1 物理模型 95
4.5.2 在Gambit中建立模型 95
4.5.3 求解计算 97
4.5.4 计算结果 99
4.6 弯通道流动 101
4.6.1 物理模型 101
4.6.2 在Gambit中建立模型 101
4.6.3 求解计算 103
4.6.4 计算结果 106
4.7 方腔自然对流 107
4.7.1 物理模型 107
4.7.2 在Gambit中建立模型 107
4.7.3 求解计算 108
4.7.4 计算结果 112
4.8 本章小结 114
第5章 FLUENT在流体机械领域的应用 115
5.1 概述 115
5.2 泵分析实例 115
5.2.1 概述 116
5.2.2 数学物理建模 117
5.2.3 边界条件 121
5.2.4 求解计算 121
5.2.5 结果分析与讨论 128
5.3 风机分析实例 134
5.3.1 概述 134
5.3.2 数学物理建模 138
5.3.3 边界条件 146
5.3.4 求解计算 146
5.3.5 结果分析与讨论 154
5.4 本章小结 158
第6章 FLUENT在化工设备领域的应用 159
6.1 搅拌设备 159
6.1.1 概述 159
6.1.2 数学物理建模 162
6.1.3 边界条件 166
6.1.4 求解计算 166
6.1.5 结果分析与讨论 169
6.2 混合设备 174
6.2.1 概述 175
6.2.2 数学物理建模 176
6.2.3 边界条件 182
6.2.4 求解计算 182
6.3 本章小结 192
第7章 FLUENT在换热及制冷领域的应用 193
7.1 概述 193
7.2 管壳式换热器 194
7.2.1 概述 194
7.2.2 数学物理建模 196
7.2.3 边界条件 205
7.2.4 求解计算 205
7.2.5 结果分析与讨论 215
7.3 管翅式换热器 222
7.3.1 概述 222
7.3.2 数学物理建模 222
7.3.3 边界条件 232
7.3.4 求解计算 232
7.3.5 结果分析与讨论 237
7.4 空气对流换热的场协同原理分析 244
7.4.1 场协同基本思想介绍 244
7.4.2 场协同评价指标的分析和探讨 244
7.4.3 带芯棒圆管换热的场协同原理分析 246
7.5 制冷剂管内换热的场协同原理分析 251
7.5.1 制冷剂蒸气光管内换热的场协同
分析 251
7.5.2 内横槽管制冷剂蒸气换热的场协同
分析 258
7.5.3 光管内液体制冷剂换热的场协同
分析 264
7.5.4 液体制冷剂内横槽管换热的场协同
分析 267
7.6 减阻节能 274
7.7 本章小结 275
第8章 FLUENT在热力设备领域的应用 276
8.1 概述 276
8.2 锅炉 276
8.2.1 概述 277
8.2.2 数学物理建模 277
8.2.3 边界条件 283
8.2.4 求解计算 284
8.2.5 结果分析与讨论 286
8.3 燃烧器 288
8.3.1 概述 289
8.3.2 数学物理建模 291
8.3.3 边界条件 297
8.3.4 求解计算 298
8.3.5 结果分析和讨论 305
8.4 本章小结 312
第9章 FLUENT在汽车工程领域的应用 313
9.1 概述 313
9.1.1 夏季空调的试验标准 313
9.1.2 冬季空调的试验标准 314
9.1.3 湍流流动及其数值模拟概述 314
9.1.4 室内气流分布的性能评价 315
9.1.5 离散传播辐射模型（DTRM） 316
9.2 轿车整车室内夏季空调环境的模拟 318
9.2.1 概述 318
9.2.2 数学物理模型 318
9.2.3 边界条件的设置 320
9.2.4 求解计算 324
9.2.5 结果分析与讨论 334
9.3 轿车整车室内冬季空调环境模拟 339
9.3.1 概述 340
9.3.2 数学物理建模 340
9.3.3 边界条件的设置 341
9.3.4 求解计算 343
9.3.5 结果分析与讨论 346
9.4 加入有人模型下的探讨 355
9.4.1 概述 355
9.4.2 数学物理模型 356
9.4.3 边界条件设置 357
9.4.4 边界条件设置 357
9.4.5 结果分析与讨论 359
9.5 本章小结 365
第10章 UDF 366
10.1 UDF综述 366
10.1.1 基本概念 366
10.1.2 编写环境 367
10.1.3 多相流应用写UDFs 369
10.1.4 编译UDF到FLUENT中 370
10.2 UDF的宏基础 371
10.2.1 常用的宏工具 373
10.2.2 有关宏的访问工具 374
10.3 综合应用实例 377
10.3.1 试验环境与测试条件 377
10.3.2 试验项目以及测试方法 377
10.3.3 试验结果 378
10.3.4 UDF设置 379
10.3.5 算例相关设置 381
10.4 本章小结 393
第11章 UDS的应用 394
11.1 概述 394
11.1.1 自定义标量UDS的定义 394
11.1.2 对流项的设置 395
11.1.3 时间项的设置 395
11.1.4 扩散系数的设置 395
11.1.5 源项S的设置 396
11.2 综合实例 397
11.3 本章小结 402
第12章 并行计算 403
12.1 概述 403
12.2 环境设置 405
12.3 综合应用实例 405
12.3.1 配置计算节点 406
12.3.2 检测网络连通性 406
12.3.3 网格的分割 407
12.3.4 读入case文件 408
12.3.5 检查网格分割 409
12.3.6 负载分布的检查 409
12.3.7 进行其他设置并计算 410
12.4 本章小结 410
第13章 常用数据后处理工具 411
13.1 Tecplot 411
13.1.1 概述 411
13.1.2 使用技巧 412
13.1.3 综合应用实例 421
13.2 Origin 425
13.2.1 概述 425
13.2.2 使用技巧 425
13.2.3 综合实例 430
13.3 Digitizer 447
13.3.1 概述 447
13.3.2 使用技巧 447
13.3.3 综合应用实例 448
13.4 本章小结 452
第14章 多相流模型 453
14.1 概述 453
14.2 VOF模型在射流纺织工程中的应用 454
14.2.1 概述 454
14.2.2 物理模型和网格划分 456
14.2.3 求解计算 456
14.2.4 计算结果 462
14.3 Mixture 模型 464
14.3.1 主要方法 464
14.3.2 理论方程 464
14.3.3 mixture模型相变流动中的简单
应用 466
14.4 本章小结 473
第15章 动网格模型 474
15.1 概述 474
15.2 方法简介 474
15.2.1 弹簧光滑模型 474
15.2.2 动态层模型 475
15.2.3 局部网格重划法 476
15.3 动网格模型在内燃机汽缸中的应用 477
15.3.1 问题描述 477
15.3.2 利用FLUENT 3D求解器进行计算 477
15.3.3 结果分析 485
15.4 本章小结 488
附录 489
参考文献 494

1. 软件设计师考前冲刺100题 [施游 王晓笛 邹月平 编著]
2. ANSYS SpaceClaim直接建模指南与CAE前处理应用解析 [王伟达 黄志新 李苗倩 编著]
3. 系统集成项目管理工程师考前冲刺100题 [刘毅 邓子云 编著]
4. 网络工程师的5天修炼 [朱小平 编著]
5. Ansoft HFSS磁场分析与应用实例 [曹善勇 编著]
6. Ansoft 12在工程电磁场中的应用 [赵博 张洪亮 等编著]