OpenFOAM理论与复杂物理场仿真计算

中国水利水电出版社

【作者】黄先北曹九发

【I S B N 】978-7-5226-4472-1

【责任编辑】张玉玲

【适用读者群】本专通用

【出版时间】2026-07-30

【开本】16开

【装帧信息】平装（光膜）

【版次】第1版第1次印刷

【页数】272

【千字数】392

【印张】17

【定价】￥62

【丛书】

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OpenFOAM是一款优秀的开源CFD软件，随着近年来的版本迭代及功能的不断完善，其可靠性与易用性均得到了大幅提升。本书从CFD的基本原理及其在OpenFOAM中的实现出发，使读者掌握其基本理论与方法；再进一步阐述常用的数值格式、求解方法、边界条件的建议设置以及后处理软件ParaView的操作，确保读者能更快地掌握其基本应用；最后，即本书的重点，通过涵盖经典湍流、多相流、旋转机械、可压缩、燃烧等物理问题的十余个案例，详细阐述各类问题的求解思路及二次开发、后处理技巧。本书并非简单罗列案例所涉及的步骤，而是结合OpenFOAM与ParaView的各种功能，全方位展示其求解与分析潜力，并针对相关物理问题进行进一步的研究。

本书可作为高等院校动力工程及工程热物理、水利工程、航空航天等专业的教材或教学参考书，也可供从事CFD的技术人员自学参考。

系统阐述CFD基本原理及在OpenFOAM中的实现，涵盖数值格式、数值求解与边界条件，构建完整的知识框架。

从基础算例出发，详解求解设置、计算监控与ParaView后处理操作，助读者快速熟悉

OpenFOAM的使用流程。

十余个物理案例覆盖经典湍流、多相流、旋转机械、可压缩、燃烧等方向，融汇二次开发与求解思路，全方位提升复杂工程仿真能力。

2021年，中国水利水电出版社出版了我们的第一本OpenFOAM书—《OpenFOAM从入门到精通》。该书问世之后，承蒙广大读者支持，近几年已数次加印。但与此同时，我们意识到该书的核心问题在于所用OpenFOAM的版本过低，功能不够完善，即使其中的算法、网格处理、边界条件等内容并不会由于版本更新而过时，陈旧的版本也已跟不上时代的发展。

随着OpenFOAM版本的更新迭代，其数值稳定性、准确性、算法丰富度以及易用性在近年来得到了显著的提升，从而吸引了更多学者及流体相关行业的从业人员。与此同时，AI技术的兴起也在一定程度上帮助用户更好地掌握这一开源软件。然而，针对某些流动问题或某类流动问题，尤其是多相流、流体机械与可压缩流动等，目前仍没有相对完整的教程介绍相关模型选择、参数设置、初始条件给定等问题。这就迫使相关用户在遇到此类问题时，需要花费大量时间和精力广泛查阅资料并不断试错，最终才有可能找到合适的模拟方法。此外，AI技术的支撑往往只能提供一些指导性意见，对于具体的分析方法，仍无法给出准确的答案。出版社也多次与我们沟通，希望我们能编写一部新书以进一步推动OpenFOAM在不同领域的应用。

为此，从2023年开始，我们正式开始筹划，初衷是通过十余个案例，涵盖经典湍流、多相流、流体机械、可压缩流动与燃烧等典型研究课题或工程问题，使新老用户在遇到类似问题时，可明确应使用的方法，从而更快地应用到相关研究对象，节约时间成本。为此，我们邀请南京航空航天大学的曹九发老师，一起编写此书，进一步保证本书涉及案例的可靠性。

本书共分为5篇，其中第1篇为OpenFOAM基础，重点讨论OpenFOAM的基本用法、数值格式、常用边界条件以及基于ParaView软件的后处理；第2篇为经典湍流，包括圆柱绕流、旋转槽道流等经典算例，涉及实时升阻力系数后处理、变量与残差监测、动量源项添加等；第3篇为多相流，包括空化、水工建筑物过流流动、波浪等案例，涉及自适应网格、相变、非均匀初始场与边界条件等；第4篇为流体机械，包括离心泵内流流动与风力机外流场，涉及坐标系转换、速度分解、动网格等；第5篇为可压缩流动与燃烧，包括激光空泡、高速机翼与燃烧弹，涉及热力学基本原理、求解器修改、激波、化学反应等。

本书由扬州大学黄先北副教授、南京航空航天大学曹九发副教授担任主编，扬州大学郭嫱副教授担任副主编。全书共18章，其中第1～7、10章由黄先北编写，第8、12、15、17、18章由曹九发编写，第9、11、13、14、16章由郭嫱编写，并由黄先北统稿。在本书编写过程中，研究生金冠祺、赵晋英、许昌豪、李苏伦、高祥也参与了算例调试、文字修订、排版等工作。感谢挪威科技大学沈玉稿、中南大学张敏在波浪与燃烧算例方面给予的指导。

在本书的编写过程中，我们得到了国家自然科学基金（52379093、52276041）、扬州大学青蓝工程、扬州大学精品本科教材建设项目以及中国水利水电出版社的支持，也得到了同事与朋友的帮助，在此对这些宝贵支持和帮助表示衷心的感谢。

限于作者的能力和水平，书中错误和缺点在所难免，恳请读者批评指正。

第1篇 OpenFOAM基础
第1章 OpenFOAM简介与算例基本结构 2
1.1 简介 2
1.2 功能框架与算例的基本结构 4
1.2.1 功能框架 4
1.2.2 算例的基本结构 5
1.2.3 foamGet与foamInfo工具 7
1.3 程序编译 9
第2章 CFD方程离散与数值求解 11
2.1 简述 11
2.2 计算域的离散 11
2.3 方程的空间离散 15
2.3.1 divSchemes 17
2.3.2 laplacianSchemes 18
2.3.3 gradSchemes 19
2.3.4 interpolationSchemes与snGradSchemes 21
2.3.5 ddtSchemes与d2dt2Schemes 21
2.3.6 wallDist 23
2.4 fvSolution中的solver 24
2.4.1 预处理器 26
2.4.2 Diagonal solver 28
2.4.3 PCG solver 28
2.4.4 PBiCG solver 31
2.4.5 smoothSolver 33
2.4.6 GAMG solver 34
2.5 fvSolution中的压力-速度算法 36
2.5.1 SIMPLE算法 36
2.5.2 PISO算法 38
2.5.3 PIMPLE算法 39
2.5.4 亚松弛技术 40
第3章常用边界条件 42
3.1 简述 42
3.2 进口/出口常用边界条件 42
3.2.1 速度与压力的fixedValue与zeroGradient组合 42
3.2.2 流量进出口边界 44
3.2.3 k/nut/epsilon/omega 45
3.3 壁面常用边界条件 46
3.3.1 速度 46
3.3.2 压力 46
3.3.3 k/nut/epsilon/omega 47
3.4 交界面的边界条件 47
3.4.1 速度 48
3.4.2 压力及其他 48
3.5 多相流、传热相关边界条件 48
第4章 ParaView的基础操作 49
4.1 简述 49
4.2 时间控制 49
4.3 变量分布—云图 51
4.4 变量分布—等值面 53
4.5 切除几何 55
4.6 切面 56
4.7 某条线上的变量分布曲线 56
4.8 计算器 58
第2篇经典湍流
第5章圆柱绕流 61
5.1 简述 61
5.2 物理模型参数 61
5.3 网格与边界条件 62
5.4 计算设置与求解 62
5.4.1 边界条件与初始值—0 62
5.4.2 湍流模型与物性参数—constant 65
5.4.3 求解与后处理设置—system 66
5.5 后处理 73
第6章 Taylor-Couette流 81
6.1 简述 81
6.2 物理模型参数 81
6.3 网格与边界条件 82
6.4 计算设置与求解 83
6.4.1 边界条件与初始值—0 83
6.4.2 湍流模型与物性参数—constant 84
6.4.3 求解与后处理设置—system 85
6.5 后处理 86
第7章旋转槽道流 91
7.1 简述 91
7.2 物理模型参数 91
7.3 网格与边界条件 92
7.4 计算设置与求解 92
7.4.1 科氏力及压力梯度动态调整 93
7.4.2 边界条件与初始值—0 95
7.4.3 湍流模型与物性参数—constant 96
7.4.4 求解与后处理设置—system 97
7.5 后处理 98
第8章二维NACA翼型绕流 103
8.1 简述 103
8.2 物理模型参数 103
8.3 网格与边界条件 104
8.4 计算设置与求解 105
8.4.1 边界条件与初始值—0 105
8.4.2 湍流模型与物性参数—constant 106
8.4.3 求解与后处理设置—system 107
8.5 后处理 109
第3篇多相流
第9章水翼空化绕流 117
9.1 简述 117
9.2 物理模型参数 117
9.3 网格与边界条件 118
9.4 计算设置与求解 119
9.4.1 边界条件与初始值—0 119
9.4.2 湍流模型与物性参数—constant 120
9.4.3 求解与后处理设置—system 122
9.5 后处理 123
第10章进水池吸气涡 130
10.1 简述 130
10.2 物理模型参数 130
10.3 网格与边界条件 131
10.4 计算设置与求解 132
10.4.1 网格导入与处理 132
10.4.2 边界条件与初始值—0 133
10.4.3 湍流模型与物性参数—constant 136
10.4.4 求解与后处理设置—system 137
10.5 后处理 137
10.6 自适应网格设置 140
10.7 不同网格的结果对比 144
第11章数值波浪水池 146
11.1 简述 146
11.2 物理模型参数 146
11.3 网格与边界条件 147
11.4 计算设置与求解 147
11.4.1 边界条件与初始值—0 147
11.4.2 子模型及参数—constant 148
11.4.3 求解与后处理设置—system 149
11.5 后处理 150
第12章明渠自由表面流 154
12.1 简述 154
12.2 物理模型参数 154
12.3 网格与边界条件 155
12.4 计算设置与求解 155
12.4.1 边界条件与初始值—0 155
12.4.2 湍流模型与物性参数—constant 160
12.4.3 求解与后处理设置—system 161
12.5 后处理 161
第4篇流体机械
第13章离心叶轮内部流动 168
13.1 简述 168
13.2 物理模型参数 168
13.3 网格与边界条件 170
13.4 计算设置与求解 170
13.4.1 边界条件与初始值—0 171
13.4.2 湍流模型与物性参数—constant 172
13.4.3 求解与后处理设置—system 173
13.5 后处理 174
13.5.1 编写后处理程序relCylU 174
13.5.2 圆柱坐标系下的速度分析 178
13.6 基于NCC的算例修改 179
第14章导叶式离心泵的动静干涉 187
14.1 简述 187
14.2 物理模型参数 187
14.3 网格与边界条件 189
14.4 计算设置与求解 191
14.4.1 边界条件与初始值—0 191
14.4.2 湍流模型与物性参数—constant 194
14.4.3 求解与后处理设置—system 195
14.5 后处理 196
14.5.1 结果验证 196
14.5.2 编写相对速度计算程序Urel 198
14.5.3 相对速度分析 200
第15章 Phase VI风力机气动特性预测 202
15.1 简述 202
15.2 物理模型参数 202
15.3 网格与边界条件 203
15.4 计算设置与求解 204
15.4.1 边界条件与初始值—0 204
15.4.2 湍流模型与物性参数—constant 206
15.4.3 求解与后处理设置—system 207
15.5 后处理 208
第5篇可压缩流动与燃烧
第16章光致球形空泡的生长溃灭 213
16.1 简述 213
16.2 物理模型参数 213
16.3 网格与边界条件 214
16.4 计算设置与求解 214
16.4.1 边界条件与初始值—0 215
16.4.2 湍流模型与物性参数—constant 216
16.4.3 求解器修改 226
16.4.4 求解与后处理设置—system 227
16.5 后处理 227
第17章跨音速机翼绕流 231
17.1 简述 231
17.2 物理模型参数 231
17.3 网格与边界条件 233
17.4 计算设置与求解 234
17.4.1 边界条件与初始值—0 234
17.4.2 湍流模型与物性参数—constant 236
17.4.3 求解与后处理设置—system 237
17.5 后处理 239
第18章喷雾燃烧 245
18.1 简述 245
18.2 物理模型参数 245
18.3 网格与边界条件 246
18.4 计算设置与求解 247
18.4.1 边界条件与初始值—0 247
18.4.2 化学反应机理—chemkin 248
18.4.3 子模型及参数—constant 250
18.4.4 求解与后处理设置—system 254
18.5 后处理 254
参考文献 256
缩略词 259

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