計算流體力學及其應用

上篇基礎篇
第1章緒論3
1.1流體力學的研究方法3
1.2計算流體力學的應用及前景分析4

第2章計算流體力學基礎知識6
2.1流體的基本特性6
2.1.1理想流體與黏性流體6
2.1.2牛頓流體與非牛頓流體7
2.1.3流體熱傳導及擴散7
2.1.4可壓流體與不可壓流體8
2.1.5定常流動與非定常流動8
2.1.6層流與湍流8
2.2流體力學的控制方程9
2.2.1質量守恒方程9
2.2.2動量守恒方程10
2.2.3能量守恒方程11
2.2.4組分質量守恒方程12
2.2.5湍流的控制方程13
2.2.6控制方程的通用形式14
2.2.7守恒型控制方程與非守恒型控制方程15
2.3CFD工作原理16
2.3.1計算流程16
2.3.2建立控制方程16
2.3.3確定邊界條件與初始條件17
2.3.4劃分計算網(wǎng)格17
2.3.5建立離散方程17
2.3.6離散初始條件和邊界條件18
2.3.7給定求解控制參數(shù)18
2.3.8求解離散方程18
2.3.9判斷解的收斂性19
2.3.10顯示和輸出計算結果19

第3章湍流模型20
3.1湍流及其數(shù)學描述20
3.1.1湍流流動的特征20
3.1.2湍流的基本方程21
3.2湍流的數(shù)值模擬方法23
3.2.1湍流數(shù)值模擬方法的分類23
3.2.2直接數(shù)值模擬法24
3.2.3大渦模擬法24
3.2.4Reynolds平均法25
3.3零方程模型及一方程模型26
3.3.1零方程模型27
3.3.2一方程模型27
3.4標準k-ε二方程模型28
3.4.1標準k-ε模型28
3.4.2標準k-ε模型的有關計算公式28
3.4.3標準k-ε模型的控制方程組30
3.4.4標準k-ε模型方程的解法及適用性30
3.5改進型k-ε模型31
3.5.1RNG k-ε模型31
3.5.2Realizable k-ε模型32
3.6在近壁區(qū)使用k-ε模型的問題及對策34
3.6.1近壁區(qū)流動的特點34
3.6.2在近壁區(qū)使用k-ε模型的問題36
3.6.3壁面函數(shù)法36
3.6.4低雷諾數(shù)k-ε模型39
3.7Reynolds應力方程模型40
3.7.1Reynolds應力輸運方程40
3.7.2RSM的控制方程組及其解法44
3.7.3對RSM適用性的討論45
3.8大渦模擬46
3.8.1大渦模擬的基本思想46
3.8.2大渦運動方程46
3.8.3亞格子尺度應力模型48
3.8.4LES控制方程的求解48

第4章控制方程的離散50
4.1離散化概述50
4.1.1離散化的目的50
4.1.2離散時所使用的網(wǎng)格51
4.1.3常用的離散化方法51
4.2有限體積法及其網(wǎng)格52
4.2.1有限體積法的基本思想52
4.2.2有限體積法的區(qū)域離散53
4.3一維穩(wěn)態(tài)問題的有限體積法54
4.3.1問題的描述55
4.3.2生成計算網(wǎng)格55
4.3.3建立離散方程55
4.3.4求解離散方程58
4.4常用的離散格式64
4.4.1問題描述64
4.4.2中心差分格式65
4.4.3一階迎風格式67
4.4.4混合格式71
4.4.5指數(shù)格式73
4.4.6乘方格式74
4.5高階離散格式74
4.5.1二階迎風格式74
4.5.2QUICK格式76
4.6各種離散格式的性能對比81

第5章流場數(shù)值計算83
5.1流場數(shù)值解法概述83
5.1.1常規(guī)解法存在的主要問題83
5.1.2流場數(shù)值計算的主要方法84
5.2交錯網(wǎng)格技術87
5.2.1普通網(wǎng)格87
5.2.2交錯網(wǎng)格88
5.2.3動量方程的離散90
5.3流場計算的SIMPLE算法95
5.3.1SIMPLE算法的基本思路95
5.3.2速度修正方程96
5.3.3壓力修正方程97
5.3.4SIMPLE算法的計算步驟98
5.3.5SIMPLE算法的討論99
5.4改進的SIMPLE算法100
5.4.1SIMPLEC算法101
5.4.2PISO算法102
5.5瞬態(tài)問題的數(shù)值計算105
5.5.1瞬態(tài)問題的SIMPLE算法105
5.5.2瞬態(tài)問題的PISO算法106

下篇應用篇
第6章大氣邊界層與大氣擴散111
6.1大氣污染物的彌散過程、大氣湍流擴散111
6.1.1大氣污染物的彌散過程111
6.1.2大氣湍流113
6.1.3湍流擴散116
6.1.4大氣擴散狀態(tài)與氣象條件的關系117
6.2大氣邊界層118
6.2.1大氣邊界層的一般特點和分裝118
6.2.2大氣邊界層的運動及能量和物質的垂直運輸121
6.2.3近地面層126
6.2.4不穩(wěn)定大氣邊界層141
6.2.5混合層發(fā)展的簡化模式147
6.2.6穩(wěn)定大氣邊界層149

第7章不同溫度層結下建筑物周圍流場影響161
7.1數(shù)值模擬162
7.1.1邊界條件162
7.1.2不同溫度層結實現(xiàn)164
7.2結果分析與比較164
7.2.1建筑物對流場的影響165
7.2.2建筑物對湍流的影響167
7.3結論168

第8章不同溫度層結下山體對流場與污染物擴散影響170
8.1數(shù)值模擬172
8.1.1湍流模型173
8.1.2邊界條件173
8.2結果分析與比較175
8.2.1流場結構175
8.2.2湍流結構179
8.2.3濃度場分析179
8.3結論184

第9章規(guī)則建筑群中流動和污染物擴散的研究185
9.1模擬描述187
9.1.1幾何描述187
9.1.2計算域和網(wǎng)格187
9.1.3邊界條件189
9.2模型有效性分析190
9.2.1MUST現(xiàn)場實驗描述190
9.2.2模擬設置192
9.2.3統(tǒng)計學分析192
9.3結果分析195
9.3.1縱向速度(u/Uref)196
9.3.2垂直速度(w/Uref)199
9.3.3湍流動能(k/U2ref)200
9.3.4流場結構201
9.3.5污染物擴散201

第10章不同溫度層結對LNG蒸氣擴散影響204
10.1數(shù)值模擬205
10.1.1計算域設置206
10.1.2邊界條件設置207
10.2數(shù)值模擬有效性分析209
10.2.1邊界條件209
10.2.2驗證結果分析210
10.3不同穩(wěn)定度對LNG擴散的影響212
10.3.1垂直分布213
10.3.2水平分布217
10.4結論218

參考文獻219