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前言3

第一篇 基础篇3

第1章 网格生成技术3

1.1 三维结构化网格生成技术3

1.1.1 引言3

1.1.2 三维点控制的代数法结构化网格生成原理4

1.1.3 三维点控制代数法结构化网格生成原理的实现8

1.1.4 三维结构化网格生成技术应用举例10

1.1.5 结论1

1.2 圆柱坐标系中适体坐标的生成及其应用11

1.2.1 适体坐标简介12

1.2.2 有限容积法在圆柱轴对称适体坐标中的实施13

1.2.3 应用举例21

1.2.4 结论28

1.3 非结构化网格的生成及其上N-S方程的求解技术28

1.3.1 非结构化网格生成29

1.3.2 非结构化网格上的SIMPLE算法47

参考文献54

第2章 对流项离散格式的构造60

2.1 SCSD及SGSD格式60

2.1.1 引言60

2.1.2 SCSID格式61

2.1.3 SGSD格式62

2.1.4 SCSD格式与SGSID格式的比较62

2.1.5 SGSD格式在多重网格中的有效性和经济性67

2.1.6 小结70

2.2 有限容积法中格式构造的一般方法70

2.2.1 引言70

2.2.2 对流项高阶格式构造的统一公式71

2.2.3 对流项高精度绝对稳定格式的推导76

2.2.4 二阶精度差分格式求解特性的分析80

2.2.5 结论92

2.3 对称奇阶格式的构造93

2.3.1 传统的对流项“迎风”差分格式构造思想及离散格式的迁移性93

2.3.2 “对称”三阶精度格式的推导和求解特性分析94

2.3.3 “对称奇阶”格式构造理论的提出109

2.3.4 结论111

2.4 对流项离散格式有界性研究及有界性准则的改进111

2.4.1 研究现状111

2.4.2 GL-CBC的不足113

2.4.3 界面插值规则的更严格的限制条件115

2.4.4 基于上述讨论的新的CBC区域117

2.4.5 与现有的有界组合格式的比较118

2.4.6 GL-CBC与新CBC之间的数值比较120

2.4.7 小结122

2.5 对流项离散格式有界性条件的进一步完善122

2.5.1 引言122

2.5.2 通用对流有界性准则123

2.5.3 有界高精度差分格式的构建条件126

2.5.4 高分辨率组合格式中的一个问题及其改进措施133

2.5.5 结论135

参考文献136

第3章 压力和速度的藕合算法139

3.1 一种求解不可压缩流场的全隐算法—CLEAR算法140

3.1.1 引言140

3.1.2 CLEAR算法基本思想141

3.1.3 CLEAR算法的计算步骤142

3.1.4 第二松弛因子142

3.1.5 CLEAR算法和SIMPLER算法的比较142

3.1.6 数值比较条件143

3.1.7 数值比较算例143

3.1.8 结论146

3.2 一种高效稳定的分离式算法—IDEAL算法146

3.2.1 引言146

3.2.2 IDEAL算法的计算步骤147

3.2.3 算例比较条件和收敛标准149

3.2.4 数值比较算例150

3.2.5 结论159

3.3 曲线坐标系下同位网格中SIMPLE系列算法的发展159

3.3.1 引言159

3.3.2 控制方程及其离散161

3.3.3 算例考核166

3.3.4 改进算法的收敛性及健壮性170

3.3.5 结论171

3.4 SIMPLE系列算法中压力边界条件的处理172

3.4.1 引言172

3.4.2 SIMPLE方法中静压力边界条件的处理方法173

3.4.3 压力边界条件的程序实现175

3.4.4 小结183

参考文献183

第4章 边界条件的处理和代数方程的求解188

4.1 开口区域出口边界条件的处理188

4.1.1 引言188

4.1.2 出口存在回流时速度边界处理方法189

4.1.3 周期性边界条件191

4.1.4 结论198

4.2 孤岛问题的数值处理199

4.2.1 引言199

4.2.2 孤岛处理方法简介199

4.2.3 物理问题及数值方法200

4.2.4 数值结果与实验验证203

4.3 导热对流表面辐射耦合问题的数值处理207

4.3.1 辐射表面处于求解区域的内部207

4.3.2 固体辐射表面为求解区域的边界209

4.3.3 数值方法的实验验证例子21

4.4 迭代求解过程中拉格朗日初场插值方法的应用212

4.4.1 引言212

4.4.2 数值方法213

4.4.3 数值试验216

4.4.4 非结构化网格下初场插值方法的推广224

4.4.5 结论224

4.5 Krylov子空间法在SIMPLER算法中的应用研究225

4.5.1 引言225

4.5.2 Krylov子空间法在SIMPLER算法中的求解特性分析225

4.5.3 不同代数方程求解方法收敛速度比较及对算法健壮性的影响分析229

4.5.4 结论232

参考文献235

第5章 湍流与两相流的数值计算242

5.1 方形截面通道内湍流的大涡模拟243

5.1.1 引言243

5.1.2 物理问题及数学描述244

5.1.3 数值方法245

5.1.4 程序考核247

5.1.5 计算结果分析248

5.1.6 结论253

5.2 湍流的直接模拟253

5.2.1 引言253

5.2.2 控制方程254

5.2.3 数值方法256

5.2.4 结果分析与讨论259

5.2.5 小结267

5.3 旋转方形截面通道中湍流的直接模拟267

5.3.1 引言267

5.3.2 物理模型和数学模型268

5.3.3 数值计算方法269

5.3.4 控制方程的离散270

5.3.5 模型1的结果及分析271

5.3.6 模型2的结果及分析278

5.3.7结论284

5.4 非牛顿减阻流动的湍流直接数值模拟285

5.4.1 引言285

5.4.2 控制方程及数值计算方法286

5.4.3 高精度紧致格式287

5.4.4 ENO格式和WENO格式291

5.4.5 数值算例及结果分析294

5.4.6 结论295

5.5 湍流可压缩分离流的数值研究295

5.5.1 引言295

5.5.2 控制方程和数值方法296

5.5.3 计算结果与讨论297

5.5.4 结论310

5.6 VOSET—一种精确高效的界面捕捉方法310

5.6.1 引言310

5.6.2 求解流体体积函数312

5.6.3 LevelSet函数的几何计算方法313

5.6.4 LevelSet函数的应用315

5.6.5 预测两相流流场的控制方程与离散格式316

5.6.6 VOSET，方法的求解步骤316

5.6.7 计算例题及分析比较316

5.6.8 结论321

参考文献321

第6章 连续介质场模拟计算方法的近代发展329

6.1 两种并行计算编程模式及其应用329

6.1.1 引言329

6.1.2 并行计算的相关要素及概念330

6.1.3 并行计算的实施及应用333

6.1.4 结论341

6.2 无网格方法及其在求解传热问题中的应用342

6.2.1 无网格方法简介342

6.2.2 用移动最小二乘构建近似函数343

6.2.3 配点型无网格Petrov-Galerkin方法及其在导热问题中的应用345

6.2.4 无网格Petrov-Galerkin方法在导热和对流-扩散问题中的应用349

6.2.5 小结353

6.3 最佳正交分解在流动与传热数值计算中的应用353

6.3.1 引言353

6.3.2 POD的实施过程354

6.3.3 低阶模型的构建357

6.3.4 算例358

参考文献364

第7章 介观与微观层次的数值模拟方法369

7.1 格子-玻尔兹曼方法简介369

7.1.1 引言369

7.1.2 格子-玻尔兹曼方法的热模型374

7.1.3 格子-玻尔兹曼方法多块网格处理377

7.1.4 格子-玻尔兹曼方法的应力场模拟380

7.1.5 格子-玻尔兹曼方法对微尺度电渗问题的模拟381

7.1.6 小结382

7.2 可压缩完全气体流动的格子-玻尔兹曼模型382

7.2.1 引言382

7.2.2 用于可压缩流动的耦合双分布函数格子-玻尔兹曼模型383

7.2.3 关于耦合的双分布函数小结391

7.3 可压缩格子-玻尔兹曼方法的应用391

7.3.1 激波管问题的模拟392

7.3.2 双马赫反射问题的模拟394

7.3.3 库埃特流的模拟394

7.3.4 小结397

7.4 熵格子-玻尔兹曼方法及其应用397

7.4.1 引言397

7.4.2 熵格子-玻尔兹曼方法框架的构建398

7.4.3 Ehrenfest粗粒化402

7.4.4 强制正定性方法402

7.4.5 熵函数403

7.4.6 优化策略404

7.4.7 数值实例404

7.4.8 小结410

7.5 直接模拟蒙特卡罗方法410

7.5.1 引言410

7.5.2 直接模拟蒙特卡罗方法简介411

7.5.3 DSMC方法中热流边界处理方法及实施412

7.5.4 子网格与非结构化网格在DSMC方法中的应用417

7.5.5 结论420

7.6 分子动力学模拟方法421

7.6.1 引言421

7.6.2 分子动力学模拟的实施421

7.6.3 对模拟结果的处理425

7.6.4 其他问题427

参考文献428

第8章 热流问题的多尺度耦合计算434

8.1 计算的高效、精确化与多尺度耦合434

8.2 热流过程多尺度问题的藕合模拟439

8.2.1 引言439

8.2.2 多尺度物理过程的建模440

8.2.3 求解多尺度问题的“分区建模一界面耦合”方法及实例442

8.2.4 求解多尺度问题的“统一方程整场求解”方法的实例449

8.2.5 热流过程的多尺度问题模拟的展望450

8.3 热流系统的多尺度问题的藕合模拟450

8.3.1 引言450

8.3.2 系统级数值分析451

8.3.3 印制板级数值分析455

8.3.4 元件级数值分析457

8.3.5 结论458

参考文献458

第二篇 应用篇465

第9章 强化传热技术的数值研究465

9.1 数值设计高效开缝翅片的原则465

9.1.1 引言465

9.1.2 物理模型467

9.1.3 数学建模468

9.1.4 结果与讨论470

9.1.5 结论474

9.2 X型开缝翅片传热与流动特性的数值预测474

9.2.1 引言474

9.2.2 计算区域的选取及其数学描述475

9.2.3 流动和传热的数值计算方法476

9.2.4 计算结果和场协同原理分析477

9.2.5 结论479

9.3 辐射状翅片及椭圆管翅片特性的数值模拟479

9.3.1 引言479

9.3.2 数学物理建模480

9.3.3 计算区域与边界条件480

9.3.4 方程求解481

9.3.5 结果分析与讨论481

9.3.6 结论488

9.4 纵向涡发生器强化翅片传热特性的数值预测489

9.4.1 引言489

9.4.2 计算模型及数值方法491

9.4.3 计算结果及分析493

9.4.4 结论498

9.5 钉泡翅片流动与传热的数值模拟499

9.5.1 引言499

9.5.2 非正交曲线坐标系中同位网格耦合传热问题计算方法499

9.5.3 钉泡翅片的数值模拟506

9.5.4 结论510

9.6 扭转椭圆管内气体流动与传热特性的数值预测511

9.6.1 引言511

9.6.2 物理模型512

9.6.3 计算模型与数值方法512

9.6.4 结果与讨论514

9.6.5 小结519

9.7 管内螺旋流动对流传热的数值模拟520

9.7.1 引言520

9.7.2 物理模型和数学模型520

9.7.3 离散方法和数值方法522

9.7.4 计算结果及分析525

9.7.5 结论529

9.8 泡沫金属传热特性的数值模拟529

9.8.1 引言529

9.8.2 研究现状530

9.8.3 物理问题531

9.8.4 计算区域及控制方程531

9.8.5 数值方法及程序验证532

9.8.6 结果及分析532

9.8.7 结论536

9.9 强化单相对流传热机制的数值分析536

9.9.1 引言536

9.9.2 场协同原理从抛物型流动推广到椭圆型的流动537

9.9.3 表征协同性优劣的指标538

9.9.4 场协同原理的数值验证539

9.9.5 速度与温度梯度垂直时流速对换热没有影响的实验验证543

9.9.6 场协同原理是强化单相对流换热的统一理论543

9.9.7 应用场协同原理指导强化传热表面的开发543

9.9.8 结论544

9.10 多孔砖最佳结构的数值设计544

9.10.1 物理问题和数学模型544

9.10.2 数值模拟方法548

9.10.3 结果分析551

9.10.4 结论555

参考文献556

第10章 数值方法在换热器设计优化和运行控制中的应用564

10.1 用数值方法设计管片式散热器564

10.1.1 引言564

10.1.2 用数值方法设计管片式散热器的流程565

10.1.3 数值方法准确性分析567

10.1.4 典型传热单元所能交换的热量φc的确定569

10.1.5 管片式散热器的数值优化572

10.1.6 综合设计573

10.1.7 数值设计结果573

10.1.8 结论573

10.2 多级翅片管换热器的数值设计574

10.2.1 引言574

10.2.2 物理模型574

10.2.3 数学模型576

10.2.4 结果与讨论579

10.2.5 结论582

10.3 空调换热器流路布置的数值研究582

10.3.1 换热器流路布置问题的提出582

10.3.2 换热器流路布置研究的发展和现状583

10.3.3 数值计算方法584

10.3.4 程序的结构和考核587

10.3.5 换热器典型流路形式对比588

10.3.6 换热器流路的改进592

10.3.7 小管径空调换热器流路设计595

10.3.8 总结596

10.4 壳管式换热器的三维数值模拟597

10.4.1 引言597

10.4.2 数值研究方法597

10.4.3 管壳式换热器多孔介质模型介绍及应用598

10.4.4 商用软件与并行计算在管壳式换热器数值模拟中的应用613

10.4.5 总结614

10.5 圆管内CaSO4污垢的数值模拟614

10.5.1 引言614

10.5.2 基本守恒方程615

10.5.3 物理模型及网格划分616

10.5.4 污垢模型617

10.5.5 定解条件与计算结果619

10.5.6 结论621

10.6 数值方法在变频空调器特性研究中的应用621

10.6.1 引言621

10.6.2 数学模型622

10.6.3 数值模拟与系统仿真625

10.6.4 数值仿真结果的实验验证625

10.6.5 结论627

参考文献627

第11章 数值方法在新能源与清洁能源开发中的应用631

11.1 固体氧化物电解质燃料电池中的电流、温度、浓度诸场的联立解析631

11.1.1 引言631

11.1.2 固体氧化物电解质燃料电池的基本原理及数值求解的目标632

11.1.3 流体流动、传热、传质及电流传导的藕合数值模型636

11.1.4 一些计算结果及讨论642

11.1.5 小结647

11.2 质子交换膜燃料电池的数值模拟648

11.2.1 引言648

11.2.2 PEMFC的三维两相数学模型简介649

11.2.3 数值模拟方法656

11.2.4 数值模拟结果与分析656

11.2.5 结论664

11.3 现有质子交换膜燃料电池物理数学模型验证方法探讨665

11.3.1 引言665

11.3.2 模型描述665

11.3.3 计算方法669

11.3.4 模型验证分析671

11.3.5 结论676

11.4 太阳能制氢的数值模拟676

11.4.1 引言676

11.4.2 光电化学制氢677

11.4.3 热化学制氢677

11.4.4 电化学制氢681

11.4.5 结论689

11.5 辐射换热数值计算689

11.5.1 引言689

11.5.2 辐射传递方程691

11.5.3 辐射换热数学模型692

11.5.4 讨论701

参考文献701

第12章 高新技术中热流问题的数值计算715

12.1 脉管制冷机的数值模拟715

12.1.1 前言715

12.1.2 基本型脉管制冷机716

12.1.3 小孔型脉管制冷机725

12.1.4 结论731

12.2 热声对流的数值模拟732

12.2.1 研究背景732

12.2.2 数学模型及求解方法733

12.2.3 热声波数值模拟的虚假振荡现象736

12.2.4 半无限大空间内的热声波数值模拟741

12.2.5 热声波强化传热的数值模拟745

12.2.6 结论748

12.3 用于冷却技术的复杂通道内对流换热特性的研究749

12.3.1 引言749

12.3.2 前人工作回顾752

12.3.3 存在的问题755

12.3.4 楔形通道换热三维数值模拟756

12.3.5 扰流柱沿流向叉排布置的流动和换热759

12.3.6 束腰结构扰流柱对强化传热特性的影响763

12.3.7 断裂结构扰流柱的流动与换热数值模拟765

12.3.8 结论767

12.4 高压大推力液体火箭发动机流动与传热的数值模拟768

12.4.1 引言768

12.4.2 问题描述769

12.4.3 燃气的简化处理及热物性的计算772

12.4.4 数值方法773

12.4.5 计算结果分析774

12.4.6 结论781

12.5 核聚变包层内金属流体在强梯度磁场作用下流动的直接数值模拟781

12.5.1 引言781

12.5.2 守恒格式计算洛仑兹力782

12.5.3 强梯度磁场作用下的MHD流动分析784

12.5.4 结论787

12.6 室内空气污染物传播过程数值模拟研究788

12.6.1 引言788

12.6.2 房间几何模型和数学描述788

12.6.3 边界条件和源项处理789

12.6.4 计算结果与分析789

12.6.5 结论793

参考文献793

第13章 微细通道流动与传热的数值研究805

13.1 细通道电子器件冷却器的数值设计805

13.1.1 引言805

13.1.2 细通道模型设计807

13.1.3 控制方程与边界条件807

13.1.4 计算方法808

13.1.5 湍流计算结果809

13.l.6 层流计算结果816

13.1.7 结论818

13.2 微尺度非平衡态气体的格子-玻尔兹曼方法模拟819

13.2.1 引言819

13.2.2 微尺度非平衡态气体格子-玻尔兹曼方法求解模型821

13.2.3 微尺度非平衡态气体格子-玻尔兹曼方法的应用829

13.2.4 总结831

13.3 微通道电渗流数值模拟832

13.3.1 引言832

13.3.2 电渗流速度控制方程833

13.3.3 伴随焦耳热的三维电渗流的物理与数学模型836

13.3.4 数值解法842

13.3.5 数值模拟结果与分析843

13.3.6 总结848

13.4 微通道内气体流动传热特性的N-S方程及DSMC求解848

13.4.1 引言848

13.4.2 气体稀薄性与可压缩性的耦合作用849

13.4.3 突扩/缩微通道内的流动特性853

13.4.4 平直微通道传热特性856

13.4.5 结论857

13.5 微喷管中传热与流动的藕合跨尺度模拟857

13.5.1 引言857

13.5.2 计算方法858

13.5.3 程序验证859

13.5.4 FMMR模拟860

13.5.5 计算结果及分析861

13.5.6 结论865

13.6 计算微流体力学的应用865

13.6.1 引言865

13.6.2 计算工具865

13.6.3 微流体领域中使用CFD的几个例子866

13.6.4 结论871

参考文献871

第14章 纳米与多孔结构的物性预测及流动与换热模拟879

14.1 深过冷液态金属热物性的分子动力学计算879

14.1.1 引言879

14.1.2 嵌入原子模型880

14.1.3 熔点的模拟方法881

14.1.4 比热容的模拟方法882

14.1.5 自扩散系数的模拟方法882

14.1.6 黏度的模拟方法884

14.2 纳米流动与传热现象的分子动力学模拟886

14.2.1 引言886

14.2.2 纳米尺度圆柱绕流的MD模拟研究887

14.2.3 纳米尺度金属壁面冷凝过程的MD模拟研究897

14.3 多孔介质中流场的多块网格格子-玻尔兹曼方法模拟905

14.3.1 引言905

14.3.2 多孔介质简介905

14.3.3 LBM应用于多孔介质研究回顾906

14.3.4 多孔介质的格子-玻尔兹曼模型907

14.3.5 多孔介质内部固体点边界条件的处理方法909

14.3.6 LBM网格技术的发展910

14.3.7 块结构化网格原理及实施步骤912

14.3.8 LBM块结构化网格程序考核913

14.3.9 二维流道填充多孔介质的流动模拟914

14.3.10 结论917

参考文献917

作者索引924