前言

流體的流動規(guī)律以三大守恒定律為基礎，即質量守恒定律、動量守恒定律和能量守恒定律。這些定律由數(shù)學方程組來描述，但由于這些方程組都是非線性的，對于一些復雜問題，傳統(tǒng)的求解方法很難得到分析解。另一方面，隨著計算機技術的不斷發(fā)展和進步，計算流體動力學（CFD）逐漸在流體力學研究領域嶄露頭角，它通過計算機數(shù)值計算和圖像顯示方法，在時間和空間上定量描述流場的數(shù)值解，從而達到研究物理問題的目的。它兼具理論性和實踐性，成為繼理論流體力學和實驗流體力學之后的又一種重要研究手段。

CFD軟件最早于20世紀70年代誕生于美國，但其較廣泛的應用是近十幾年的事。目前，它已成為解決各種流體流動與傳熱問題的強有力工具，在水利、航運、海洋、環(huán)境、流體機械與流體工程等各種技術學科都有廣泛的應用。

FLUENT是國際上流行的商用CFD軟件包，包含基于壓力的分離求解器、基于壓力的耦合求解器、基于密度的隱式求解器、基于密度的顯式求解器。它具有豐富的物理模型、先進的數(shù)值方法和強大的前后處理功能，可對高超音速流場、傳熱與相變、化學反應與燃燒、多相流、旋轉機械、動/變形網(wǎng)格、噪聲、材料加工復雜激勵等流動問題進行精確的模擬，具有較高的可信度。

本書以ANSYS FLUENT 16.0作為軟件平臺，詳盡地講解了FLUENT軟件的使用，全書共16章，各章的主要內容安排如下。

第1章：流體力學與計算流體力學基礎。首先介紹了流體力學的基礎理論知識，在此基礎上介紹了計算流體力學的相關知識等內容。

第2章：FLUENT軟件介紹。講解FLUENT軟件的特點、FLUENT與ANSYS Workbench之間的關系以及在Workbench中使用FLUENT的方法等內容，并在此基礎上講解了FLUENT的基本操作，最后通過一個“水流計算”的簡單實例介紹了FLUENT的數(shù)值模擬方法。

第3章：前處理方法。首先簡要介紹了主流前處理軟件Gambit、ANSYS ICEM CFD、TGrid、GridPro和Gridgen的功能及特點，接著重點介紹了Gambit和ANSYS ICEM CFD 16.0的基本功能、基本用法和應用實例。通過實例介紹了用Gambit進行網(wǎng)格劃分的基本步驟，詳細介紹了用ANSYS ICEM CFD劃分三維結構化網(wǎng)格的方法。

第4章：后處理方法。介紹了3種對FLUENT結果文件進行后處理的途徑：FLUENT內置后處理、Workbench CFD-Post通用后處理器及Tecplot后處理軟件，詳細介紹了運用這些途徑進行可視化圖形處理、渲染以及圖表、曲線和報告的生成方法。

第5章：FLUENT中常用的邊界條件。首先對FLUENT中提供的各種邊界條件進行了分類，接著闡述了FLUENT中流動入口和出口邊界的各種參數(shù)確定方法，重點介紹了FLUENT中若干種常用邊界條件的使用條件及方法。

第6章：導熱問題的數(shù)值模擬。介紹了導熱的基礎理論，即傅里葉定律，然后通過兩個實例對導熱問題進行具體的數(shù)值模擬分析，包括有內熱源的導熱問題以及鋼球非穩(wěn)態(tài)冷卻過程的數(shù)值模擬。

第7章：流體流動與傳熱的數(shù)值模擬。首先介紹了流體的兩種流動狀態(tài)—層流和湍流，然后介紹了FLUENT中的湍流模型，包括Spalart-Allmaras模型、k-ε模型、k-ω模型等。最后通過5個實例對其流場和溫度場進行數(shù)值模擬。

其中引射器內流場、圓柱繞流和二維離心泵內流場的數(shù)值模擬屬于流體流動的數(shù)值模擬；扇形教室空調通風的數(shù)值模擬屬于流體流動與換熱的數(shù)值模擬；地埋管流固耦合換熱的數(shù)值模擬屬于強制對流與導熱耦合的數(shù)值模擬。

第8章：自然對流與輻射換熱的數(shù)值模擬。首先介紹了自然對流與輻射換熱的理論知識，然后通過3個實例分別對自然對流與輻射換熱進行數(shù)值模擬。

兩相連方腔內自然對流換熱的數(shù)值模擬，左側高溫壁面以自然對流的形式通過中間壁面向右側壁面?zhèn)鳠幔ㄟ^數(shù)值模擬可準確預測其內部溫度場、壓力場和速度場。

煙道內煙氣對流輻射換熱的數(shù)值模擬，主要是煙氣中的三原子氣體、非對稱結構的雙原子氣體等對壁面有輻射換熱，通過數(shù)值模擬可準確預測其內部的溫度場、速度場。

室內通風問題模擬的是在英國菲爾德FLUENT歐洲辦事處接待區(qū)的通風問題，考慮了不同材質墻體的傳熱和輻射問題，同時加載了夏季的太陽模型，得到室內溫度分布情況和墻面太陽熱流分布。

第9章：凝固和融化過程的數(shù)值模擬。介紹了凝固融化模型的基礎理論。然后通過一個實例對其進行數(shù)值模擬，通過數(shù)值模擬可清晰地看到融化過程固液相的變化，并計算出冰塊融化所需要的時間。

第10章：多相流模型的數(shù)值模擬。首先介紹了多相流的基礎知識，然后介紹了FLUENT中的3種多相流模型，最后通過5個實例進行數(shù)值模擬。

其中孔口出流、水中氣泡的上升和儲油罐液面問題屬于VOF模型，氣穴現(xiàn)象的數(shù)值模擬屬于Mixture模型，水流對沙灘沖刷過程的數(shù)值模擬屬于Eulerian模型。

第11章：離散相的數(shù)值模擬。首先介紹了離散相模型的基礎知識，然后通過兩個實例進行詳細的數(shù)值模擬分析。

引射器離散相流場的數(shù)值模擬，是在第7.2節(jié)引射器內流場的基礎上添加離散相模型，用于模擬其內部煙灰的流動特性；噴淋過程的數(shù)值模擬是利用離散相的噴霧模型，對噴淋過程進行數(shù)值模擬。

第12章：組分傳輸與氣體燃燒的數(shù)值模擬。首先介紹了基礎理論知識，然后通過3個實例進行數(shù)值模擬分析。

室內甲醛污染物濃度的數(shù)值模擬，利用數(shù)值模擬方法準確預測室內甲醛的濃度；焦爐煤氣燃燒和預混氣體化學反應的模擬，利用數(shù)值模擬方法對多組分氣體燃燒進行模擬，得到其溫度場、速度場和各組分的濃度場。

第13章：動網(wǎng)格問題的數(shù)值模擬。首先介紹了FLUENT動網(wǎng)格的基礎理論知識，然后通過4個實例進行數(shù)值模擬，包括兩車交會過程、運動物體強制對流換熱、雙葉輪旋轉流場和單級軸流渦輪機模型內部流場的數(shù)值模擬。

第14章：多孔介質內流動與換熱的數(shù)值模擬。首先介紹了多孔介質的基礎理論知識，然后介紹了FLUENT多孔介質模型，最后通過3個實例進行數(shù)值模擬分析。

第15章：UDF基礎應用。首先介紹了UDF（用戶自定義函數(shù)）的基本用法，然后用3個實例演示了UDF在定義物性參數(shù)、求解多孔介質和定義運動參數(shù)等方面的應用。

第16章：燃料電池問題模擬。主要向讀者介紹如何使用FLUENT中的燃料電池附件模塊來求解單通道逆流聚合物電解質膜（PEM）燃料電池問題。

通過本書的學習，讀者可以在較短時間內把握FLUENT 16.0軟件的學習要領，掌握FLUENT 16.0的詳細操作步驟。各章所用到的實例均可從本書的配套光盤中找到。

本書以FLUENT 16.0版本為基礎，其操作界面與老版本有較大不同，因此對新版本的操作界面進行了詳細的說明，使讀者能較快地掌握新版本的特點。

本書內容豐富、結構清晰，所有實例均經過精心設計與篩選，代表性強，并且每個實例都通過用戶圖形交互界面進行全過程操作。編寫本書的主要目的不是求解多么復雜的物理問題，而是讓讀者學習FLUENT軟件的求解思路和數(shù)值模擬軟件的求解方法，強調軟件的實用性，比如導熱問題的數(shù)值模擬，其求解過程并不復雜，以往的書籍很少有涉及此問題的數(shù)值模擬，但實際工程中卻有廣泛的應用。

本書緊跟ANSYS軟件發(fā)展的最前沿，對目前最新版FLUENT 16.0軟件的部分新功能進行了詳細的介紹與案例分析，希望對渴望入門的讀者有所幫助。

本書由唐家鵬編著，雖然作者在本書的編寫過程中力求敘述準確、完善，但由于水平有限，書中欠妥之處在所難免，希望讀者能夠及時指出，共同促進本書質量的提高。

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