前言

流體的流動(dòng)規(guī)律以三大守恒定律，即質(zhì)量守恒定律、動(dòng)量守恒定律和能量守恒定律為基礎(chǔ)。一方面，這些定律由數(shù)學(xué)方程組來描述，但由于這些方程組是非線性的，因此利用傳統(tǒng)的求解方法解決復(fù)雜問題時(shí)無法得到分析解。另一方面，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展和進(jìn)步，計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）逐漸在流體力學(xué)研究領(lǐng)域嶄露頭角，它通過計(jì)算機(jī)數(shù)值計(jì)算和圖像顯示方法，在時(shí)間和空間上定量描述流場(chǎng)的數(shù)值解，從而達(dá)到研究物理問題的目的。它兼具理論性和實(shí)踐性，成為繼理論流體力學(xué)和實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)之后的又一種重要研究手段。

Fluent是國(guó)際流行的商用CFD軟件包，包含基于壓力的分離求解器和耦合求解器、基于密度的隱式求解器和顯式求解器。它具有豐富的物理模型、先進(jìn)的數(shù)值方法和強(qiáng)大的前后處理功能，可對(duì)高超音速流場(chǎng)、傳熱與相變、化學(xué)反應(yīng)與燃燒、多相流、旋轉(zhuǎn)機(jī)械、動(dòng)/變形網(wǎng)格、噪聲、材料加工復(fù)雜激勵(lì)等流動(dòng)問題進(jìn)行精確的模擬，具有較高的可信度。

本書以ANSYS Fluent 2022作為軟件平臺(tái)，詳盡地講解了Fluent軟件的使用方法，全書共15章，各章的主要內(nèi)容如下。

第1章：Fluent軟件概述。講解Fluent軟件的特點(diǎn)、Fluent與ANSYS Workbench之間的關(guān)系以及在Workbench中使用Fluent的方法等內(nèi)容，并在此基礎(chǔ)上介紹Fluent的基本操作。

第2章：前處理方法。簡(jiǎn)要介紹主流前處理軟件Fluent Meshing及ANSYS ICEM的功能及特點(diǎn)，并通過實(shí)例介紹使用Fluent Meshing及ICEM CFD劃分三維結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的方法。

第3章：后處理方法。主要介紹兩種對(duì)Fluent結(jié)果文件進(jìn)行后處理的途徑：Fluent內(nèi)置后處理、Workbench CFD-Post通用后處理器，以及運(yùn)用這兩種途徑進(jìn)行可視化圖形處理、渲染以及圖表、曲線和報(bào)告的生成方法。

第4章：Fluent常用邊界條件。首先對(duì)Fluent中提供的各種邊界條件進(jìn)行分類，然后闡述Fluent中流動(dòng)入口和出口邊界的各種參數(shù)確定方法，重點(diǎn)介紹Fluent中若干種常用邊界條件的使用條件及方法。

第5章：導(dǎo)熱問題數(shù)值模擬。首先介紹導(dǎo)熱的基礎(chǔ)理論，即傅里葉定律，然后通過兩個(gè)實(shí)例對(duì)導(dǎo)熱問題進(jìn)行具體的數(shù)值模擬分析，包括有內(nèi)熱源的導(dǎo)熱問題以及鋼球非穩(wěn)態(tài)冷卻過程的數(shù)值模擬。

第6章：流體流動(dòng)與傳熱數(shù)值模擬。首先介紹流體的兩種流動(dòng)狀態(tài)——層流和湍流，然后介紹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4個(gè)實(shí)例對(duì)其流場(chǎng)和溫度場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬。

其中引射器內(nèi)流場(chǎng)、圓柱繞流和二維離心泵內(nèi)流場(chǎng)的數(shù)值模擬屬于流體流動(dòng)的數(shù)值模擬；地埋管流固耦合換熱的數(shù)值模擬屬于強(qiáng)制對(duì)流與導(dǎo)熱耦合的數(shù)值模擬。

第7章：自然對(duì)流與輻射換熱數(shù)值模擬。首先介紹自然對(duì)流與輻射換熱的理論知識(shí)，然后通過3個(gè)實(shí)例分別對(duì)自然對(duì)流與輻射換熱進(jìn)行數(shù)值模擬。

兩相連方腔內(nèi)自然對(duì)流換熱的數(shù)值模擬，左側(cè)高溫壁面以自然對(duì)流的形式通過中間壁面向右側(cè)壁面?zhèn)鳠幔ㄟ^數(shù)值模擬可準(zhǔn)確預(yù)測(cè)其內(nèi)部溫度場(chǎng)、壓力場(chǎng)和速度場(chǎng)。

煙道內(nèi)煙氣對(duì)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(duì)稱結(jié)構(gòu)的雙原子氣體等對(duì)壁面有輻射換熱，通過數(shù)值模擬可準(zhǔn)確預(yù)測(cè)其內(nèi)部的溫度場(chǎng)、速度場(chǎng)。

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

第8章：凝固和熔化過程數(shù)值模擬。首先介紹凝固熔化模型的基礎(chǔ)理論，然后通過一個(gè)實(shí)例對(duì)其進(jìn)行數(shù)值模擬，通過數(shù)值模擬可清晰地看到熔化過程固液相的變化，并計(jì)算出冰塊熔化所需要的時(shí)間。

第9章：多相流模型數(shù)值模擬。首先介紹多相流的基礎(chǔ)知識(shí)，然后介紹Fluent中的3種多相流模型，最后通過4個(gè)實(shí)例進(jìn)行數(shù)值模擬。

其中孔口出流、水中氣泡的上升屬于VOF模型，氣穴現(xiàn)象的數(shù)值模擬屬于Mixture模型，水流對(duì)沙灘沖刷過程的數(shù)值模擬屬于Eulerian模型。

第10章：離散相數(shù)值模擬。首先介紹離散相模型的基礎(chǔ)知識(shí)，然后通過兩個(gè)實(shí)例進(jìn)行詳細(xì)的數(shù)值模擬分析。

引射器離散相流場(chǎng)的數(shù)值模擬，是在第7.2節(jié)引射器內(nèi)流場(chǎng)的基礎(chǔ)上添加離散相模型，用于模擬其內(nèi)部煙灰的流動(dòng)特性；噴淋過程的數(shù)值模擬是利用離散相的噴霧模型，對(duì)噴淋過程進(jìn)行數(shù)值模擬。

第11章：組分傳輸與氣體燃燒數(shù)值模擬。首先介紹基礎(chǔ)理論知識(shí)，然后通過3個(gè)實(shí)例進(jìn)行數(shù)值模擬分析。

室內(nèi)甲醛污染物濃度的數(shù)值模擬，利用數(shù)值模擬方法準(zhǔn)確預(yù)測(cè)室內(nèi)甲醛的濃度；焦?fàn)t煤氣燃燒和預(yù)混氣體化學(xué)反應(yīng)的模擬，利用數(shù)值模擬方法對(duì)多組分氣體燃燒進(jìn)行模擬，得到其溫度場(chǎng)、速度場(chǎng)和各組分的濃度場(chǎng)。

第12章：動(dòng)網(wǎng)格問題數(shù)值模擬。首先介紹Fluent動(dòng)網(wǎng)格的基礎(chǔ)理論知識(shí)，然后通過4個(gè)實(shí)例進(jìn)行數(shù)值模擬，包括兩車交會(huì)過程、運(yùn)動(dòng)物體強(qiáng)制對(duì)流換熱、雙葉輪旋轉(zhuǎn)流場(chǎng)和單級(jí)軸流渦輪機(jī)模型內(nèi)部流場(chǎng)的數(shù)值模擬。

第13章：多孔介質(zhì)內(nèi)流動(dòng)與換熱數(shù)值模擬。首先介紹多孔介質(zhì)的基礎(chǔ)理論知識(shí)，然后介紹Fluent多孔介質(zhì)模型，最后通過3個(gè)實(shí)例進(jìn)行數(shù)值模擬分析。

第14章：UDF基礎(chǔ)應(yīng)用。首先介紹UDF（用戶自定義函數(shù)）的基本用法，然后用3個(gè)實(shí)例演示UDF在定義物性參數(shù)、求解多孔介質(zhì)和定義運(yùn)動(dòng)參數(shù)等方面的應(yīng)用。

第15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(zhì)膜（PEM）燃料電池問題。

本書致力于探索ANSYS軟件發(fā)展的前沿，對(duì)Fluent 2022軟件的部分新功能進(jìn)行詳細(xì)的介紹與案例分析，希望對(duì)讀者有所幫助。讀者可通過異步社區(qū)網(wǎng)站獲取本書配套資源，還可以掃描書中所附的二維碼觀看圖書配套視頻，提升學(xué)習(xí)效果。

說明：目前ANSYS Fluent 2022中文版需要在Workbench平臺(tái)內(nèi)啟動(dòng)Fluent分析項(xiàng)目才可以實(shí)現(xiàn)。本書中的案例均是在ANSYS Workbench平臺(tái)內(nèi)啟動(dòng)Fluent，然后進(jìn)行后續(xù)分析。

雖然作者在本書的編寫過程中力求敘述準(zhǔn)確、完善，但由于水平有限，書中欠妥之處在所難免，歡迎讀者指正，共同提高本書質(zhì)量。讀者在閱讀過程中遇到與本書有關(guān)的問題，可訪問“仿真技術(shù)”公眾號(hào)并回復(fù)“RYFL001”獲取相關(guān)資源，還可加入交流群。