本書通過大量實例系統介紹了FLUENT建模和計算以及后處理的詳細過程，讀者可以在短時間內系統掌握數值模擬的基礎知識，掌握FLUENT的高級應用技術，學會采用FLUENT軟件進行產品的開發。本書實例來自于科研和生產一線，對于解決實際工程和科研問題會有很大的幫助。為了方便讀者學習，本書還配套有模型文件，以提高學習效率。

本書既是利用FLUENT軟件進行高級應用計算的工程技術相關計算指導書，又可作為高等院校相關專業本科生和碩士生的教學參考書。

工業發展是我國經濟發展的主要推動力，但也是污染物排放的主要來源，隨著節能減排和低碳經濟壓力的不斷提高，高耗能高污染企業研發重點轉向大量設備的開發。為早日實現節能減排目標，本書從幾個典型行業選取過程設備和機械進行分析計算，為產品開發和設計者提供一個可供參考的例子。

任何流體運動的規律均是以質量守恒定律、動量守恒定律、能量守恒定律和組分守恒定律為基礎的。這些基本定律可由數學方程組來描述。采用數值計算方法，通過計算機求解這些控制流體流動的數學方程組，進而研究流體的運動規律，這就是計算流體動力學（CFD）。計算流體動力學是建立在經典流體動力學與數值計算方法基礎上的一門新學科，通過計算機數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值解，從而達到對物理問題進行研究的目的。

目前，比較著名的有FLUENT、CFX、STAR-CD和PHOENICS等，而FLUENT是國際上比較流行的商用CFD軟件包，市場占有率高、計算準確、界面友好、使用簡單、應用領域廣、物理模型多。

正是因為FLUENT在流體工程模擬計算中的重要作用，高校和企業科技人員對學習FLUENT的熱情很高，但往往很難應用到產品開發過程中，本書從FLUENT基礎、工程應用到提高系統介紹FLUENT相關知識以及典型行業的實例。

本書內容共分三篇，15章，本書通過大量實例系統介紹了FLUENT建模和計算以及后處理的詳細過程，可以讓讀者在短時間內系統掌握數值模擬的基礎知識，掌握FLUENT的高級應用技術，學會采用FLUENT軟件進行產品的開發。本書第一篇為基礎篇，包括1～4章，主要講解流體計算基礎、網格劃分基礎以及Gambit工具的應用、結合計算流體和傳熱學中的經典算例熟悉FLUENT分析問題的過程和方法；第二篇為工程應用篇，包括5～9章，系統講解了FLUENT在各種工程背景下的應用，內容涵蓋流體機械領域、化工設備領域、換熱和制冷領域、熱力設備領域和汽車工程領域，其中通過豐富而細致的應用實例來講解如何應用FLUENT解決應用中出現的問題；第三篇為提高與專題篇，包括10～15章，講解了UDF、UDS、并行計算的專題，針對于工程實際的需求，還特別講解了與FLUENT配合使用的數據后處理工具的應用技巧，最后對多相流和動網格模型進行了講解。

本書在寫作過程中注重層次遞進，深入淺出地講解FLUENT流體分析方面的技術，并通過大量豐富且有深度的應用案例來講解FLUENT的應用，實例均來自于科研和生產一線，對于解決實際工程和科研問題會有很大的幫助。此外，為了方便讀者的學習，本書還配套有模型文件，以提高讀者的學習效率。

本書第一篇由周俊杰教授編寫；第二篇、7.4節和7.5節由西安交通大學的張華俊教授編寫，第9章由通用泛亞技術中心的徐國權工程師編寫，剩余章節由周俊杰教授編寫；第三篇共6章，第10章和14.3節由通用泛亞技術中心的徐國權工程師編寫，其余章節由周俊杰編寫，全書由周俊杰教授統稿。

本書在編寫過程中研究生劉博完成大量算例和插圖，并參與編寫部分章節初稿，博士生劉兵參與第一章編寫，研究生耿艷輝完成風機的算例，張鈺、趙書臣、喻舒婷、陶鈞、宋曉磊、李召召和鄧繼容等參與文字和圖片的處理，參與具體工作的還包括：王斌、張強林、萬雷、張賽橋、王曉、陳軍、趙會春等，在此一并感謝。在本書的編寫過程中，得到院領導魏新利院長和王定標副院長的大力支持，也得到同事曹海亮博士、李言欽博士、付衛東博士等同事幫助，在此感謝。本書部分材料參考流體中文網和清潔能源網等論壇，感謝同行的交流。

本書在編寫過程中，得到了編輯的熱心指導和大力協助，編寫共花費一年半的時間，在此期間也獲得了合作者的理解與支持，也正是你們的寬容和諒解，使得本書能夠順利出版。由于編者水平有限，書中難免有不當之處，還請廣大讀者批評指正。

編 者

2010年元月

前言
第1章 概述 1
1.1 序言 1
1.2 基本思想 2
1.3 主要應用領域 3
1.4 常用流體分析軟件比較 4
1.5 本章小結 6
第2章 FLUENT基礎 7
2.1 概述 7
2.2 流體流動基本特性 8
2.2.1 基本的物理概念 9
2.2.2 流動狀態 9
2.2.3 湍流模型 9
2.2.4 多相流模型 13
2.3 控制方程 14
2.3.1 連續性方程 14
2.3.2 N-S方程 14
2.3.3 能量守恒方程 15
2.3.4 其他方程 16
2.3.5 通用控制方程 16
2.4 數值求解方法 17
2.4.1 概述 17
2.4.2 有限差分法 17
2.4.3 有限元法 19
2.4.4 有限容積法 20
2.4.5 譜方法 20
2.4.6 邊界元法 22
2.5 離散格式 25
2.5.1 概述 25
2.5.2 一階差分格式 25
2.5.3 高階差分格式 25
2.6 邊界條件 27
2.6.1 概述 27
2.6.2 邊界條件 27
2.6.3 初始條件 34
2.6.4 UDF與邊界條件 34
2.7 軟件基本結構 35
2.7.1 概述 35
2.7.2 前處理 35
2.7.3 求解器 35
2.7.4 后處理 35
2.8 求解過程 36
2.8.1 建立控制方程 37
2.8.2 確定邊界條件與初始條件 37
2.8.3 劃分計算網格 37
2.8.4 建立離散化方程 37
2.8.5 離散初始條件和邊界條件 37
2.8.6 給定求解控制參數 38
2.8.7 求解離散方程 38
2.8.8 判斷解的收斂性 38
2.8.9 輸出結果 38
2.9 本章小結 38
第3章 網格生成技術 39
3.1 概述 39
3.2 結構化網格 40
3.2.1 單塊結構網格生成技術 40
3.2.2 分區結構網格生成方法 41
3.3 非結構化網格 42
3.4 Gambit的使用 44
3.4.1 Gambit的用戶界面 45
3.4.2 繪制幾何圖形 46
3.4.3 繪制網格 47
3.4.4 Gambit幾何圖形繪制實例 49
3.4.5 FLUENT的安裝與運行 67
3.4.6 FLUENT的用戶界面 68
3.4.7 數值模擬步驟簡介 71
3.5 本章小結 72
第4章 FLUENT基本算例 73
4.1 概述 73
4.2 頂蓋驅動流 73
4.2.1 物理模型 73
4.2.2 在Gambit中建立模型 74
4.2.3 求解計算 75
4.2.4 計算結果 78
4.3 后臺階流動 80
4.3.1 物理模型 81
4.3.2 在Gambit中建立模型 81
4.3.3 求解計算 83
4.3.4 計算結果 85
4.4 圓柱繞流 86
4.4.1 基本理論與物理模型 86
4.4.2 在Gambit中建立模型 87
4.4.3 求解計算 89
4.4.4 計算結果 92
4.5 圓管流動 95
4.5.1 物理模型 95
4.5.2 在Gambit中建立模型 95
4.5.3 求解計算 97
4.5.4 計算結果 99
4.6 彎通道流動 101
4.6.1 物理模型 101
4.6.2 在Gambit中建立模型 101
4.6.3 求解計算 103
4.6.4 計算結果 106
4.7 方腔自然對流 107
4.7.1 物理模型 107
4.7.2 在Gambit中建立模型 107
4.7.3 求解計算 108
4.7.4 計算結果 112
4.8 本章小結 114
第5章 FLUENT在流體機械領域的應用 115
5.1 概述 115
5.2 泵分析實例 115
5.2.1 概述 116
5.2.2 數學物理建模 117
5.2.3 邊界條件 121
5.2.4 求解計算 121
5.2.5 結果分析與討論 128
5.3 風機分析實例 134
5.3.1 概述 134
5.3.2 數學物理建模 138
5.3.3 邊界條件 146
5.3.4 求解計算 146
5.3.5 結果分析與討論 154
5.4 本章小結 158
第6章 FLUENT在化工設備領域的應用 159
6.1 攪拌設備 159
6.1.1 概述 159
6.1.2 數學物理建模 162
6.1.3 邊界條件 166
6.1.4 求解計算 166
6.1.5 結果分析與討論 169
6.2 混合設備 174
6.2.1 概述 175
6.2.2 數學物理建模 176
6.2.3 邊界條件 182
6.2.4 求解計算 182
6.3 本章小結 192
第7章 FLUENT在換熱及制冷領域的應用 193
7.1 概述 193
7.2 管殼式換熱器 194
7.2.1 概述 194
7.2.2 數學物理建模 196
7.2.3 邊界條件 205
7.2.4 求解計算 205
7.2.5 結果分析與討論 215
7.3 管翅式換熱器 222
7.3.1 概述 222
7.3.2 數學物理建模 222
7.3.3 邊界條件 232
7.3.4 求解計算 232
7.3.5 結果分析與討論 237
7.4 空氣對流換熱的場協同原理分析 244
7.4.1 場協同基本思想介紹 244
7.4.2 場協同評價指標的分析和探討 244
7.4.3 帶芯棒圓管換熱的場協同原理分析 246
7.5 制冷劑管內換熱的場協同原理分析 251
7.5.1 制冷劑蒸氣光管內換熱的場協同
分析 251
7.5.2 內橫槽管制冷劑蒸氣換熱的場協同
分析 258
7.5.3 光管內液體制冷劑換熱的場協同
分析 264
7.5.4 液體制冷劑內橫槽管換熱的場協同
分析 267
7.6 減阻節能 274
7.7 本章小結 275
第8章 FLUENT在熱力設備領域的應用 276
8.1 概述 276
8.2 鍋爐 276
8.2.1 概述 277
8.2.2 數學物理建模 277
8.2.3 邊界條件 283
8.2.4 求解計算 284
8.2.5 結果分析與討論 286
8.3 燃燒器 288
8.3.1 概述 289
8.3.2 數學物理建模 291
8.3.3 邊界條件 297
8.3.4 求解計算 298
8.3.5 結果分析和討論 305
8.4 本章小結 312
第9章 FLUENT在汽車工程領域的應用 313
9.1 概述 313
9.1.1 夏季空調的試驗標準 313
9.1.2 冬季空調的試驗標準 314
9.1.3 湍流流動及其數值模擬概述 314
9.1.4 室內氣流分布的性能評價 315
9.1.5 離散傳播輻射模型（DTRM） 316
9.2 轎車整車室內夏季空調環境的模擬 318
9.2.1 概述 318
9.2.2 數學物理模型 318
9.2.3 邊界條件的設置 320
9.2.4 求解計算 324
9.2.5 結果分析與討論 334
9.3 轎車整車室內冬季空調環境模擬 339
9.3.1 概述 340
9.3.2 數學物理建模 340
9.3.3 邊界條件的設置 341
9.3.4 求解計算 343
9.3.5 結果分析與討論 346
9.4 加入有人模型下的探討 355
9.4.1 概述 355
9.4.2 數學物理模型 356
9.4.3 邊界條件設置 357
9.4.4 邊界條件設置 357
9.4.5 結果分析與討論 359
9.5 本章小結 365
第10章 UDF 366
10.1 UDF綜述 366
10.1.1 基本概念 366
10.1.2 編寫環境 367
10.1.3 多相流應用寫UDFs 369
10.1.4 編譯UDF到FLUENT中 370
10.2 UDF的宏基礎 371
10.2.1 常用的宏工具 373
10.2.2 有關宏的訪問工具 374
10.3 綜合應用實例 377
10.3.1 試驗環境與測試條件 377
10.3.2 試驗項目以及測試方法 377
10.3.3 試驗結果 378
10.3.4 UDF設置 379
10.3.5 算例相關設置 381
10.4 本章小結 393
第11章 UDS的應用 394
11.1 概述 394
11.1.1 自定義標量UDS的定義 394
11.1.2 對流項的設置 395
11.1.3 時間項的設置 395
11.1.4 擴散系數的設置 395
11.1.5 源項S的設置 396
11.2 綜合實例 397
11.3 本章小結 402
第12章 并行計算 403
12.1 概述 403
12.2 環境設置 405
12.3 綜合應用實例 405
12.3.1 配置計算節點 406
12.3.2 檢測網絡連通性 406
12.3.3 網格的分割 407
12.3.4 讀入case文件 408
12.3.5 檢查網格分割 409
12.3.6 負載分布的檢查 409
12.3.7 進行其他設置并計算 410
12.4 本章小結 410
第13章 常用數據后處理工具 411
13.1 Tecplot 411
13.1.1 概述 411
13.1.2 使用技巧 412
13.1.3 綜合應用實例 421
13.2 Origin 425
13.2.1 概述 425
13.2.2 使用技巧 425
13.2.3 綜合實例 430
13.3 Digitizer 447
13.3.1 概述 447
13.3.2 使用技巧 447
13.3.3 綜合應用實例 448
13.4 本章小結 452
第14章 多相流模型 453
14.1 概述 453
14.2 VOF模型在射流紡織工程中的應用 454
14.2.1 概述 454
14.2.2 物理模型和網格劃分 456
14.2.3 求解計算 456
14.2.4 計算結果 462
14.3 Mixture 模型 464
14.3.1 主要方法 464
14.3.2 理論方程 464
14.3.3 mixture模型相變流動中的簡單
應用 466
14.4 本章小結 473
第15章 動網格模型 474
15.1 概述 474
15.2 方法簡介 474
15.2.1 彈簧光滑模型 474
15.2.2 動態層模型 475
15.2.3 局部網格重劃法 476
15.3 動網格模型在內燃機汽缸中的應用 477
15.3.1 問題描述 477
15.3.2 利用FLUENT 3D求解器進行計算 477
15.3.3 結果分析 485
15.4 本章小結 488
附錄 489
參考文獻 494

1. 軟件設計師考前沖刺100題 [施游 王曉笛 鄒月平 編著]
2. ANSYS SpaceClaim直接建模指南與CAE前處理應用解析 [王偉達 黃志新 李苗倩 編著]
3. 系統集成項目管理工程師考前沖刺100題 [劉毅 鄧子云 編著]
4. 網絡工程師的5天修煉 [朱小平 編著]
5. Ansoft HFSS磁場分析與應用實例 [曹善勇 編著]
6. Ansoft 12在工程電磁場中的應用 [趙博 張洪亮 等編著]