数值热物理过程:基本原理及CFD软件应用 节选

《数值热物理过程:基本原理及CFD软件应用》内容简介：随着计算机技术的迅速发展，数值计算已成为研究工程热物理过程中所存在的流体流动、传热传质及化学反应等问题的*为有效的方法之一。《数值热物理过程:基本原理及CFD软件应用》系统全面而又浅显易懂地介绍了在工程热物理过程中所出现的热传导问题、对流与扩散问题及流场等的数值计算方法，并以具体实例介绍了数值计算过程中所需用到的Pro／E三维造型软件、Gambit网络生成软件、Fluent计算软件及Tecplot数据后处理软件的使用方法。 《数值热物理过程:基本原理及CFD软件应用》内容丰富、通俗易懂、可操作性强。在内容编排上充分考虑流体流动与传热数值计算对流体力学、热力学等知识要求的客观特点和初学者的认知规律及心理特点，附有大量的插图和操作实例，每章之后配有习题。 《数值热物理过程:基本原理及CFD软件应用》可作为热能与动力工程及相关专业本科生教材，同时可供研究生及工程技术人员参考。

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插图：1 热物理过程数值计算基础热物理过程数值计算即采用计算流体力学（Computational Fluid Dynamics，CFD）方法对热物理过程进行研究，对热物理过程状态参数进行预测的过程。1.1计算流体力学概论1.1.1 计算流体力学的形成和发展计算流体力学是流体力学理论的一个分支，是建立在经典流体力学与数值计算方法基础之上的一门新兴独立学科，20世纪60年代伴随着高速、大容量电子计算机技术的兴起而迅速崛起。它通过计算机数值计算和图像显示的方法，在时间和空间上定量描述物理场的数值解，从而达到研究物理问题的目的。对经典流体力学的研究主要采用理论解析和试验测试两类方法。它解决某一流动问题的基本过程为：首先，对通用模型方程进行合理简化或依据基本原理建立新的具体模型方程；然后，提出初始条件和边界条件；最后，用已有数学工具求出模型方程的精确的或近似的解析解。但是，在人类实际的生产实践活动中，如船舶在水中航行时，如何减小水的粘性阻力，风载荷对船的结构有何影响；又如飞机航行时如何提高飞机的升力，如何控制飞行高度、方向等的一类基本流动问题不是想像得那样容易解决。在实际的流动过程中往往存在较为复杂的湍流、分离、气蚀、水击等流动现象。根据各种流动现象所建立的数学模型（由微分方程表示的定解问题），如由连续性方程、动量方程等组成的控制微分方程组，大多是非线性的偏微分方程组，除了少量特定条件下的问题，如一维的圆管层流和槽道流层流的解析分析，可根据求解问题的特性对方程及边界条件作相应简化获得解析解，大多数问题是得不到解析解的，这使理论解析法的工程应用受到很大的局限。因此，长期以来，流体力学的发展主要借助于物理模型的试验，但是，进行测试不是一项简单的工作。首先，需要专门的仪器和试验装置；其次，进行真实条件下全尺寸试验成本较高，进行模型试验又存在相似和模化的问题；再次，测试本身存在困难，例如，测试探头不能随意到达所希望的测点，以及探头本身对流场产生扰动，难以保证稳定的实验条件；第四，试验得到的结果一般有其适用范围；最后，试验还会遇到人力和物力的巨大耗费及周期长等许多困难。对于多数工程实际问题，采用对物理方程进行简单近似处理求得解析解的方法并不能满足其要求。而电子计算机、现代计算技术和数值计算方法的发展，则为解决这一问题提供了有效途径，数值解法很快发展

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