FLUENT19.0流体仿真从入门到精通_1-220

内 容 简 介

全书共分为16章，由浅入深地讲解Fluent仿真计算的各种功能，从几何建模到网格划分，从计算求解到结果后处理， 通过大量实例系统地介绍Fluent 19.0的使用方法，具体内容包括计算流体的基础理论与方法、创建几何模型、划分网格、 Fluent求解设置、后处理等。本书针对每个Fluent可以解决的流体仿真计算问题进行详细讲解，并辅以相应的实例，使读  者能够快速、熟练、深入地掌握Fluent软件的工作流程和计算方法。

本书结构严谨、条理清晰、重点突出，非常适合广大Fluent初、中级读者学习使用，也可作为大中专院校、社会培 训机构的教材以及工程技术人员的参考用书。

前言

Fluent 软件是目前国际上比较流行的商业 CFD 软件，只要涉及流体、热传递及化学反应等工程问 题，都可以用Fluent进行求解。Fluent 19.0是目前ANSYS公司推出的最新版本。

Fluent 具有丰富的物理模型、先进的数值方法以及强大的前后处理功能，在航空航天、汽车设计、 石油天然气、涡轮机设计等方面有着广泛的应用。例如，在石油天然气工业上的应用包括燃烧、井下分 析、喷射控制、环境分析、油气消散/聚集、多相流、管道流动等。

Fluent 可计算的物理问题包括可压与不可压流体、耦合传热、热辐射、多相流、粒子输送过程、化 学反应和燃烧问题，还拥有诸如气蚀、凝固、沸腾、多孔介质、相间传质、非牛顿流、喷雾干燥、动静 千涉、真实气体等大批复杂现象的使用模型。

一、本书特点

本书由从事多年Fluent工作的一线从业人员编写。在编写的过程中，不仅注重绘图技巧的介绍，还 将重点讲解Fluent和工程实际的关系。本书主要有以下几个特色。

●基础和实例讲解并重。本书既可作为Fluent 初学者的学习教材，又可作为对 Fluent 有一定基础 的用户制定工程问题分析方案、精通高级前后处理与求解技术的参考书。

●内容详略得当。本书将编者10多年的CFD 经验结合 Fluent 软件的各功能，从点到面，详细地 讲解给读者。

●信息量大。本书包含的内容全面，读者在学习的过程中不仅可以关注细节，还可以从整体出发， 了解CFD 的分析流程，需要关注包括什么内容、注意什么细节。

●结构清晰。本书结构清晰、由浅入深，从结构上主要分为基础部分和案例部分两大类，在讲解 基础知识的过程中穿插实例的讲解，在综合介绍的过程中同步回顾重点的基础知识。

二、本书内容

全书由浅入深地讲解 Fluent 仿真计算的各种功能，从几何建模到网格划分，从计算求解到结果后 处理，详细地讲解 Fluent 进行流体模拟计算的工作流程和计算方法。

本书主要分为两部分，共16章。内容包括Fluent  基础和案例讲解部分，其中基础知识包括第1~6 章，案例部分包括第7~16章，具体章节安排如下：

第1章 流体力学与计算流体力学基础

第2章 Fluent 软件简介

第3章  创建几何模型

第4章 生成网格

第5章 Fluent 计算设置

第6章 计算结果后处理

第 7 章  稳态和非稳态模拟实例

第8章 内部流动分析实例

第9章 外部流动分析实例

第10章  多相流分析实例

第11章  离散相分析实例

第12章  传热流动分析实例

第13章  多孔介质和气动噪声分析实例

第14章 化学反应分析实例

第15章 动网格分析实例

第16章  Fluent 在 Workbench  中的应用

三、视频教学和案例源文件

为了让广大读者更快捷地学习和使用本书，本书提供了视频教学和案例源文件。

本书配套资源提供的实例源文件可以使用Fluent打开，根据书中的介绍进行学习。下载配套资源请 用微 信扫描下述二维码：

如果下载有问题，请发送电子邮件至booksaga@126.com     获得帮助，邮件标题为“ Fluent  19.0 流体仿真从入门到精通配书资源”。

四、读者对象

本书适合的读者对象如下：

●从事流体计算的初学者

●高等院校的教师和学生

●相关培训机构的教师和学员

● Fluent 爱好者

●广大科研工作人员

五、本书作者

本书主要由刘斌编著,高飞、张迪妮、李战芬、张明明、凌桂龙、张亮亮、郭海霞、王芳、付文利、 唐家鹏、乔建军、李昕、林晓阳、刘冰也参与了本书部分章节的编写。

六、读者服务

虽然编者在编写本书的过程中力求叙述准确、完善，但由于水平有限，书中欠妥之处在所难免，希 望读者和同仁能够提出宝贵建议和意见。

第 1 章 流体力学与计算流体力学基础

导 言

计算流体动力学分析( Computational   Fluid   Dynamics,CFD) 的基本定义是通过计算机进行数 值计算，模拟流体流动时的各种相关物理现象，包括流动、热传导、声场等。计算流体动力学分析 广泛应用于航空航天设计、汽车设计、生物医学工业、化工处理工业、涡轮机设计、半导体设计等 诸多工程领域。

本章将介绍流体动力学的基础理论、流体力学基础和常用的CFD软件。

学习目标

★掌握流体动力学分析的基础理论

★通过实例掌握流体动力学分析的过程

★掌握计算流体力学的基础知识

★了解常用的CFD 软件

1、流体力学基础

本节将介绍流体力学一些重要的基础知识，包括流体力学的基本概念和基本方程。流体力学是进行 流体力学工程计算的基础，如果想对计算的结果进行分析与整理，在设置边界条件时有所依据，那么学 习流体力学的相关知识是必要的。

1.1.1  一些基本概念                                     

(1)流体的密度

流体密度的定义是单位体积内所含物质的多少。若密度是均匀的，则有：

式中：P   为流体的密度；M 是体积为 V的流体内所含物质的质量。

由上式可知，密度的单位是kg/m³ 。对于密度不均匀的流体，其某一点处密度的定义为：

例如，4℃时水的密度为1000kg/m³,    常温20℃时空气的密度为1.24kg/m³ 。 各种流体的具体密 度值可查阅相关文献。

 流体的密度是流体本身固有的物理量，随着温度和压强的变化而变化。

(2)流体的重度

流休的重度与流体密度有一个简单的关系式，即：

式中：g 为重力加速度，值为9.81m/s² 。 流体的重度单位为N/m³。

(3)流体的比重

流体的比重定义为该流体的密度与4℃时水的密度之比。

(4)流体的粘性

在研究流体流动时，若考虑流体的粘性，则称为粘性流动，相应地称流体为粘性流体；若不考虑流 体的粘性，则称为理想流体的流动，相应地称流体为理想流体。

流体的粘性可由牛顿内摩擦定律表示：

说明：牛顿内摩擦定律适用于空气、水、石油等大多数机械工业中的常用流体。凡是符合切应力与速度 梯度成正比的流体都叫作牛顿流体，即严格满足牛顿内摩擦定律且μ保持为常数的流体，否则 就称其为非牛顿流体。例如，溶化的沥青、糖浆等流体均属于非牛顿流体。

非牛顿流体有以下3种不同的类型。

●塑性流体，如牙膏等。塑性流体有一个保持不产生剪切变形的初始应力To,  只有克服了这个初 始应力，其切应力才与速度梯度成正比，即：

 ●假塑性流体，如泥浆等。其切应力与速度梯度的关系是：

●胀塑性流体，如乳化液等。其切应力与速度梯度的关系是：

(5)流体的压缩性

流体的压缩性是指在外界条件变化时，其密度和体积发生了变化。这里的条件有两种，一种是外部 压强产生了变化；另一种是流体的温度发生了变化。

①流体的等温压缩率为β,当质量为M 、体积为V 的流体外部压强发生△p的变化时，体积会发 生△V的变化。定义流体的等温压缩率为：

这里的负号是考虑到△p 与△V总是符号相反；β的单位为1/Pa。流体等温压缩率的物理意义为当 温度不变时，每增加单位压强所产生的流体体积的相对变化率。

考虑到压缩前后流体的质量不变，上面的公式还有另一种表示形式，即：

气体的等温压缩率可由气体状态方程求得：

β=1/p                                                                        (1-10)

②流体的体积膨胀系数为α,当质量为M 、 体积为V 的流体温度发生△T的变化时，体积会发 生△V的变化。定义流体的体积膨胀系数为：

考虑到膨胀前后流体的质量不变，上面的公式还有另一种表示形式，即：

这里的负号是考虑到随着温度的增高，体积必然增大，而密度必然减小；α的单位为1/K。体积膨 胀系数的物理意义为当压强不变时，每增加单位温度所产生的流体体积的相对变化率。

气体的体积膨胀系数可由气体状态方程求得：

α=1/T                                                                        (1-13)

③在研究流体流动过程时，若考虑到流体的压缩性，则称为可压缩流动，相应地称流体为可压缩 流体，如相对速度较高的气体流动。若不考虑流体的压缩性，则称为不可压缩流动，相应地称流体为不 可压缩流体，如水、油等液体的流动。

(6)液体的表面张力

液体表面相邻两部分之间的拉应力是分子作用力的一种表现。液面上的分子受液体内部分子吸引而 使液面趋于收缩，表现为液面任何两部分之间具体的拉应力，称为表面张力，其方向和液面相切，并与 两部分的分界线相垂直。单位长度上的表面张力用σ表示，单位是N/m。

(7)质量力和表面力

作用在流体微团上的力可分为质量力与表面力。

①与流体微团质量大小有关并且集中作用在微团质量中心的力称为质量力。比如在重力场中的重 力mg 、 直线运动的惯性力ma 等。

质量力是一个矢量，一般用单位质量所具有的质量力表示，形式如下：

f=fxi+fyj+f₂k                                                                         (1-14)

式中：f、fy 、f₂       为单位质量力在x 、y 、z     轴上的投影，或简称为单位质量分力。

②大小与表面面积有关而且分布作用在流体表面上的力称为表面力。表面力按其作用方向可以分  为两种：一种是沿表面内法线方向的压力，称为正压力；另一种是沿表面切向的摩擦力，称为切应力。

作用在静止流体上的表面力只有沿表面内法线方向的正压力。单位面积上所受到的表面力称为这一 点处的静压强。静压强有两个特征：

●静压强的方向垂直指向作用面。

●流场内一点处静压强的大小与方向无关。

说明：对于理想流体流动，流体质点只受到正压力，没有切向力。对于粘性流体流动，流体质点所受到 的作用力既有正压力，又有切向力。单位面积上所受到的切向力称为切应力。对于一元流动，切 向力由牛顿内摩擦定律求出；对于多元流动，切向力可由广义牛顿内摩擦定律求得。

(8)绝对压强、相对压强与真空度

一个标准大气压的压强是760 mmHg,   相当于101325Pa,   通常用Patm表示。若压强大于大气压， 则以此压强为计算基准得到的压强称为相对压强，也称为表压强，通常用p,  表示。

若压强小于大气压，则压强低于大气压的值称为真空度，通常用p,  表示。

如果以压强0Pa 为计算的基准，那么这个压强称为绝对压强，通常用Ps 表示。

三者的关系如下：

Pr=Ps-Pam,Pv=Pam-P₈                                                               (1-15)

说明：在流体力学中，压强都用符号P 表示。一般来说，有一个约定，对于液体来说，压强用相对压 强；对于气体来说，特别是马赫数大于0.1的流动，应视为可压缩流动，压强用绝对压强。当然， 特殊情况应进行说明。

原资料见附件

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