ANSYSFluent综合应用案例详解

本书的主要内容

前处理软件Gambit及ANSYS ICEM CFD的基础功能及其在网格划分中的应用，以及ANSYS Fluent并行计算的一般过程。

Fluent物理模型、流体动力学、传热学、辐射传热、化学反应模型、壁表面化学反应和化学蒸汽沉积模型、微粒表面化学反应模型的理论基础及应用。

后处理技术，包括数据显示与文字报告的生成、图形与可视化以及流场函数的定义等内容。

动网格应用，包括 UDF的用法、井下火箭发射过程二维模拟、副油箱与飞机分离三维模拟实例。

基于辐射模型的热分析，包括室内通风问题及使用DO辐射模型的头灯热模型的应用案例。

基于传热模型的热分析，包括变压器内温度场及流场仿真分析、埋地管廊内电缆温度场及流场仿真分析实例。

扩散火焰及预混燃烧分析，包括引火喷流扩散火焰的PDF传输模拟及预混气体化学反应的模拟实例。

液体燃烧及煤炭燃烧分析，包括液体燃料燃烧模拟和煤燃烧模拟实例。

泄漏及扩散分析，包括教室内甲醛非稳态扩散特性研究模拟和次氯酸钠在海水沟渠内扩散特性研究模拟实例。

多相流分析，包括气固两相流动模拟、车体液体燃料罐内部挡流板对振荡的影响模拟和水坝破坏多相流模拟实例。

Fluent经典应用实例，包括固体燃料电池的模拟、汽车风挡除冰分析及歧管流动分析实例。

教学视频与案例源文件

为了让广大读者更快捷地学习和使用本书，本书提供了案例的源文件及快速上手的教学视频，读者可以使用Fluent打开案例源文件，根据书中的介绍进行演练学习。

本书适合的读者对象

流体计算的从业人员

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

Fluent是通用ANSYS CFD的旗舰产品，在流体动力学计算中被广泛应用。本书以ANSYS Fluent 2020版为基础，详细介绍利用Fluent进行流体分析的方法和技巧，并通过大量实例系统地介绍前处理、计算以及后处理的详细过程，可使读者在短时间内把握学习的要领，掌握Fluent流体计算的多种不错应用技术。本书内容包括：Fluent软件功能及理论基础简介、Gambit及ANSYS ICEM CFD划分网格方法、后处理方法、动网格应用、传热及辐射计算应用、燃烧及化学反应应用、组分输送模型应用、多相流应用、固体燃料电池模拟和汽车工业相关应用等。
本书结构清晰、实例丰富，涵盖Fluent多种不错应用计算，基础知识与实用技能并重，可作为高等院校相关专业本科和硕士研究生的计算流体力学以及计算传热学的教材，也可供利用Fluent软件进行流体流动数值模拟分析的广大工程技术人员参考。

刘 斌，毕业于北京航空航天大学，博士学位，高级职称，从业近二十年，长期参与国家科技重大专项工作，专注于核心部件的相关技术攻关任务(流体仿真、热控制)，发表核心论文多篇，获国际专利授权和国内发明专利授权20余项。获中国专利奖、北京市专利奖等奖项。

第1章 绪论 1

1.1 CFD软件简介 1

1.1.1 CFD概述 1

1.1.2 CFD的应用领域 2

1.1.3 CFD商用软件 3

1.2 Fluent简介 4

1.2.1 Fluent的功能特点 4

1.2.2 Fluent的求解技术 7

1.3 Fluent分析过程 8

1.4 小结 12

第2章 前处理初步 13

2.1 前处理软件简介 13

2.1.1 Gambit简介 13

2.1.2 ANSYS ICEM CFD简介 14

2.1.3 TGrid简介 14

2.1.4 GridPro简介 14

2.1.5 GridGen简介 15

2.2 Gambit基础与应用 15

2.2.1 Gambit软件的几何处理能力 16

2.2.2 Gambit功能强大的网格生成技术 16

2.2.3 Gambit的基本用法 19

2.2.4 Gambit操作步骤 27

2.4.5 Gambit应用实例 29

2.3 ANSYS ICEM CFD基础与应用 32

2.3.1 ANSYS ICEM CFD的基本功能 32

2.3.2 ANSYS ICEM CFD的基本用法 36

2.3.3 ANSYS ICEM CFD的基本步骤 37

2.3.4 ANSYS ICEM CFD应用实例 40

2.4 ANSYS Fluent并行计算 47

2.4.1 概述 48

2.4.2 并行计算的一般过程 48

2.4.3 实例分析 49

2.5 小结 53

第3章 基本模型及理论 54

3.1 Fluent物理模型综述 54

3.1.1 湍流模型 54

3.1.2 传热和辐射模型 55

3.1.3 欧拉多相流模型 56

3.1.4 离散相模型 56

3.1.5 混合分数多相流模型和空泡模型 57

3.1.6 气动噪声模型 57

3.1.7 高精度的自由表面模型 59

3.1.8 动网格模型 59

3.2 流体动力学理论基础 60

3.2.1 质量守恒方程 60

3.2.2 动量守恒方程 61

3.2.3 能量方程 61

3.2.4 湍流模型 61

3.3 传热学理论基础及应用 62

3.3.1 传热学控制方程 62

3.3.2 求解传热问题的基本步骤 65

3.4 辐射传热理论基础及应用 65

3.4.1 辐射传递方程 66

3.4.2 辐射模型类型设置过程 67

3.4.3 定义物质的辐射特性 74

3.4.4 辐射边界条件的设置 74

3.4.5 辐射模型的求解策略 78

3.5 化学反应模型基础及应用 81

3.5.1 化学反应模型理论 81

3.5.2 组分输运和化学反应问题的基本设置 83

3.5.3 定义混合物及其构成组分属性 85

3.5.4 定义组分的边界条件 91

3.5.5 化学混合和有限速率化学反应的求解步骤 92

3.5.6 输入CHEMKIN格式中的体积动力学机制 94

3.6 壁面表面化学反应和化学蒸汽沉积模型 95

3.6.1 表面组分和壁面表面化学反应理论基础 95

3.6.2 壁面表面化学反应模型的设置 97

3.6.3 导入CHEMKIN格式的表面动力学机制 98

3.7 微粒表面化学反应模型 99

3.7.1 微粒表面化学反应模型理论基础 99

3.7.2 微粒表面化学反应模型的设置 101

3.8 小结 102

第4章 后处理 103

4.1 数据显示与文字报告生成 103

4.1.1 通过边界的流量 103

4.1.2 边界上的作用力 105

4.1.3 计算投影面积 106

4.1.4 计算表面积分和体积分 106

4.1.5 参考值的设定 108

4.1.6 生成直方图和Solution XY Plot面板的应用 108

4.1.7 生成摘要报告 110

4.2 图形与可视化 110

4.2.1 基本图形生成 110

4.2.2 等值线和云图的显示 112

4.2.3 速度矢量的显示 115

4.2.4 显示轨迹 117

4.3 流场函数的定义 118

4.4 小结 120

第5章 动网格应用 121

5.1 UDF用法简介 121

5.1.1 UDF的基本用法 121

5.1.2 UDF编写基础 122

5.1.3 UDF中的C语言基础 123

5.2 井下火箭发射过程二维模拟 127

5.2.1 实例描述 127

5.2.2 实例操作 127

5.3 副油箱与飞机分离三维模拟 146

5.3.1 实例描述 146

5.3.2 实例操作 147

5.4 小结 155

第6章 基于辐射模型的热分析 156

6.1 综述 156

6.2 太阳加载模型 158

6.2.1 简介 159

6.2.2 太阳射线跟踪算法 159

6.2.3 DO辐照算法 160

6.2.4 太阳计算器 161

6.2.5 太阳加载模型的设置 163

6.2.6 太阳加载模型边界条件的设置 166

6.3 室内通风问题的计算实例 168

6.3.1 实例描述 169

6.3.2 实例操作 169

6.4 使用DO辐射模型的头灯热模型 185

6.4.1 实例描述 185

6.4.2 实例操作 186

6.5 小结 209

第7章 基于传热模型的热分析 210

7.1 综述 210

7.2 变压器内温度场及流场仿真分析 211

7.2.1 实例描述 211

7.2.2 实例操作 211

7.3 埋地管廊内电缆温度场及流场仿真分析 223

7.3.1 实例描述 223

7.3.2 实例操作 223

7.4 小结 235

第8章 扩散火焰及预混燃烧分析 236

8.1 化学反应模型简介 236

8.2 引火喷流扩散火焰的PDF传输模拟 238

8.3 预混气体化学反应的模拟 251

8.4 小结 260

第9章 液体燃烧及煤炭燃烧分析 261

9.1 液体燃料燃烧模拟 261

9.2 煤燃烧模拟 277

9.3 小结 294

第10章 泄漏及扩散分析 295

10.1 教室内甲醛非稳态扩散特性研究模拟 295

10.2 次氯酸钠在海水沟渠内扩散特性研究模拟 307

10.3 小结 317

第11章 多相流分析 318

11.1 综述 318

11.2 气固两相流动模拟 320

11.3 车体液体燃料罐内部挡流板对振荡的影响模拟 328

11.4 水坝破坏多相流模拟 345

11.5 小结 353

第12章 Fluent经典应用实例 354

12.1 固体燃料电池的模拟 354

12.2 汽车风挡除冰分析 369

12.3 歧管流动分析 386

12.4 小结 402

CFD（Computational Fluid Dynamics，计算流体动力学）的基本定义是通过计算机进行数值计算和图像显示，分析包含流体流动和热传导等相关物理现象的系统。

2006年5月，Fluent成为全球最大的CAE软件供应商——ANSYS大家庭中的重要成员。所有的Fluent软件将被集成在ANSYS Workbench环境下，共享先进的ANSYS公共CAE技术。

ANSYS Fluent 2020是ANSYS推出的新版本的Fluent软件，该版本较之前的版本在求解算法、网格划分及优化、物理模型、材料属性定义、并行运算、用户自定义函数等方面有了一定的改进。

本书特点

本书由从事Fluent工作多年的一线人员编写，是《ANSYS Fluent 2020流体计算从入门到精通》的姊妹篇，更偏重于综合应用案例的讲解。本书在编写的过程中不仅注重绘图技巧的介绍，还重点讲解Fluent和工程实际的关系。本书主要有以下特色：

基础和实例讲解并重。本书可作为对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，内容主要以综合应用案例讲解为主，兼顾流体仿真行业的专业基础知识。

本书内容

本书共12章，通过大量经典实例系统地介绍前处理、计算以及后处理的详细过程，可以让读者在短时间内把握学习的要领，掌握ANSYS Fluent的高级应用技术。各章节内容安排如下：

第1章简要介绍CFD软件和Fluent软件，具体介绍ANSYS Fluent的功能模块和基本分析过程。

第2章主要介绍Gambit 2.4及ANSYS ICEM CFD的基础应用，还会介绍ANSYS Fluent中进行并行运算的方法。

第3章主要介绍Fluent中的基本物理模型及其理论基础，并简要介绍部分物理模型的基本操作步骤。

第4章主要介绍Fluent强大的后处理能力，还会介绍后处理的基本步骤。

第5章通过井火箭发射过程模拟和飞机抛离副油箱过程的模拟介绍动网格的应用。

第6章和第7章介绍传热及辐射模型的应用，详细讲解太阳加载模型的设置及应用，介绍电力变压器及埋地管廊输电电缆传热分析的设置及应用。

第8～10章介绍燃烧模型和化学反应模型的应用，详细讲解液体燃料燃烧、煤燃烧及预混气体化学反应模拟的过程和方法，介绍组分输送模型下教室甲醛扩散及海水沟渠内药物扩散分析的过程和方法。

第11章介绍多相流模型的应用，详细讲解气固两相流、气液两相流方面的三个实例。

第12章讲解三个经典实例，包括固体燃料电池的模拟、汽车挡风除冰过程模拟和汽车歧管流动模拟。

配书资源——案例源文件和教学视频

为了让广大读者更快捷地学习和使用本书，本书提供了案例源文件和教学视频。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即可。下载配套资源请扫描以下二维码：

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“ANSYS Fluent 2020综合应用案例详解配书资源”。

读者对象

本书适合的读者对象如下：

 从事流体计算的从业人员。

 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。

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意见和建议。

为了方便解决本书疑难问题，读者朋友在学习过程中遇到与本书有关的技术问题时，可以访问微信公众号“算法仿真在线”，编者会尽快给予解答。

编 者

2020年9月