计算流体动力学：基于OPENFOAM的有限体积法解析及应用
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作者张成春 著
出版社科学出版社
ISBN9787030775238
出版时间2024-08
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定价128元
货号1203453150
上书时间2024-12-02
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目录
目录
前言
第1章 绪论 1
1.1 计算流体动力学的概念 1
1.2 本书特色与优势 1
1.3 开源CFD平台OpenFOAM简介 2
1.4 复杂流体与复杂流动问题的分析需求 3
1.5 学习本书的有益效果 7
参考文献 8
第2章 OpenFOAM基础架构 9
2.1 OpenFOAM安装 9
2.2 OpenFOAM的文件结构 14
2.2.1 认识OpenFOAM 14
2.2.2 程序库文件结构 15
2.2.3 算例文件结构 15
2.3 OpenFOAM网格、场类代码操作 16
2.3.1 OpenFOAM网格空间基本信息要素 17
2.3.2 网格类代码操作 17
2.3.3 OpenFOAM场操作和运算 19
2.4 OpenFOAM程序运行规则 21
2.4.1 OpenFOAM中的对象注册机制 22
2.4.2 运行时选择机制 23
2.5 OpenFOAM的部分计算模型及方法发展情况 24
2.5.1 气液多相流动求解方法 24
2.5.2 基于密度高速可压缩求解方法 24
2.5.3 其他关键功能模块库 25
2.6 小结 26
参考文献 26
第3章 流体力学基本控制方程及离散方法 29
3.1 黏性应力张量τ 29
3.2 流动控制方程 31
3.2.1 连续性方程 31
3.2.2 动量方程 31
3.2.3 能量方程 32
3.2.4 矢通量守恒形式通用控制方程 33
3.3 OpenFOAM控制方程求解张量运算表达式 34
3.3.1 控制体黏性应力张量表达式 34
3.3.2 动量方程中黏性应力项张量运算符 34
3.3.3 能量方程写法表达式 37
3.4 控制方程有限体积法离散 41
3.4.1 瞬态时间项 42
3.4.2 对流项 42
3.4.3 扩散项 51
3.4.4 梯度项 51
3.5 边界条件模型 53
3.5.1 固定值、固定梯度和混合边界 53
3.5.2 其他衍生类边界条件 56
3.6 小结 56
参考文献 57
第4章 流动求解方法 58
4.1 速度-压力修正算法 58
4.1.1 不可压缩（pisoFoam） 58
4.1.2 可压缩（sonicFoam） 60
4.2 多相流VOF方法（interFoam） 61
4.2.1 基本算法 61
4.2.2 平滑函数 63
4.3 基于密度求解器 64
4.3.1 对流离散格式 65
4.3.2 界面重构格式 66
4.3.3 全速域显式算法 69
4.3.4 隐式LU-SGS 72
4.3.5 双时间步格式 77
4.4 小结 78
参考文献 78
第5章 湍流模型 80
5.1 雷诺时均模型 80
5.1.1 雷诺应力近似 80
5.1.2 标准k-ε模型 81
5.1.3 k-ω SST模型 83
5.2 大涡模拟模型 85
5.2.1 亚格子湍流应力 85
5.2.2 亚格子模型 85
5.2.3 滤波尺度 87
5.3 湍流壁面函数 89
5.3.1 nutWallFunctions 壁面函数边界 90
5.3.2 全y+（nutUSpaldingWallFunction）壁面函数边界 93
5.3.3 其他参数壁面函数边界 93
5.4 小结 94
参考文献 94
第6章 OpenFOAM前处理及后处理 95
6.1 blockMesh模块 95
6.1.1 blockMesh字典关键词 95
6.1.2 多模块翼型网格划分 98
6.2 snappyHexMesh模块 104
6.3 其他软件生成网格导入 107
6.4 前处理其他工具命令 107
6.5 后处理工具命令 110
6.6 功能对象 113
6.7 图形界面后处理 116
6.8 第三方功能库 116
6.9 小结 121
参考文献 121
第7章 低速不可压缩流场绕流 122
7.1 计算域网格 122
7.2 计算设置 124
7.3 计算结果讨论 125
7.4 小结 129
参考文献 129
第8章 高速可压缩流动 130
8.1 超声速前台阶流动 130
8.1.1 计算域网格划分 130
8.1.2 求解器计算及离散格式设置 131
8.1.3 计算结果对比 133
8.2 基于密度全速域算法 134
8.2.1 圆弧凸起通道流动计算模型 134
8.2.2 算例边界条件和离散格式设置 135
8.2.3 计算结果讨论 139
8.3 小结 140
参考文献 140
第9章 气动噪声预测 142
9.1 圆柱-翼型干涉模型气动噪声预测 142
9.1.1 几何模型及计算域网格 142
9.1.2 边界条件及求解器设置 143
9.1.3 计算结果讨论 144
9.2 双圆柱干涉噪声预测 145
9.2.1 几何模型及计算域网格 146
9.2.2 边界条件与求解设置 147
9.2.3 计算结果讨论 147
9.3 圆柱绕流直接声学模拟 150
9.3.1 几何模型与计算域网格 150
9.3.2 求解器caaFoam 150
9.3.3 基于密度的隐式求解器lusgsFoam-caa 154
9.3.4 吸声区域计算结果 157
9.3.5 无反射边界条件计算结果 159
9.4 小结 160
参考文献 161
第10章 气液两相流 162
10.1 多相流气液界面传质模型 162
10.2 接触角模型 163
10.2.1 三相线动态接触角模型 163
10.2.2 phaseSystem类中增加接触角模型 166
10.3 单气泡生长数值方法 167
10.4 小结 170
参考文献 170
第11章 仿生微沟槽表面减阻数值模拟分析 171
11.1 鲨鱼皮仿生表面减阻数值模拟 171
11.1.1 短鳍灰鲭鲨特征部位采样及表征 171
11.1.2 仿鲨鱼皮沟槽平板减阻模型构建 172
11.1.3 求解过程关键参数设置 177
11.1.4 计算结果后处理 181
11.2 高速条件下仿生沟槽表面减阻性能数值模拟 189
11.2.1 lusgsFoam求解器 190
11.2.2 高速沟槽平板减阻分析 191
11.3 小结 192
参考文献 193
第12章 仿生结构降噪的数值模拟 194
12.1 翼型叶片前缘阵列凸点降噪的数值模拟 194
12.2 仿生翼型叶片气动噪声数值模拟分析 195
12.2.1 模型计算域与计算网格 195
12.2.2 WALE模型设置 197
12.2.3 FW-H模型设置 198
12.2.4 物理模型与求解设置 201
12.2.5 低速条件下仿生翼型叶片远场噪声特性 202
12.2.6 点阵前缘降噪机理 203
12.3 高速下仿生翼型叶片气动噪声数值模拟分析 206
12.3.1 模型计算网格加密 206
12.3.2 物理模型与求解设置 207
12.3.3 lusgsFoam求解器设置 208
12.3.4 高速来流下仿生翼型叶片噪声分析 209
12.4 小结 211
参考文献 212
第13章 液滴仿生操控问题的数值模拟 213
13.1 液滴撞击亲水表面动态润湿过程数值模拟 213
13.1.1 仿生超亲水表面液滴动态润湿过程 213
13.1.2 计算域网格动态接触角模型 214
13.1.3 三相接触线模型 216
13.1.4 计算模型设置 219
13.1.5 计算结果讨论 220
13.2 液滴撞击弹性表面 223
13.2.1 液滴撞击弹性羽毛问题描述 223
13.2.2 计算域模型与计算网格 223
13.2.3 计算域模型与计算网格 226
13.2.4 数值结果与试验数据的比较 227
13.3 小结 230
参考文献 230
第14章 气液两相流中气泡演化数值模拟 232
14.1 仿生交错润湿表面强化沸腾换热 232
14.1.1 仿生交错润湿表面气泡动力学问题描述 233
14.1.2 仿生交错润湿阵列表面气泡演化过程模拟 234
14.2 仿生疏水表面微气泡层操控空化气泡溃灭方向 238
14.2.1 仿生疏水表面气泡操控空化气泡的溃灭方向研究的相关背景 238
14.2.2 空化气泡溃灭计算域模型与计算网格 239
14.2.3 计算模型设置 242
14.2.4 空化气泡溃灭数值模拟结果 247
14.3 小结 250
参考文献 250
内容摘要
本书基于OpenFOAM开源平台，结合代码段系统地讲述有限体积法基本理论及其相关应用，全书共14章。第1～6章主要包括绪论、流体力学控制方程的有限体积法离散及求解方法、湍流模型及前后处理的基本理论；第7～10章着重介绍低速不可压缩流、高速可压缩流、气动噪声预测、气液两相流等常见问题的模拟方法；第11～14章针对工程仿生领域中的几个复杂流动与复杂流体问题，介绍计算网格处理、非官方求解器及功能函数库的调用与修改。
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