Openfoamによる熱移動と流れの数値 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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• OpenFOAM
• 热传导
• 流体力学
• 数值模拟
• 计算流体力学
• 传热学
• 开源软件
• CFD
• 科学计算
• 工程应用

出版社： 森北出版

ISBN：9784627691018

商品编码：19874031

OpenFOAM：流体动力学与热传递数值模拟的深度探索 引言 在现代工程和科学研究中，对流体流动和热量传递现象的精确理解与预测至关重要。无论是航空航天的气动设计，汽车行业的空气动力学优化，还是能源领域的传热效率提升，亦或是生物医学中的血流模拟，都离不开对复杂物理过程的深入洞察。然而，许多实际问题中的流体和热传递行为，其数学模型往往是非线性的偏微分方程组，难以通过解析方法求解。数值模拟技术应运而生，它为我们提供了一种强大的工具，能够在计算机上近似求解这些方程，从而揭示流体行为的奥秘，预测热量传递的规律。 在众多计算流体动力学（CFD）软件中，OpenFOAM以其开源、灵活、功能强大以及活跃的社区支持，赢得了全球研究者和工程师的青睐。它不仅仅是一个求解器，更是一个高度可定制的框架，允许用户根据自身需求进行深度开发和修改。本书旨在深入探讨如何利用OpenFOAM这一强大的平台，对热传递与流动耦合的复杂问题进行数值模拟。我们将从基础理论出发，逐步深入到OpenFOAM的建模、求解、后处理等各个环节，为读者提供一套系统而实用的学习路径。 第一部分：理论基础与OpenFOAM概览 在深入OpenFOAM的具体应用之前，构建坚实的理论基础是必不可少的。本部分将回顾流体力学和热力学中的核心概念，为理解数值模拟的原理打下基础。 流体力学基础： 连续性方程（质量守恒）： 描述流体质量在空间中的分布及其变化率，是所有流体模拟的起点。我们将详细推导其不同形式，并解释其物理意义。 动量方程（Navier-Stokes方程）： 这是描述流体运动的核心方程，它包含了惯性力、压力梯度力、粘性力以及外力（如重力）的作用。我们将深入分析Navier-Stokes方程的各项构成，并介绍其在不同流态（层流、湍流）下的近似形式。 湍流模型： 实际工程中的大多数流动都是湍流，其复杂性使得直接求解Navier-Stokes方程（DNS）计算量巨大。因此，湍流模型的研究与应用至关重要。本书将介绍几种主流的湍流模型，如RANS（雷诺平均Navier-Stokes）模型（包括Spalart-Allmaras、k-epsilon、k-omega等），以及它们的适用范围和局限性。 能量方程（热传递）： 描述流体温度场及其变化规律的方程，涉及到传导、对流和辐射等传热机制。我们将详细阐述其数学形式，以及在不同边界条件下的处理方法。 OpenFOAM架构与工作流程： OpenFOAM的开源特性与哲学： 强调其开源模式带来的灵活性、透明度和社区协作优势，以及“一切皆场，一切皆对象”的设计理念。 OpenFOAM的基本组成： 介绍OpenFOAM的核心组件，包括求解器（solvers）、实用程序（utilities）和库（libraries）。 典型的OpenFOAM模拟流程： 详细分解一个完整的CFD模拟过程，从几何建模、网格生成、物理模型设置、求解器选择、参数配置、运行计算到结果后处理。 第二部分：OpenFOAM几何建模与网格生成 高质量的计算网格是保证数值模拟精度的基础。本部分将聚焦于如何在OpenFOAM中处理几何问题和生成计算网格。 几何建模： CAD导入与处理： 介绍如何导入外部CAD软件生成的几何模型，以及在OpenFOAM中进行必要的几何清理、修复和简化。 OpenFOAM内置几何创建工具： 演示使用OpenFOAM自带的`blockMesh`实用程序创建简单几何体，并详细解析其字典文件的语法结构。 网格生成： `blockMesh`进阶应用： 学习创建更复杂几何形状的结构化网格，包括退化单元、圆柱形边界等。 非结构化网格生成： 重点介绍`snappyHexMesh`实用程序，这是OpenFOAM中最强大的非结构化网格生成工具之一。我们将详细讲解其工作原理、配置文件（`snappyHexMeshDict`）的各项参数设置，包括背景网格、特征线提取、局部网格细化、边界层生成等，以及如何通过调整参数来控制网格质量和密度。 网格质量检查与优化： 介绍常用的网格质量评价指标（如正交性、长宽比、偏度等），以及如何利用OpenFOAM提供的实用程序来检查和优化网格质量。 第三部分：OpenFOAM物理模型设置与求解 本部分是本书的核心，将详细介绍如何在OpenFOAM中设置流体流动和热传递相关的物理模型，并配置求解器进行计算。 流体属性与边界条件设置： 物理属性定义： 如何在`transportProperties`文件中定义流体的密度、粘度、热导率、比热容等物理参数。 边界条件设定： 详细介绍OpenFOAM中各种边界条件的设置方法，包括速度入口（`fixedValue`，`fixedFlux`）、压力出口（`fixedFluxPressure`，`zeroGradient`）、壁面（`wall`）、对称面（`symmetry`）等，并重点讨论与热传递相关的边界条件，如定温壁面（`fixedTemperature`）、定热流密度壁面（`fixedHeatFlux`）、对流换热边界（`externalWallHeatFluxTemperature`）等。 求解器选择与配置： 热传递与流动耦合求解器： 介绍OpenFOAM中专门用于处理热传递与流动耦合问题的求解器，如`buoyantPimpleFoam`（适用于自由对流和强制对流），`chtMultiRegionFoam`（适用于多区域耦合传热），以及`simpleFoam`（适用于不可压缩层流，可耦合热传递）。 求解器参数配置： 深入解析求解器字典文件（如`pimpleFoamDict`，`fvSolution`）中的各项设置，包括求解算法（PISO, SIMPLE, PIMPLE），离散格式（ waktu discretization schemes，gradient schemes，interpolation schemes），收敛准则，以及时间步长控制等。 湍流模型在热传递中的应用： 讲解如何将已有的湍流模型与热传递方程耦合，并根据具体问题选择合适的湍流模型。 瞬态与稳态模拟： 瞬态模拟设置： 如何设置时间步长、模拟总时间、时间离散格式，以保证瞬态模拟的准确性和稳定性。 稳态模拟策略： 介绍稳态模拟的收敛条件、松弛因子等设置，以及如何诊断和解决稳态求解不收敛的问题。 第四部分：OpenFOAM后处理与结果分析 数值模拟的最终目的是理解和分析计算结果。本部分将介绍如何利用OpenFOAM的后处理工具来可视化和量化模拟数据。 ParaView可视化： OpenFOAM与ParaView的集成： 介绍如何将OpenFOAM的计算结果导入ParaView进行三维可视化。 基本可视化操作： 学习绘制流场速度矢量图、压力云图、温度云图、流线图（streamlines）、迹线图（pathlines）等。 高级可视化技术： 介绍切片（slice）、等值面（isobaric surface/isothermal surface）、剖面图（plot over line）等高级可视化技术，用于深入分析特定区域的流动和温度分布。 数据提取与量化分析： OpenFOAM实用程序： 介绍`postProcess`等实用程序，用于提取数据（如某个点的温度、某个截面的平均速度），计算积分量（如总热流密度、升力、阻力）。 自定义数据提取： 讲解如何通过脚本或编写小程序来提取特定格式的数据，为进一步的工程分析或与其他软件进行数据交互做准备。 结果验证与不确定性分析： 强调将数值模拟结果与实验数据、解析解或工程经验进行对比验证的重要性，并讨论如何评估模拟结果的不确定性。 第五部分：案例研究与进阶应用 理论学习与实践操作相结合是掌握OpenFOAM的关键。本部分将通过一系列具体的案例研究，展示OpenFOAM在热传递与流动模拟中的实际应用。 典型案例分析： 强制对流换热： 如管道内强制对流传热，翅片散热器分析等。 自由对流与自然对流： 如封闭空间内的自然对流，热源引起的水槽内流动等。 辐射传热的耦合： 介绍在特定情况下如何考虑辐射传热对整体传热过程的影响，并配置相应的求解器。 多物理场耦合： 简要介绍OpenFOAM在更复杂的耦合问题中的应用，如流固耦合、多相流等。 进阶主题探讨： 用户自定义求解器开发： 简要介绍OpenFOAM的C++面向对象编程框架，以及如何在此基础上开发新的求解器或修改现有求解器以适应特殊需求。 并行计算： 讨论如何在多核处理器或集群上运行OpenFOAM模拟，以加速计算过程。 高级边界条件与物理模型： 探讨一些更复杂的边界条件和物理模型，以及它们的设置方法。 结语 OpenFOAM作为一个强大的、开源的CFD平台，为热传递与流动模拟提供了无限可能。通过本书的学习，读者将能够系统地掌握OpenFOAM的理论基础、操作流程、建模技术和结果分析方法。我们鼓励读者在掌握基本技能后，积极进行实践，探索更复杂的问题，并参与到OpenFOAM的开源社区中，共同推动CFD技术的发展。希望本书能成为您在OpenFOAM领域学习和研究的有力助手。

评分☆☆☆☆☆

我是一名正在攻读空气动力学方向硕士研究生的学生，我的研究课题涉及到飞机在高超音速飞行过程中的气动加热问题。这个问题是一个典型的热流耦合问题，需要用到复杂的数值模拟技术。在查找相关资料的过程中，我了解到OpenFOAM在处理这类复杂问题方面具有很大的优势，而《Openfoamによる熱移動と流れの数値》这本书的书名，正是我迫切需要的。我非常好奇这本书会如何详细介绍OpenFOAM在处理高马赫数流动下的能量方程求解，以及如何耦合气动加热效应。例如，书中是否会讲解如何在OpenFOAM中构建适用于高超声速流动的求解器，以及如何选择合适的物理模型来描述强烈的粘性耗散和化学反应？我特别希望书中能提供关于如何在复杂几何模型（如机翼、机身）上生成高质量的网格，并且能够处理由此产生的剧烈温度梯度和压力变化。如果书中能包含一些关于如何进行数值稳定性分析和精度验证的指导，那将对我完成我的研究至关重要。我期待书中能提供一些与航空航天领域相关的实际案例分析，例如飞行器外形的气动加热预测，或者发动机燃烧室内部的温度场和流动分布模拟。这本书无疑是我探索高超声速气动加热模拟领域的宝贵资源。

评分☆☆☆☆☆

作为一名在能源领域工作的工程师，我一直关注着如何利用先进的数值模拟技术来优化能源系统的设计和运行。尤其是在可再生能源领域，例如太阳能集热器、地热能利用，以及风力涡轮机的气动热力学设计，对热传递和流体流动的精准模拟是至关重要的。当我看到《Openfoamによる熱移動と流れの数値》这本书的书名时，我的第一反应是，这是否能为我提供一个强大的工具来解决我在实际工作中遇到的挑战？我希望能在这本书中找到关于如何利用OpenFOAM来模拟自然对流、强制对流以及热辐射在不同能源设备中的耦合效应。例如，在太阳能集热器中，如何模拟太阳辐射的热量如何传递到集热介质，以及集热介质的流动情况；在地热能系统中，如何模拟地下流体的流动和热量交换过程。我更期待的是，书中能够提供一些关于如何对OpenFOAM进行二次开发，以适应我们能源领域特有的复杂边界条件和物理模型的指导。我希望书中能有一些实际工程案例的详细分析，例如风力涡轮机叶片上的气动加热效应，或者热电联产系统的传热优化设计。如果书中能提供一些关于提高模拟效率和计算精度的技巧，那将使这本书的价值倍增。

评分☆☆☆☆☆

这本书的书名引起了我极大的兴趣，尽管我并非专业的CFD工程师，但对于“热传递”和“流体流动”的数值模拟，一直抱有强烈的好奇心。OpenFOAM作为一款开源的CFD软件，其强大的功能和灵活性早已闻名，而结合了热传递的模拟，这无疑为我打开了一个全新的视角。我设想，这本书会深入浅出地介绍OpenFOAM在处理复杂热流耦合问题时的原理和方法。或许它会从最基础的传热方程和Navier-Stokes方程开始，详细讲解如何在OpenFOAM中对其进行离散化和求解。我尤其期待看到作者如何构建网格，如何选择合适的湍流模型，以及如何设置边界条件来准确模拟各种热传递现象，比如对流、传导和辐射。当然，书中必不可少的部分应该还包括了对模拟结果的后处理和可视化，如何通过直观的图表和动画来理解复杂的流场和温度分布，从而发现隐藏在数据背后的物理规律。如果书中能够提供一些实际案例的分析，例如电子设备的散热设计、建筑物的节能分析，或者航空发动机的燃烧过程模拟，那将极大地提升这本书的实用性和指导意义。即使我不能完全掌握所有的技术细节，但通过阅读，我希望能建立起一个清晰的认知框架，理解OpenFOAM在解决热传递与流动问题时的能力边界和应用场景，为我日后的学习和研究提供坚实的基础。

评分☆☆☆☆☆

我是一名从事材料科学研究的博士生，目前正着手进行一项与相变材料相关的课题，其中不可避免地需要对材料内部的热传导以及伴随的流体动力学效应进行数值模拟。在寻找相关工具和资料的过程中，我反复看到了OpenFOAM的身影，而《Openfoamによる熱移動と流れの数値》这本书的书名，就像是为我量身定做一般，直接点出了我所需要的核心技术。我非常好奇这本书会如何系统地介绍OpenFOAM在这些领域的应用。我猜测，书中可能不仅仅是机械地介绍软件操作，更会深入探讨其背后的理论支撑。例如，对于多相流体的流动和相变过程中的热量交换，OpenFOAM是如何进行建模的？是采用了哪种相场法或者VOF（Volume of Fluid）方法？书中会不会详细讲解如何设置这些复杂的物理模型，以及如何调整相应的参数以获得准确的模拟结果？我尤其关心的是，在模拟过程中，如何处理界面相变带来的激烈的热负荷变化，以及这些变化如何影响周围流体的流动状态。我希望书中能提供一些关于网格生成策略的建议，特别是在存在相界面或复杂几何结构的情况下，如何确保网格质量以避免数值误差。如果书中能包含一些与材料科学相关的具体应用实例，例如金属熔化、凝固，或者相变储能材料的充放热过程模拟，那将对我完成课题研究具有极其宝贵的参考价值。

评分☆☆☆☆☆

我对流体力学和传热学一直抱有浓厚的兴趣，虽然目前并非直接从事相关研究，但始终希望能够深入了解这些基础科学在工程实践中的应用。OpenFOAM作为一款免费且功能强大的CFD软件，一直是我学习的目标之一。而《Openfoamによる熱移動と流れの数値》这本书的书名，直接击中了我学习的痛点：如何将OpenFOAM应用于实际的热传递和流动问题。我设想，这本书会像一本详尽的指南，带领我一步步走进OpenFOAM的世界。从最基础的软件安装和基本操作开始，逐步深入到求解器的选择、物理模型的构建、网格生成以及边界条件的设置。我尤其期待书中能够清晰地讲解如何处理不同类型的流动（层流、湍流）以及不同类型的热传递（传导、对流、辐射）。如果书中能包含一些经典的热传递和流体流动问题的解析解或实验验证数据，那将有助于我检验模拟结果的准确性，并加深对物理过程的理解。我希望这本书能提供一些具体的代码示例，让我能够边学边练，亲手实现一些简单的热流模拟。即便是对于我这样初学者来说，我相信通过这本书的学习，也能对OpenFOAM在热传递和流动模拟领域的应用有一个全面的认识，并为我今后更深入的学习打下坚实的基础。