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第1章 绪论1

1.1 CFD发展历程1

1.1.1开创时期1

1.1.2飞速发展时期2

1.1.3不断丰富和完善时期2

1.2 CFD与其他研究方法之间的关系3

1.3 CFD在建筑环境与设备工程中的应用4

1.3.1概述4

1.3.2 CFD在建筑内气流组织和热湿环境分析中的应用5

1.3.3 CFD在建筑外风环境及特殊构筑物风荷载分析中的应用6

1.3.4 CFD在建筑设备或特殊空间内传热传质分析中的应用7

1.3.5 CFD在新型通风方式及人体热舒适状况分析中的应用8

1.4仿真过程9

1.5 CFD软件的基本组成10

1.5.1前处理器10

1.5.2求解器10

1.5.3后处理器11

参考文献11

第2章 描述气流运动的数学模型14

2.1层流流动模型14

2.1.1 Navier Stokes方程14

2.1.2连续性方程16

2.1.3能量方程（温度方程）16

2.1.4浓度方程16

2.2紊流流动模型（k-ε模型k-l模型）16

2.2.1连续性方程17

2.2.2雷诺方程17

2.2.3紊流流动的能量方程20

2.2.4紊流流动能量的黏性耗散率ε的传递方程22

2.2.5紊流流动的能量方程23

2.2.6浓度方程24

2.3其他紊流模型25

2.3.1重整化群模型25

2.3.2直接数值模拟（DNS）模型26

2.3.3雷诺应力模型27

2.4二维层流ψ-ω法30

2.5二维紊流ψ-ω法31

2.6方程组的无因次化33

2.6.1层流ρ-υ法的无因次方程组33

2.6.2紊流ρ-υ法的无因次方程组35

2.6.3二维层流ψ-ω法的无因次方程组36

2.6.4二维紊流ψ-ω法的无因次方程组36

2.7流体的性质与无因次准则对流体流动的影响37

2.7.1流体的物性参数37

2.7.2流体流动的无因次准则41

2.8偏微分方程的特殊类型42

2.8.1椭圆型方程42

2.8.2双曲型方程43

2.8.3抛物型方程44

参考文献45

第3章 流体流动控制方程组的离散化方法46

3.1离散化的基本知识46

3.1.1离散化的概念46

3.1.2离散化的目的46

3.2有限差分的基本方法46

3.2.1泰勒级数法47

3.2.2多项式拟合法48

3.3控制容积法49

3.3.1一维对流扩散问题的精确解49

3.3.2中心差分格式50

3.3.3上风格式52

3.3.4幂函数差分格式53

3.3.5混合差分格式53

3.3.6各种格式的比较55

3.4差分方程的迭代求解法56

3.4.1逐点松弛法56

3.4.2逐线松弛法56

3.4.3交替方向隐式法57

3.5差分方程组的求解步骤58

3.5.1 SIMPLE算法58

3.5.2 SIMPLER求解差分方程组的一般步骤60

3.6计算网格的划分方法62

3.6.1多层网格法简介62

3.6.2交错网格62

3.7阻碍物的考虑方法63

3.8差分方程的收敛性64

3.9差分方程的稳定性64

3.10气流数值计算可视化软件开发实例65

3.10.1气流数值计算可视化的发展及现状65

3.10.2开发语言的选择67

3.10.3程序的菜单控制68

3.10.4子程序功能72

参考文献73

第4章 二维流体流动数学模型的离散化74

4.1用差分法计算二维层流问题的离散化方程组74

4.1.1基础方程74

4.1.2用差分法推导基础方程的离散方程组77

4.1.3压力的修正及压力修正方程的推导82

4.2二维紊流数值计算的离散化方程组82

4.2.1二维紊流数学模型的建立83

4.2.2二维紊流偏微分方程组的离散化85

4.3用有限元法计算二维层流问题（ψ-ω法）91

4.3.1基础方程式及边界条件91

4.3.2有限元解析93

4.3.3 FEM方程组的求解94

4.4用差分法计算二维层流问题的ψ-ω法96

4.4.1二维层流问题的ψ-ω法的数学模型96

4.4.2方程组的离散96

4.4.3固定壁面上的边界条件100

参考文献101

第5章 三维流体流动数学模型的离散化102

5.1三维定常层流模型的离散方程103

5.1.1基础方程式103

5.1.2基础方程式的差分方法103

5.2三维定常紊流模型的离散方程107

5.3三维非定常问题数学模型的离散方法113

5.3.1描述三维非定常问题的数学模型113

5.3.2微分方程的无因次化114

5.3.3基础方程的差分方法116

5.4非定常问题的计算过程和压力边界条件133

5.4.1压力边界条件133

5.4.2差分方程组求解过程的几个问题133

5.4.3三维非稳态室内紊流数值计算过程135

5.5使用非定常模型计算通风房间通风效率136

5.5.1通风效率136

5.5.2三维非定常流动中通风效率的计算方法138

参考文献141

第6章 边界条件142

6.1入口边界条件143

6.1.1速度入口边界144

6.1.2质量流量入口边界144

6.1.3压力入口边界145

6.1.4进气口边界146

6.1.5进气扇边界146

6.2出口边界条件146

6.2.1局部单向化边界条件146

6.2.2充分发展的边界条件146

6.2.3出口非单向性边界条件149

6.2.4压力出口边界条件150

6.2.5压力远场边界151

6.2.6自由出流边界151

6.2.7排风口边界151

6.2.8排气扇边界152

6.3对称边界条件152

6.4壁面边界条件及壁面函数法152

6.4.1壁面无滑移边界条件152

6.4.2壁面函数法154

6.5压力边界条件160

6.6室内流入口模型161

6.7周期性边界条件162

参考文献162

第7章 二维室内气流流动问题164

7.1二维层流室内气流数值计算——工业厂房自然对流问题164

7.1.1计算对象描述164

7.1.2边界条件165

7.1.3计算过程165

7.1.4 计算结果分析165

7.2质线与热线169

7.3二维紊流数值计算——大型水电厂房机械通风问题172

7.3.1边界条件172

7.3.2差分方程组的求解方法及程序的说明173

7.3.3计算结果及其分析174

7.4用有限元法计算二维室内气流流动实例176

7.4.1室内形状及网格划分176

7.4.2边界条件177

7.4.3计算结果178

7.4.4流函数涡度法的差分计算实例181

参考文献188

第8章 三维室内气流流动问题189

8.1三维层流数值计算——仪器室顶送下回混合通风问题189

8.1.1问题描述189

8.1.2边界条件190

8.1.3结果分析191

8.2三维紊流数值计算——大型水电站厂房机械通风问题195

8.2.1问题描述195

8.2.2边界条件195

8.2.3结果分析196

8.3三维室内气流非定常问题的数值计算——侧送侧回机械通风问题199

8.3.1计算对象及边界条件200

8.3.2计算结果200

8.3.3计算结果与试验结果对比205

8.4空调房间空气龄及换气效率分析208

8.4.1研究房间气流分布问题的意义208

8.4.2基于非定常模型的换气效率问题算例209

8.5三维非定常室内自然对流问题计算216

8.5.1三维非定常室内自然对流问题的数值计算216

8.5.2数值计算结果217

8.6热舒适性分析219

8.6.1概念219

8.6.2影响热舒适的基本参数219

8.6.3热舒适评价概念的回顾221

8.6.4常用热舒适指标223

8.6.5热舒适性指标的数值模拟实例225

8.7人体动态热舒适评价232

8.7.1现有评价概念的不足之处232

8.7.2空调动态热舒适评价体系233

8.7.3热舒适参数值分布236

参考文献239

第9章 有害物传播的数值计算240

9.1浓度分布模型240

9.1.1连续性方程240

9.1.2动量方程241

9.1.3能量方程241

9.1.4颗粒物组分方程241

9.2室内颗粒物运动的数值模拟242

9.2.1数学模型242

9.2.2计算对象及边界条件243

9.2.3计算工况及计算结果244

9.3工业厂房单双侧排风罩性能的数值分析250

9.3.1计算对象及其边界条件251

9.3.2计算过程及结果分析252

9.4复杂山地矿井尾气扩散的数值模拟260

9.4.1三维数值地形图的概念及其表示方法260

9.4.2计算模型的建立261

9.4.3数学模型和边界条件262

9.4.4仿真结果与试验的对比263

参考文献267

第10章 分层空调与置换通风269

10.1分层空调与气流分层的规律269

10.1.1描述气流分层现象的数学模型270

10.1.2分析温度分层的简易方法271

10.2上送风形式气流的分层规律探讨272

10.2.1计算对象与计算网格273

10.2.2边界条件273

10.2.3计算结果与分析273

10.3侧送风形式气流分层规律279

10.3.1数学模型及边界条件279

10.3.2送风角度的影响280

10.3.3送风高度的影响281

10.3.4试验验证282

10.4置换通风282

10.4.1置换通风的基本原理283

10.4.2置换通风的基本参数要求和评价指标283

10.4.3研究对象284

10.4.4紊流模型及边界条件285

10.4.5计算结果及分析286

参考文献288

第11章 流固耦合问题计算方法290

11.1阻碍物模拟方法290

11.1.1阻碍物考虑方法的一般概念290

11.1.2流固耦合计算的边界条件及具体实施291

11.1.3阻碍物流场网格的划分293

11.2水电站厂房气流组织数值模拟294

11.2.1数学模型294

11.2.2计算对象及其边界条件294

11.2.3计算结果294

11.3通风墙体问题298

11.3.1计算对象及其数学模型298

11.3.2数学模型的离散格式300

11.3.3边界条件及计算过程304

11.3.4计算结果305

11.4双层玻璃幕墙问题307

11.4.1数学模型307

11.4.2计算对象及边界条件307

11.4.3计算结果分析309

参考文献311

第12章 大涡模拟312

12.1大涡模拟的基本原理312

12.2大涡模拟的数学模型及其离散格式313

12.2.1大涡模拟的滤波函数313

12.2.2 Navier Stokes方程的滤波形式314

12.2.3常用亚格子尺度模型315

12.2.4 LES控制方程318

12.2.5方程的无因次化319

12.2.6大涡模型的边界条件320

12.2.7大涡模型的离散格式325

12.3高大空间多射流等温气流场的大涡数值模拟330

12.3.1控制方程组、亚格子模型与数值方法331

12.3.2数值模拟结果分析332

12.3.3 LES与RANS的比较340

12.4高大空间多射流非等温气流场的大涡模拟342

12.4.1数学模型及亚格子模型342

12.4.2大涡模拟结果分析344

12.5室内气流大涡模拟的基础性问题分析350

12.5.1亚格子模型的比较与选择351

12.5.2系数取值的影响352

12.5.3空间差分与时间步长355

12.5.4大涡模拟的参数选择分析357

参考文献358

第13章 室内气流流动的模型试验方法360

13.1测量紊流相关量的物理概念360

13.1.1转捩360

13.1.2紊动能360

13.1.3紊动能的黏性耗散率360

13.1.4雷诺应力361

13.1.5附面层361

13.1.6卡门涡街361

13.2气流流动的相似性原理362

13.2.1相似理论的基本定律362

13.2.2通风过程的相似准数368

13.3通风模型试验方法372

13.3.1室内自然对流模拟计算373

13.3.2等温机械送风的模拟计算378

13.4风洞试验379

13.5热线风速仪测速技术380

13.5.1热线风速仪简介381

13.5.2热线风速仪的基本工作原理382

13.5.3热线风速仪的应用383

13.5.4热线风速仪的自校准与修正384

13.6 PIV测试方法385

13.6.1粒子图像测速技术简介385

13.6.2 PIV的工作原理385

13.6.3 PIV系统的组成387

13.6.4 PIV测试程序与数据分析389

参考文献392