计算流体力学及其应用

1. 近年来，随着计算机技术与性能的快速发展，CFD广泛应用于与流动现象有关的学科及工程领域之中。CFD技术在航空、建筑、能源、气象、环境、海洋、流体工程等许多行业得到成功应用，成为解决各种流体流动与传热问题的强有力工具。 2. CFD在环境工程领域的应用十分广泛，例如在核电厂建设前期评价、规划环境影响评价、水利水电环境影响评价、风险物质环境风险评价等方面。 3. 本书的亮点在于结合多个简单到复杂的实例，系统的对CFD在环境工程领域的应用给出了详细的指导，具有学术指导意义，也为工程应用提供了具体的思路。

流体流动与传热现象广泛存在于自然界与许多工程领域。继理论分析、实验研究之后，计算流体力学（Computational Fluid Dynamics，CFD）已经成为研究流动与传热问题的一种重要技术方法。经过多年的发展，CFD已成为流体科学领域中一门新兴的独立学科，它建立在理论流体力学与数值计算的基础之上，通过对流动与传热等物理现象进行模拟分析，从而解决各种复杂的流动问题。近年来，随着计算机技术的快速发展，CFD广泛应用于与流动现象有关的学科及工程领域。
CFD软件最早于20世纪70年代在美国推出，近几年在我国国内得到广泛应用。CFD软件在水利、航空、建筑、能源、气象、环境、海洋、流体工程等许多行业得到成功应用，成为解决各种流体流动与传热问题的重要工具。目前，掌握和熟练使用CFD成为现代科研人员和工程技术人员从事有关行业工作所需要的一项重要技能；同时，随着各类商用CFD软件的广泛应用，考虑各行业发展特点，迫切需要有关介绍CFD理论知识与行业应用的参考书。
本书以CFD的应用为主线，重点介绍了CFD在大气环境领域中应用的基本理论，并用实例对CFD在大气环境领域中的应用进行详细验证及分析。全书分上下两篇，共10章：上篇为基础篇（第1章～第5章），主要介绍了计算流体力学的基础知识、湍流模型、控制方程的离散、流场数值计算等；下篇为应用篇（第6章～第10章），主要介绍了大气边界层与大气扩散、CFD在大气边界层中应用实例等。本书具有专业性强、应用范围广的特点，可供航空航天、动力工程、建筑、水利及环境领域的科研人员、工程技术人员和管理人员参考，也可供高等学校环境科学与工程、大气科学、气象学、海洋科学与工程及相关专业的师生参阅 。
本书由郭栋鹏著。另外，中国辐射防护研究院史学峰副研究员对本书进行了全面审阅，并提出了很多宝贵的意见，太原理工大学黄晓慧参与了本书的编排和校对工作，同时本书得到了中国辐射防护研究院姚仁太研究员的大力支持，化学工业出版社对本书的策划和组织开展了大量工作，在此一并致谢！
限于著者水平及时间，书中存在不足和疏漏之处在所难免，敬请读者提出修改建议。

著者
2020年6月

郭栋鹏，太原科技大学，副教授，博士，2011年毕业于太原理工大学与中国辐射防护研究院联合培养环境工程专业，获博士学位，长期从事大气边界层物理模拟理论与试验研究、大气扩散模式与数值计算及其在环境影响评价中的应用。
2011年毕业于太原理工大学与中国辐射防护研究院联合培养环境工程专业，获博士学位，先后参与了湖南桃花江核电站、江西彭泽核电站、重庆涪陵核电站、浙江三门核电站以及民用核设施的风洞模拟试验、数值模拟等项目；参加"十一五"核能开发项目——防护评价技术研究专题，国家重大科技专项——内陆厂址环境影响评价关键技术研究及一些军工、军用核设施的核环境领域科研项目。在国内外杂志和出版物发表论文30余篇，其中部分文章被SCI、EI等收录。

本书以计算流体力学（CFD）的应用为主线，重点介绍了CFD在大气环境领域中应用的基本理论，并用实例对CFD在大气环境领域中的应用进行详细验证及分析。本书分上下两篇，共10章：上篇为基础篇（第1章～第5章），主要介绍了计算流体力学的基础知识、湍流模型、控制方程的离散、流场数值计算等；下篇为应用篇（第6章～第10章），主要介绍了大气边界层与大气扩散、CFD在大气边界层中应用实例等。
本书具有专业性强、应用范围广的特点，可供航空航天、动力工程、建筑、水利及环境领域的科学研究、管理和设计等从业人员参考，也可供高等学校环境科学与工程、大气科学、气象学、海洋科学与工程及相关专业师生参阅。

上篇基础篇
第1章绪论3
1.1流体力学的研究方法3
1.2计算流体力学的应用及前景分析4

第2章计算流体力学基础知识6
2.1流体的基本特性6
2.1.1理想流体与黏性流体6
2.1.2牛顿流体与非牛顿流体7
2.1.3流体热传导及扩散7
2.1.4可压流体与不可压流体8
2.1.5定常流动与非定常流动8
2.1.6层流与湍流8
2.2流体力学的控制方程9
2.2.1质量守恒方程9
2.2.2动量守恒方程10
2.2.3能量守恒方程11
2.2.4组分质量守恒方程12
2.2.5湍流的控制方程13
2.2.6控制方程的通用形式14
2.2.7守恒型控制方程与非守恒型控制方程15
2.3CFD工作原理16
2.3.1计算流程16
2.3.2建立控制方程16
2.3.3确定边界条件与初始条件17
2.3.4划分计算网格17
2.3.5建立离散方程17
2.3.6离散初始条件和边界条件18
2.3.7给定求解控制参数18
2.3.8求解离散方程18
2.3.9判断解的收敛性19
2.3.10显示和输出计算结果19

第3章湍流模型20
3.1湍流及其数学描述20
3.1.1湍流流动的特征20
3.1.2湍流的基本方程21
3.2湍流的数值模拟方法23
3.2.1湍流数值模拟方法的分类23
3.2.2直接数值模拟法24
3.2.3大涡模拟法24
3.2.4Reynolds平均法25
3.3零方程模型及一方程模型26
3.3.1零方程模型27
3.3.2一方程模型27
3.4标准k-ε二方程模型28
3.4.1标准k-ε模型28
3.4.2标准k-ε模型的有关计算公式28
3.4.3标准k-ε模型的控制方程组30
3.4.4标准k-ε模型方程的解法及适用性30
3.5改进型k-ε模型31
3.5.1RNG k-ε模型31
3.5.2Realizable k-ε模型32
3.6在近壁区使用k-ε模型的问题及对策34
3.6.1近壁区流动的特点34
3.6.2在近壁区使用k-ε模型的问题36
3.6.3壁面函数法36
3.6.4低雷诺数k-ε模型39
3.7Reynolds应力方程模型40
3.7.1Reynolds应力输运方程40
3.7.2RSM的控制方程组及其解法44
3.7.3对RSM适用性的讨论45
3.8大涡模拟46
3.8.1大涡模拟的基本思想46
3.8.2大涡运动方程46
3.8.3亚格子尺度应力模型48
3.8.4LES控制方程的求解48

第4章控制方程的离散50
4.1离散化概述50
4.1.1离散化的目的50
4.1.2离散时所使用的网格51
4.1.3常用的离散化方法51
4.2有限体积法及其网格52
4.2.1有限体积法的基本思想52
4.2.2有限体积法的区域离散53
4.3一维稳态问题的有限体积法54
4.3.1问题的描述55
4.3.2生成计算网格55
4.3.3建立离散方程55
4.3.4求解离散方程58
4.4常用的离散格式64
4.4.1问题描述64
4.4.2中心差分格式65
4.4.3一阶迎风格式67
4.4.4混合格式71
4.4.5指数格式73
4.4.6乘方格式74
4.5高阶离散格式74
4.5.1二阶迎风格式74
4.5.2QUICK格式76
4.6各种离散格式的性能对比81

第5章流场数值计算83
5.1流场数值解法概述83
5.1.1常规解法存在的主要问题83
5.1.2流场数值计算的主要方法84
5.2交错网格技术87
5.2.1普通网格87
5.2.2交错网格88
5.2.3动量方程的离散90
5.3流场计算的SIMPLE算法95
5.3.1SIMPLE算法的基本思路95
5.3.2速度修正方程96
5.3.3压力修正方程97
5.3.4SIMPLE算法的计算步骤98
5.3.5SIMPLE算法的讨论99
5.4改进的SIMPLE算法100
5.4.1SIMPLEC算法101
5.4.2PISO算法102
5.5瞬态问题的数值计算105
5.5.1瞬态问题的SIMPLE算法105
5.5.2瞬态问题的PISO算法106

下篇应用篇
第6章大气边界层与大气扩散111
6.1大气污染物的弥散过程、大气湍流扩散111
6.1.1大气污染物的弥散过程111
6.1.2大气湍流113
6.1.3湍流扩散116
6.1.4大气扩散状态与气象条件的关系117
6.2大气边界层118
6.2.1大气边界层的一般特点和分装118
6.2.2大气边界层的运动及能量和物质的垂直运输121
6.2.3近地面层126
6.2.4不稳定大气边界层141
6.2.5混合层发展的简化模式147
6.2.6稳定大气边界层149

第7章不同温度层结下建筑物周围流场影响161
7.1数值模拟162
7.1.1边界条件162
7.1.2不同温度层结实现164
7.2结果分析与比较164
7.2.1建筑物对流场的影响165
7.2.2建筑物对湍流的影响167
7.3结论168

第8章不同温度层结下山体对流场与污染物扩散影响170
8.1数值模拟172
8.1.1湍流模型173
8.1.2边界条件173
8.2结果分析与比较175
8.2.1流场结构175
8.2.2湍流结构179
8.2.3浓度场分析179
8.3结论184

第9章规则建筑群中流动和污染物扩散的研究185
9.1模拟描述187
9.1.1几何描述187
9.1.2计算域和网格187
9.1.3边界条件189
9.2模型有效性分析190
9.2.1MUST现场实验描述190
9.2.2模拟设置192
9.2.3统计学分析192
9.3结果分析195
9.3.1纵向速度(u/Uref)196
9.3.2垂直速度(w/Uref)199
9.3.3湍流动能(k/U2ref)200
9.3.4流场结构201
9.3.5污染物扩散201

第10章不同温度层结对LNG蒸气扩散影响204
10.1数值模拟205
10.1.1计算域设置206
10.1.2边界条件设置207
10.2数值模拟有效性分析209
10.2.1边界条件209
10.2.2验证结果分析210
10.3不同稳定度对LNG扩散的影响212
10.3.1垂直分布213
10.3.2水平分布217
10.4结论218

参考文献219