上篇基礎篇

第1章緒論3

1.1流體力學的研究方法3

1.2計算流體力學的應用及前景分析4



第2章計算流體力學基礎知識6

2.1流體的基本特性6

2.1.1理想流體與黏性流體6

2.1.2牛頓流體與非牛頓流體7

2.1.3流體熱傳導及擴散7

2.1.4可壓流體與不可壓流體8

2.1.5定常流動與非定常流動8

2.1.6層流與湍流8

2.2流體力學的控制方程9

2.2.1質量守恆方程9

2.2.2動量守恆方程10

2.2.3能量守恆方程11

2.2.4組分質量守恆方程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守恆型控制方程與非守恆型控制方程15

2.3CFD工作原理16

2.3.1計算流程16

2.3.2建立控制方程16

2.3.3確定邊界條件與初始條件17

2.3.4劃分計算網格17

2.3.5建立離散方程17

2.3.6離散初始條件和邊界條件18

2.3.7給定求解控制參數18

2.3.8求解離散方程18

2.3.9判斷解的收斂性19

2.3.10顯示和輸出計算結果19



第3章湍流模型20

3.1湍流及其數學描述20

3.1.1湍流流動的特征20

3.1.2湍流的基本方程21

3.2湍流的數值模擬方法23

3.2.1湍流數值模擬方法的分類23

3.2.2直接數值模擬法24

3.2.3大渦模擬法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標準k-ε二方程模型28

3.4.1標準k-ε模型28

3.4.2標準k-ε模型的有關計算公式28

3.4.3標準k-ε模型的控制方程組30

3.4.4標準k-ε模型方程的解法及適用性30

3.5改進型k-ε模型31

3.5.1RNG k-ε模型31

3.5.2Realizable k-ε模型32

3.6在近壁區使用k-ε模型的問題及對策34

3.6.1近壁區流動的特點34

3.6.2在近壁區使用k-ε模型的問題36

3.6.3壁面函數法36

3.6.4低雷諾數k-ε模型39

3.7Reynolds應力方程模型40

3.7.1Reynolds應力輸運方程40

3.7.2RSM的控制方程組及其解法44

3.7.3對RSM適用性的討論45

3.8大渦模擬46

3.8.1大渦模擬的基本思想46

3.8.2大渦運動方程46

3.8.3亞格子尺度應力模型48

3.8.4LES控制方程的求解48



第4章控制方程的離散50

4.1離散化概述50

4.1.1離散化的目的50

4.1.2離散時所使用的網格51

4.1.3常用的離散化方法51

4.2有限體積法及其網格52

4.2.1有限體積法的基本思想52

4.2.2有限體積法的區域離散53

4.3一維穩態問題的有限體積法54

4.3.1問題的描述55

4.3.2生成計算網格55

4.3.3建立離散方程55

4.3.4求解離散方程58

4.4常用的離散格式64

4.4.1問題描述64

4.4.2中心差分格式65

4.4.3一階迎風格式67

4.4.4混合格式71

4.4.5指數格式73

4.4.6乘方格式74

4.5高階離散格式74

4.5.1二階迎風格式74

4.5.2QUICK格式76

4.6各種離散格式的性能對比81



第5章流場數值計算83

5.1流場數值解法概述83

5.1.1常規解法存在的主要問題83

5.1.2流場數值計算的主要方法84

5.2交錯網格技術87

5.2.1普通網格87

5.2.2交錯網格88

5.2.3動量方程的離散90

5.3流場計算的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壓力修正方程97

5.3.4SIMPLE算法的計算步驟98

5.3.5SIMPLE算法的討論99

5.4改進的SIMPLE算法100

5.4.1SIMPLEC算法101

5.4.2PISO算法102

5.5瞬態問題的數值計算105

5.5.1瞬態問題的SIMPLE算法105

5.5.2瞬態問題的PISO算法106



下篇應用篇

第6章大氣邊界層與大氣擴散111

6.1大氣污染物的彌散過程、大氣湍流擴散111

6.1.1大氣污染物的彌散過程111

6.1.2大氣湍流113

6.1.3湍流擴散116

6.1.4大氣擴散狀態與氣像條件的關繫117

6.2大氣邊界層118

6.2.1大氣邊界層的一般特點和分裝118

6.2.2大氣邊界層的運動及能量和物質的垂直運輸121

6.2.3近地面層126

6.2.4不穩定大氣邊界層141

6.2.5混合層發展的簡化模式147

6.2.6穩定大氣邊界層149



第7章不同溫度層結下建築物周圍流場影響161

7.1數值模擬162

7.1.1邊界條件162

7.1.2不同溫度層結實現164

7.2結果分析與比較164

7.2.1建築物對流場的影響165

7.2.2建築物對湍流的影響167

7.3結論168



第8章不同溫度層結下山體對流場與污染物擴散影響170

8.1數值模擬172

8.1.1湍流模型173

8.1.2邊界條件173

8.2結果分析與比較175

8.2.1流場結構175

8.2.2湍流結構179

8.2.3濃度場分析179

8.3結論184



第9章規則建築群中流動和污染物擴散的研究185

9.1模擬描述187

9.1.1幾何描述187

9.1.2計算域和網格187

9.1.3邊界條件189

9.2模型有效性分析190

9.2.1MUST現場實驗描述190

9.2.2模擬設置192

9.2.3統計學分析192

9.3結果分析195

9.3.1縱向速度(u/Uref)196

9.3.2垂直速度(w/Uref)199

9.3.3湍流動能(k/U2ref)200

9.3.4流場結構201

9.3.5污染物擴散201



第10章不同溫度層結對LNG蒸氣擴散影響204

10.1數值模擬205

10.1.1計算域設置206

10.1.2邊界條件設置207

10.2數值模擬有效性分析209

10.2.1邊界條件209

10.2.2驗證結果分析210

10.3不同穩定度對LNG擴散的影響212

10.3.1垂直分布213

10.3.2水平分布217

10.4結論218



參考文獻219

流體流動與傳熱現像廣泛存在於自然界與許多工程領域。繼理論分析、實驗研究之後，計算流體力學（Computational Fluid Dynamics，CFD）已經成為研究流動與傳熱問題的一種重要技術方法。經過多年的發展，CFD已成為流體科學領域中一門新興的獨立學科，它建立在理論流體力學與數值計算的基礎之上，通過對流動與傳熱等物理現像進行模擬分析，從而解決各種復雜的流動問題。近年來，隨著計算機技術的快速發展，CFD廣泛應用於與流動現像有關的學科及工程領域。

CFD軟件早於20世紀70年代在美國推出，近幾年在我國國內得到廣泛應用。CFD軟件在水利、航空、建築、能源、氣像、環境、海洋、流體工程等許多行業得到成功應用，成為解決各種流體流動與傳熱問題的重要工具。目前，掌握和熟練使用CFD成為現代科研人員和工程技術人員從事有關行業工作所需要的一項重要技能；同時，隨著各類商用CFD軟件的廣泛應用，考慮各行業發展特點，迫切需要有關介紹CFD理論知識與行業應用的參考書。

本書以CFD的應用為主線，重點介紹了CFD在大氣環境領域中應用的基本理論，並用實例對CFD在大氣環境領域中的應用進行詳細驗證及分析。全書分上下兩篇，共10章：上篇為基礎篇（第1章～第5章），主要介紹了計算流體力學的基礎知識、湍流模型、控制方程的離散、流場數值計算等；下篇為應用篇（第6章～第10章），主要介紹了大氣邊界層與大氣擴散、CFD在大氣邊界層中應用實例等。本書具有專業性強、應用範圍廣的特點，可供航空航天、動力工程、建築、水利及環境領域的科研人員、工程技術人員和管理人員參考，也可供高等學校環境科學與工程、大氣科學、氣像學、海洋科學與工程及相關專業的師生參閱 。

本書由郭棟鵬著。另外，中國輻射防護研究院史學峰副研究員對本書進行了全面審閱，並提出了很多寶貴的意見，太原理工大學黃曉慧參與了本書的編排和校對工作，同時本書得到了中國輻射防護研究院姚仁太研究員的大力支持，化學工業出版社對本書的策劃和組織開展了大量工作，在此一並致謝！

限於著者水平及時間，書中存在不足和疏漏之處在所難免，敬請讀者提出修改建議。



著者

2020年6月