第1章  流體力學基礎 1
1.1  流體力學基本概念 2
1.1.1  連續介質的模型 2
1.1.2  流體的基本性質 2
1.1.3  作用在流體上的力 3
1.1.4  研究流體運動方法 4
1.2  流體運動的基本概念 5
1.2.1  層流流動與紊流流動 5
1.2.2  有旋流動與無旋流動 5
1.2.3  聲速與馬赫數 6
1.2.4  膨脹波與激波 6
1.3  附面層理論 7
1.3.1  附面層概念及附面層厚度 7
1.3.2  附面層微分方程 8
1.4  流體運動及換熱的多維方程組 8
1.4.1  物質導數 8
1.4.2  不同形式的N-S方程 9
1.4.3  能量方程與導熱方程 11
1.5  湍流模型 11
1.6  計算網格與邊界條件 14
1.6.1  計算網格 14
1.6.2  邊界條件 14
第2章  流體流動分析軟件概述 16
2.1  CFD軟件簡介 17
2.1.1  CFD軟件結構 17
2.1.2  CFD基本模型 18
2.1.3  常用的CFD商用軟件 21
2.2  Fluent軟件介紹 23
2.2.1  Fluent的軟件結構 23
2.2.2  Fluent的功能及特點 24
2.3  Fluent的繫統要求和啟動 26
2.3.1  繫統要求 26
2.3.2  Fluent軟件的啟動 26
2.4  Fluent的功能特點和分析過程 29
2.4.1  數值算法 29
2.4.2  物理模型 30
2.4.3  Fluent的應用 33
2.4.4  Fluent的分析過程 33
第3章  創建幾何模型 35
3.1  啟動DesignModeler 36
3.2  DesignModeler圖形界面 37
3.2.1  圖形界面介紹 37
3.2.2  菜單欄 38
3.2.3  工具欄 39
3.2.4  信息欄 39
3.2.5  鼠標操作 40
3.2.6  選擇過濾器 40
3.2.7  單選 40
3.2.8  框選 41
3.3  繪制草圖 41
3.3.1  設置單位 41
3.3.2  繪圖平面 42
3.3.3  草圖工具箱 43
3.4  三維建模 46
3.4.1  擠出特征 46
3.4.2  旋轉特征 49
3.4.3  掃掠特征 50
3.4.4  蒙皮/放樣 51
3.4.5  薄/表面 51
3.4.6  固定半徑圓角 52
3.4.7  變量半徑圓角 53
3.4.8  頂點圓角 53
3.4.9  倒角 54
3.4.10  模式 54
3.4.11  幾何體轉換 55
3.4.12  布爾運算 60
3.4.13  切片 61
3.4.14  單一幾何體 63
3.5  概念建模 63
3.5.1  來自點的線 64
3.5.2  草圖線 64
3.5.3  邊線 64
3.5.4  曲線 65
3.5.5  分割邊 65
3.5.6  邊表面 66
3.5.7  草圖表面 67
3.5.8  面表面 67
3.6  橫截面 68
3.6.1  創建橫截面 68
3.6.2  將橫截面賦給線體 68
3.7  凍結和解凍 69
第4章  劃分網格 70
4.1  網格生成技術 71
4.1.1  常用的 71
4.1.2  網格生成方法分類 71
4.1.3  網格類型的選擇 73
4.1.4  網格質量 74
4.2  Meshing網格劃分模塊 75
4.2.1  網格劃分步驟 75
4.2.2  分析類型 75
4.3  全局網格控制 76
4.3.1  尺寸 76
4.3.2  全局尺寸調整 77
4.3.3  質量 78
4.3.4  高級尺寸功能 79
4.4  局部網格控制 80
4.4.1  局部尺寸調整 80
4.4.2  接觸尺寸 82
4.4.3  加密 82
4.4.4  面網格剖分 83
4.4.5  匹配控制 84
4.4.6  收縮控制 85
4.4.7  膨脹 85
4.5  網格工具 86
4.5.1  生成網格 86
4.5.2  截面 86
4.5.3  命名選擇 88
4.6  網格劃分方法 88
4.6.1  自動劃分方法 88
4.6.2  四面體 89
4.6.3  掃掠 91
4.6.4  多區域 91
第5章  Fluent軟件的操作使用 93
5.1  Fluent的操作界面 94
5.1.1  Fluent啟動界面 94
5.1.2  Fluent圖形用戶界面 94
5.2  Fluent對網格的基本操作 97
5.2.1  導入和檢查網格 97
5.2.2  顯示和修改網格 100
5.3  選擇Fluent求解器及運行環境 105
5.3.1  Fluent求解器的比較與選擇 105
5.3.2  Fluent計算模式的選擇 106
5.3.3  Fluent運行環境的選擇 106
5.3.4  Fluent的基本物理模型 107
5.3.5  Fluent的材料定義 112
5.4  設置Fluent的邊界條件 113
5.5  設置Fluent的求解參數 125
第6章  Fluent高級應用 127
6.1  UDF概述 128
6.1.1  UDF基礎知識 128
6.1.2  UDF能夠解決的問題 128
6.1.3  UDF宏 128
6.1.4  UDF的預定義函數 130
6.1.5  UDF的編寫 134
6.2  UDS基礎知識 135
6.3  並行計算 137
6.3.1  開啟並行求解器 137
6.3.2  使用並行網絡工作平臺 137
6.3.3  分割網格 138
6.3.4  檢測並提高並行性能 141
第7章  二維流動和傳熱的數值模擬 143
（ 視頻講解：20分鐘）
7.1  三角形腔體內層流流動 144
7.1.1  創建幾何模型 144
7.1.2  劃分網格及邊界命名 145
7.1.3  分析設置 146
7.1.4  求解設置 148
7.1.5  求解 150
7.1.6  查看求解結果 150
7.2  二維三通管內流體的流動分析 151
7.2.1  導入Mesh文件 152
7.2.2  計算模型的設定 152
7.2.3  求解設置 156
7.2.4  查看求解結果 157
第8章  三維流動和傳熱的數值模擬 161
（ 視頻講解：26分鐘）
8.1  混合器流動和傳熱的數值模擬 162
8.1.1  導入Mesh文件 162
8.1.2  計算模型的設定 162
8.1.3  求解設置 168
8.1.4  後處理 169
8.2  三維流-固耦合散熱模擬 175
8.2.1  導入Mesh文件 175
8.2.2  計算模型的設定 175
8.2.3  求解設置 180
8.2.4  後處理 180
第9章  多相流模型 184
（ 視頻講解：42分鐘）
9.1  Fluent中的多相流模型 185
9.1.1  VOF模型 185
9.1.2  Mixture模型 186
9.1.3  Eulerian模型 186
9.2  水油混合物T形管流動模擬
實例 187
9.2.1  導入Mesh文件 187
9.2.2  計算模型的設定 187
9.2.3  求解設置 189
9.2.4  查看求解結果 189
9.2.5  歐拉模型求解設置 190
9.2.6  查看歐拉模型求解結果 191
9.3  VOF模型倒酒實例 191
9.3.1  創建幾何模型 192
9.3.2  劃分網格及邊界命名 194
9.3.3  分析設置 196
9.3.4  求解設置 201
9.3.5  求解 203
9.3.6  查看求解結果 204
第10章  湍流分析 206
（ 視頻講解：18分鐘）
10.1  湍流模型概述 207
10.1.1  單方程（spalart-allmaras）
模型 207
10.1.2  標準k~ε模型 208
10.1.3  重整化群（RNG）k~ε模型 208
10.1.4  可實現k~ε模型 209
10.1.5  k-epsilon（2 eqn）模型 210
10.1.6  k-omega（2 eqn）模型 211
10.1.7  轉捩 k-kl-omega（3 eqn）
模型 211
10.1.8  轉捩SST（4 eqn）模型 211
10.1.9  雷諾應力（RSM-5 eqn）模型 212
10.1.10  尺度自適應（SAS）模型 213
10.1.11  分離渦模擬（DES）模型 213
10.1.12  大渦模擬 213
10.2  混合彎頭中的流體流動和傳熱 213
10.2.1  創建幾何模型 214
10.2.2  劃分網格及邊界命名 219
10.2.3  分析設置 222
10.2.4  求解設置 227
10.2.5  求解 230
10.2.6  查看求解結果 231
第11章  可動區域中流動問題的模擬 232
（ 視頻講解：26分鐘）
11.1  無旋轉坐標繫的三維旋轉流動 233
11.1.1  導入Mesh文件 233
11.1.2  計算模型的設定過程 233
11.1.3  模型初始化 239
11.1.4  迭代計算 239
11.1.5  Fluent自帶後處理 240
11.2  單一旋轉坐標繫中三維旋轉
流動 242
11.2.1  利用Fluent導入Case文件 242
11.2.2  Ω=ω/2渦動模型的修改和
計算 243
11.2.3  Ω=ω渦動模型的修改和計算 246
11.3  滑移網格實例分析—十字攪拌器
流場模擬 248
11.3.1  導入Mesh文件 248
11.3.2  計算模型的設定 249
11.3.3  求解設置 251
11.3.4  後處理 251
第12章  動網格模型的模擬 253
（ 視頻講解：47分鐘）
12.1  動網格模型概述 254
12.2  用動網格方法模擬隧道中兩車
相對行駛的流場 255
12.2.1  創建幾何模型 255
12.2.2  劃分網格及邊界命名 256
12.2.3  分析設置 258
12.2.4  模型初始化 261
12.2.5  迭代計算 262
12.2.6  Fluent自帶後處理 263
12.3  三維活塞在汽缸中的運動模擬
實例 264
12.3.1  導入Mesh文件 264
12.3.2  計算模型的設定 265
12.3.3  求解設置 268

12.3.4  查看求解結果 269
12.4  動網格小球落水模擬 270
12.4.1  創建幾何模型 270
12.4.2  劃分網格及邊界命名 271
12.4.3  分析設置 272
12.4.4  求解設置 278
12.4.5  求解 279
12.4.6  查看求解結果 279
第13章  物質運輸和有限速率化學反應
模型模擬 282
（ 視頻講解：30分鐘）
13.1  有限速率化學反應 283
13.1.1  化學反應模型概述 283
13.1.2  有限速率化學反應的設置 286
13.2  預混燃燒模型實例—乙炔-氧
燃燒 289
13.2.1  創建幾何模型 289
13.2.2  劃分網格及邊界命名 290
13.2.3  分析設置 291
13.2.4  求解設置 295
13.2.5  求解 296
13.2.6  查看求解結果 297
13.3  乙烷燃燒模擬實例 299
13.3.1  利用Fluent求解器求解 299
13.3.2  采用變比熱容的解法 308
13.3.3  後處理 310

computational fluid dynamics（簡稱CFD，計算流體動力學），用離散化的數值方法和計算機對流體無黏繞流和黏性流動進行數值模擬和分析。無黏繞流包括低速流、跨聲速流、超聲速流等；黏性流動包括湍流、邊界層流動等。計算流體力學是計算力學的一個分支，是為彌補理論分析方法的不足，於20世紀60年代發展起來的，並相應地形成了各種數值解法，主要有限差分法法。流體力學運動偏微分方程有橢圓型、拋物型、雙曲型和混合型等，所以計算流體力學很大程度上就是針對不同性質的偏微分方程采用和發展相應的數值解法。
實驗研究、理論分析方法和數值模擬是研究流體運動規律的3種基本方法，它們的發展是相互依賴、相互促進的。計算流體力學的興起促進了流體力學的發展，改變了流體力學研究工作的狀況，很多原來認為很難解決的問題，如超聲速、高超聲速鈍體繞流、分離流以及湍流問題等，現在對這些問題的分析研究都有了不同程度的發展，而且將為流體力學研究工作提供新的發展前景。
計算流體力學的興起促進了實驗研究和理論分析方法的發展，為簡化流動模型的創建提供了更多的依據，使很多分析方法得到了發展和完善。然而，更重要的是計算流體力學采用它獨有的、新的研究方法—數值模擬方法，研究流體運動的基本物理特性，其特點如下。
（1）給出流體運動區域內的離散解，而不是解析解，這區別於一般理論分析方法。
（2）它的發展與計算機技術的發展直接相關。這是因為模擬的流體運動的復雜程度、解決問題的廣度，都與計算機運算速度、內存等直接相關。
（3）若物理問題的數學提法（包括數學方程及其相應的邊界條件）是正確的，則可在較廣泛的流動參數（如馬赫數、雷諾數、模型尺度等）範圍內研究流體力學問題，且能給出流場參數的定量結果。
以上這些是風洞實驗和理論分析難以做到的，因此要創建正確的數學方程還必須與實驗研究相結合。另外，嚴格的穩定性分析、誤差估計和收斂性理論的發展還跟不上數值模擬的發展。所以在計算流體力學中，仍必須依靠一些較簡單的、線性化的、與原問題有密切關繫的模型方程的嚴格數學分析，給出所求解問題數值解的理論依據。依靠數值實驗、地面實驗和物理特性分析，驗證計算方法的可靠性，從而進一步改進計算方法。
Fluent是目前國際上比較流行的商用CFD軟件包，在美國的市場占有率為60%。與流體、熱傳遞和化學反應等有關的行業均可使用它。它具有豐富的物理模型、先進的數值計算方法和強大的前後處理功能，在航空航天、汽車設計、石油、天然氣、渦輪機設計等方面都有著廣泛的應用。例如，在石油、天然氣工業上的應用就包括燃燒、井下分析、噴射控制、環境分析、油氣消散與聚積、多相流、管道流動等。另外，通過Fluent提供的用戶自定義函數可以改進和完善模型，從而處理更加個性化的問題。
一、編寫目的
鋻於Fluent的強大功能，我們力圖編寫一本著重介紹Fluent實際工程應用的書籍。不求事無巨細地將Fluent知識點全面講解清楚，而是根據工程需要，將Fluent大體知識脈絡作為線索，以實例作為“抓手”，幫助讀者掌握利用Fluent進行工程分析的基本技能和技巧。
二、本書內容及特點
本書全面介紹了通過Fluent中文版進行流場分析的各種功能和基本操作方法。全書共13章，第1～2章介紹流體力學基礎和流體流動分析軟件，第3～6章介紹DesignModeler、Meshing、Fluent軟件的使用操作，第7～13章結合實例介紹Fluent中常用的計算模型及其在求解流體和傳熱等工程問題中的方法。
三、本書的配套資源
本書提供了極為豐富的學習配套資源，可以幫助讀者在最短的時間內學會並掌握書中介紹的技術。讀者可掃描封底的“文泉雲盤”二維碼，以獲取下載方式。
1．15集同步教學視頻
針對本書實例，專門制作了15集配套教學視頻，讀者可像看電影一樣輕松愉悅地學習本書內容，然後對照課本加以實踐和練習，可以大大提高學習效率。
2．15個綜合實戰案例精講視頻，長達200分鐘
為了幫助讀者拓展視野，電子資源中額外贈送了15分析綜合實戰案例（涵蓋Ansys、Patran和Nastran）及其配套的源文件和精講課堂視頻，學習時長達200分鐘。
3．全書實例的源文件和素材
本書附帶了很多實例，光盤中包含實例和練習實例的源文件和素材，讀者可以安裝Fluent 2022軟件，打開並使用。
四、關於本書的服務
1．Fluent安裝軟件的獲取
按照本書的實例進行操作練習，需要事先在計算機上安裝Fluent軟件。讀者可以登錄Ansys官方網站購買Fluent安裝軟件，或者使用其試用版。
2．關於本書的技術問題或有關本書信息的發布
讀者如果遇到有關本書的技術問題，可以掃描封底“文泉雲盤”二維碼查看是否已發布相關勘誤/  解疑文檔。如果沒有，可在頁面下方找到加群方式聯繫我們，我們會盡快回復。
3．關於手機在線學習
讀者可掃描書後的刮刮卡（需刮開塗層）二維碼，以獲取書中二維碼的讀取權限，再掃描書中二維碼，可在手機中觀看對應的教學視頻，以充分利用碎片化時間，取得較好的學習效果。需要強調的是，書中給出的是實例的重點步驟，詳細操作過程還需讀者通過視頻來學習並領會。
五、關於作者
本書由華東交通大學的曾建邦和同濟大學的單豐武兩位老師編寫，其中曾建邦執筆編寫了第1～8章，單豐武執筆編寫了第9～13章。本書在編寫過程中雖力求盡善盡美，但由於作者能力有限，書中難免存在不妥之處，請廣大讀者提出建議或意見。

六、致謝
在本書的寫作過程中，編輯賈小紅和艾子琪女士給予了很多的幫助和支持，提出了很多中肯的建議，在此表示感謝。同時，還要感謝清華大學出版社的所有編輯人員為本書的出版所付出的辛勤勞動。本書的成功出版是大家共同努力的結果，謝謝所有給予支持和幫助的人們。

編  者