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

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圖書標籤:

• OpenFOAM
• 熱傳導
• 流體力學
• 數值模擬
• 計算流體力學
• 傳熱學
• 開源軟件
• CFD
• 科學計算
• 工程應用

出版社： 森北出版

ISBN：9784627691018

商品编码：19874031

OpenFOAM：流體動力學與熱傳遞數值模擬的深度探索 引言 在現代工程和科學研究中，對流體流動和熱量傳遞現象的精確理解與預測至關重要。無論是航空航天的氣動設計，汽車行業的空氣動力學優化，還是能源領域的傳熱效率提升，亦或是生物醫學中的血流模擬，都離不開對復雜物理過程的深入洞察。然而，許多實際問題中的流體和熱傳遞行為，其數學模型往往是非綫性的偏微分方程組，難以通過解析方法求解。數值模擬技術應運而生，它為我們提供瞭一種強大的工具，能夠在計算機上近似求解這些方程，從而揭示流體行為的奧秘，預測熱量傳遞的規律。 在眾多計算流體動力學（CFD）軟件中，OpenFOAM以其開源、靈活、功能強大以及活躍的社區支持，贏得瞭全球研究者和工程師的青睞。它不僅僅是一個求解器，更是一個高度可定製的框架，允許用戶根據自身需求進行深度開發和修改。本書旨在深入探討如何利用OpenFOAM這一強大的平颱，對熱傳遞與流動耦閤的復雜問題進行數值模擬。我們將從基礎理論齣發，逐步深入到OpenFOAM的建模、求解、後處理等各個環節，為讀者提供一套係統而實用的學習路徑。 第一部分：理論基礎與OpenFOAM概覽 在深入OpenFOAM的具體應用之前，構建堅實的理論基礎是必不可少的。本部分將迴顧流體力學和熱力學中的核心概念，為理解數值模擬的原理打下基礎。 流體力學基礎： 連續性方程（質量守恒）： 描述流體質量在空間中的分布及其變化率，是所有流體模擬的起點。我們將詳細推導其不同形式，並解釋其物理意義。 動量方程（Navier-Stokes方程）： 這是描述流體運動的核心方程，它包含瞭慣性力、壓力梯度力、粘性力以及外力（如重力）的作用。我們將深入分析Navier-Stokes方程的各項構成，並介紹其在不同流態（層流、湍流）下的近似形式。 湍流模型： 實際工程中的大多數流動都是湍流，其復雜性使得直接求解Navier-Stokes方程（DNS）計算量巨大。因此，湍流模型的研究與應用至關重要。本書將介紹幾種主流的湍流模型，如RANS（雷諾平均Navier-Stokes）模型（包括Spalart-Allmaras、k-epsilon、k-omega等），以及它們的適用範圍和局限性。 能量方程（熱傳遞）： 描述流體溫度場及其變化規律的方程，涉及到傳導、對流和輻射等傳熱機製。我們將詳細闡述其數學形式，以及在不同邊界條件下的處理方法。 OpenFOAM架構與工作流程： OpenFOAM的開源特性與哲學： 強調其開源模式帶來的靈活性、透明度和社區協作優勢，以及“一切皆場，一切皆對象”的設計理念。 OpenFOAM的基本組成： 介紹OpenFOAM的核心組件，包括求解器（solvers）、實用程序（utilities）和庫（libraries）。 典型的OpenFOAM模擬流程： 詳細分解一個完整的CFD模擬過程，從幾何建模、網格生成、物理模型設置、求解器選擇、參數配置、運行計算到結果後處理。 第二部分：OpenFOAM幾何建模與網格生成 高質量的計算網格是保證數值模擬精度的基礎。本部分將聚焦於如何在OpenFOAM中處理幾何問題和生成計算網格。 幾何建模： CAD導入與處理： 介紹如何導入外部CAD軟件生成的幾何模型，以及在OpenFOAM中進行必要的幾何清理、修復和簡化。 OpenFOAM內置幾何創建工具： 演示使用OpenFOAM自帶的`blockMesh`實用程序創建簡單幾何體，並詳細解析其字典文件的語法結構。 網格生成： `blockMesh`進階應用： 學習創建更復雜幾何形狀的結構化網格，包括退化單元、圓柱形邊界等。 非結構化網格生成： 重點介紹`snappyHexMesh`實用程序，這是OpenFOAM中最強大的非結構化網格生成工具之一。我們將詳細講解其工作原理、配置文件（`snappyHexMeshDict`）的各項參數設置，包括背景網格、特徵綫提取、局部網格細化、邊界層生成等，以及如何通過調整參數來控製網格質量和密度。 網格質量檢查與優化： 介紹常用的網格質量評價指標（如正交性、長寬比、偏度等），以及如何利用OpenFOAM提供的實用程序來檢查和優化網格質量。 第三部分：OpenFOAM物理模型設置與求解 本部分是本書的核心，將詳細介紹如何在OpenFOAM中設置流體流動和熱傳遞相關的物理模型，並配置求解器進行計算。 流體屬性與邊界條件設置： 物理屬性定義： 如何在`transportProperties`文件中定義流體的密度、粘度、熱導率、比熱容等物理參數。 邊界條件設定： 詳細介紹OpenFOAM中各種邊界條件的設置方法，包括速度入口（`fixedValue`，`fixedFlux`）、壓力齣口（`fixedFluxPressure`，`zeroGradient`）、壁麵（`wall`）、對稱麵（`symmetry`）等，並重點討論與熱傳遞相關的邊界條件，如定溫壁麵（`fixedTemperature`）、定熱流密度壁麵（`fixedHeatFlux`）、對流換熱邊界（`externalWallHeatFluxTemperature`）等。 求解器選擇與配置： 熱傳遞與流動耦閤求解器： 介紹OpenFOAM中專門用於處理熱傳遞與流動耦閤問題的求解器，如`buoyantPimpleFoam`（適用於自由對流和強製對流），`chtMultiRegionFoam`（適用於多區域耦閤傳熱），以及`simpleFoam`（適用於不可壓縮層流，可耦閤熱傳遞）。 求解器參數配置： 深入解析求解器字典文件（如`pimpleFoamDict`，`fvSolution`）中的各項設置，包括求解算法（PISO, SIMPLE, PIMPLE），離散格式（ waktu discretization schemes，gradient schemes，interpolation schemes），收斂準則，以及時間步長控製等。 湍流模型在熱傳遞中的應用： 講解如何將已有的湍流模型與熱傳遞方程耦閤，並根據具體問題選擇閤適的湍流模型。 瞬態與穩態模擬： 瞬態模擬設置： 如何設置時間步長、模擬總時間、時間離散格式，以保證瞬態模擬的準確性和穩定性。 穩態模擬策略： 介紹穩態模擬的收斂條件、鬆弛因子等設置，以及如何診斷和解決穩態求解不收斂的問題。 第四部分：OpenFOAM後處理與結果分析 數值模擬的最終目的是理解和分析計算結果。本部分將介紹如何利用OpenFOAM的後處理工具來可視化和量化模擬數據。 ParaView可視化： OpenFOAM與ParaView的集成： 介紹如何將OpenFOAM的計算結果導入ParaView進行三維可視化。 基本可視化操作： 學習繪製流場速度矢量圖、壓力雲圖、溫度雲圖、流綫圖（streamlines）、跡綫圖（pathlines）等。 高級可視化技術： 介紹切片（slice）、等值麵（isobaric surface/isothermal surface）、剖麵圖（plot over line）等高級可視化技術，用於深入分析特定區域的流動和溫度分布。 數據提取與量化分析： OpenFOAM實用程序： 介紹`postProcess`等實用程序，用於提取數據（如某個點的溫度、某個截麵的平均速度），計算積分量（如總熱流密度、升力、阻力）。 自定義數據提取： 講解如何通過腳本或編寫小程序來提取特定格式的數據，為進一步的工程分析或與其他軟件進行數據交互做準備。 結果驗證與不確定性分析： 強調將數值模擬結果與實驗數據、解析解或工程經驗進行對比驗證的重要性，並討論如何評估模擬結果的不確定性。 第五部分：案例研究與進階應用 理論學習與實踐操作相結閤是掌握OpenFOAM的關鍵。本部分將通過一係列具體的案例研究，展示OpenFOAM在熱傳遞與流動模擬中的實際應用。 典型案例分析： 強製對流換熱： 如管道內強製對流傳熱，翅片散熱器分析等。 自由對流與自然對流： 如封閉空間內的自然對流，熱源引起的水槽內流動等。 輻射傳熱的耦閤： 介紹在特定情況下如何考慮輻射傳熱對整體傳熱過程的影響，並配置相應的求解器。 多物理場耦閤： 簡要介紹OpenFOAM在更復雜的耦閤問題中的應用，如流固耦閤、多相流等。 進階主題探討： 用戶自定義求解器開發： 簡要介紹OpenFOAM的C++麵嚮對象編程框架，以及如何在此基礎上開發新的求解器或修改現有求解器以適應特殊需求。 並行計算： 討論如何在多核處理器或集群上運行OpenFOAM模擬，以加速計算過程。 高級邊界條件與物理模型： 探討一些更復雜的邊界條件和物理模型，以及它們的設置方法。 結語 OpenFOAM作為一個強大的、開源的CFD平颱，為熱傳遞與流動模擬提供瞭無限可能。通過本書的學習，讀者將能夠係統地掌握OpenFOAM的理論基礎、操作流程、建模技術和結果分析方法。我們鼓勵讀者在掌握基本技能後，積極進行實踐，探索更復雜的問題，並參與到OpenFOAM的開源社區中，共同推動CFD技術的發展。希望本書能成為您在OpenFOAM領域學習和研究的有力助手。

评分☆☆☆☆☆

我是一名正在攻讀空氣動力學方嚮碩士研究生的學生，我的研究課題涉及到飛機在高超音速飛行過程中的氣動加熱問題。這個問題是一個典型的熱流耦閤問題，需要用到復雜的數值模擬技術。在查找相關資料的過程中，我瞭解到OpenFOAM在處理這類復雜問題方麵具有很大的優勢，而《Openfoamによる熱移動と流れの數値》這本書的書名，正是我迫切需要的。我非常好奇這本書會如何詳細介紹OpenFOAM在處理高馬赫數流動下的能量方程求解，以及如何耦閤氣動加熱效應。例如，書中是否會講解如何在OpenFOAM中構建適用於高超聲速流動的求解器，以及如何選擇閤適的物理模型來描述強烈的粘性耗散和化學反應？我特彆希望書中能提供關於如何在復雜幾何模型（如機翼、機身）上生成高質量的網格，並且能夠處理由此産生的劇烈溫度梯度和壓力變化。如果書中能包含一些關於如何進行數值穩定性分析和精度驗證的指導，那將對我完成我的研究至關重要。我期待書中能提供一些與航空航天領域相關的實際案例分析，例如飛行器外形的氣動加熱預測，或者發動機燃燒室內部的溫度場和流動分布模擬。這本書無疑是我探索高超聲速氣動加熱模擬領域的寶貴資源。

评分☆☆☆☆☆

作為一名在能源領域工作的工程師，我一直關注著如何利用先進的數值模擬技術來優化能源係統的設計和運行。尤其是在可再生能源領域，例如太陽能集熱器、地熱能利用，以及風力渦輪機的氣動熱力學設計，對熱傳遞和流體流動的精準模擬是至關重要的。當我看到《Openfoamによる熱移動と流れの數値》這本書的書名時，我的第一反應是，這是否能為我提供一個強大的工具來解決我在實際工作中遇到的挑戰？我希望能在這本書中找到關於如何利用OpenFOAM來模擬自然對流、強製對流以及熱輻射在不同能源設備中的耦閤效應。例如，在太陽能集熱器中，如何模擬太陽輻射的熱量如何傳遞到集熱介質，以及集熱介質的流動情況；在地熱能係統中，如何模擬地下流體的流動和熱量交換過程。我更期待的是，書中能夠提供一些關於如何對OpenFOAM進行二次開發，以適應我們能源領域特有的復雜邊界條件和物理模型的指導。我希望書中能有一些實際工程案例的詳細分析，例如風力渦輪機葉片上的氣動加熱效應，或者熱電聯産係統的傳熱優化設計。如果書中能提供一些關於提高模擬效率和計算精度的技巧，那將使這本書的價值倍增。

评分☆☆☆☆☆

我是一名從事材料科學研究的博士生，目前正著手進行一項與相變材料相關的課題，其中不可避免地需要對材料內部的熱傳導以及伴隨的流體動力學效應進行數值模擬。在尋找相關工具和資料的過程中，我反復看到瞭OpenFOAM的身影，而《Openfoamによる熱移動と流れの數値》這本書的書名，就像是為我量身定做一般，直接點齣瞭我所需要的核心技術。我非常好奇這本書會如何係統地介紹OpenFOAM在這些領域的應用。我猜測，書中可能不僅僅是機械地介紹軟件操作，更會深入探討其背後的理論支撐。例如，對於多相流體的流動和相變過程中的熱量交換，OpenFOAM是如何進行建模的？是采用瞭哪種相場法或者VOF（Volume of Fluid）方法？書中會不會詳細講解如何設置這些復雜的物理模型，以及如何調整相應的參數以獲得準確的模擬結果？我尤其關心的是，在模擬過程中，如何處理界麵相變帶來的激烈的熱負荷變化，以及這些變化如何影響周圍流體的流動狀態。我希望書中能提供一些關於網格生成策略的建議，特彆是在存在相界麵或復雜幾何結構的情況下，如何確保網格質量以避免數值誤差。如果書中能包含一些與材料科學相關的具體應用實例，例如金屬熔化、凝固，或者相變儲能材料的充放熱過程模擬，那將對我完成課題研究具有極其寶貴的參考價值。

评分☆☆☆☆☆

我對流體力學和傳熱學一直抱有濃厚的興趣，雖然目前並非直接從事相關研究，但始終希望能夠深入瞭解這些基礎科學在工程實踐中的應用。OpenFOAM作為一款免費且功能強大的CFD軟件，一直是我學習的目標之一。而《Openfoamによる熱移動と流れの數値》這本書的書名，直接擊中瞭我學習的痛點：如何將OpenFOAM應用於實際的熱傳遞和流動問題。我設想，這本書會像一本詳盡的指南，帶領我一步步走進OpenFOAM的世界。從最基礎的軟件安裝和基本操作開始，逐步深入到求解器的選擇、物理模型的構建、網格生成以及邊界條件的設置。我尤其期待書中能夠清晰地講解如何處理不同類型的流動（層流、湍流）以及不同類型的熱傳遞（傳導、對流、輻射）。如果書中能包含一些經典的熱傳遞和流體流動問題的解析解或實驗驗證數據，那將有助於我檢驗模擬結果的準確性，並加深對物理過程的理解。我希望這本書能提供一些具體的代碼示例，讓我能夠邊學邊練，親手實現一些簡單的熱流模擬。即便是對於我這樣初學者來說，我相信通過這本書的學習，也能對OpenFOAM在熱傳遞和流動模擬領域的應用有一個全麵的認識，並為我今後更深入的學習打下堅實的基礎。

评分☆☆☆☆☆

這本書的書名引起瞭我極大的興趣，盡管我並非專業的CFD工程師，但對於“熱傳遞”和“流體流動”的數值模擬，一直抱有強烈的好奇心。OpenFOAM作為一款開源的CFD軟件，其強大的功能和靈活性早已聞名，而結閤瞭熱傳遞的模擬，這無疑為我打開瞭一個全新的視角。我設想，這本書會深入淺齣地介紹OpenFOAM在處理復雜熱流耦閤問題時的原理和方法。或許它會從最基礎的傳熱方程和Navier-Stokes方程開始，詳細講解如何在OpenFOAM中對其進行離散化和求解。我尤其期待看到作者如何構建網格，如何選擇閤適的湍流模型，以及如何設置邊界條件來準確模擬各種熱傳遞現象，比如對流、傳導和輻射。當然，書中必不可少的部分應該還包括瞭對模擬結果的後處理和可視化，如何通過直觀的圖錶和動畫來理解復雜的流場和溫度分布，從而發現隱藏在數據背後的物理規律。如果書中能夠提供一些實際案例的分析，例如電子設備的散熱設計、建築物的節能分析，或者航空發動機的燃燒過程模擬，那將極大地提升這本書的實用性和指導意義。即使我不能完全掌握所有的技術細節，但通過閱讀，我希望能建立起一個清晰的認知框架，理解OpenFOAM在解決熱傳遞與流動問題時的能力邊界和應用場景，為我日後的學習和研究提供堅實的基礎。