熱工流體數(shù)值計(jì)算

隨著核能技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，核反應(yīng)堆工程領(lǐng)域內(nèi)出現(xiàn)的熱、質(zhì)傳遞的數(shù)值計(jì)算方法也得到了迅速發(fā)展。如何高效可靠地預(yù)測(cè)流體的流動(dòng)和傳熱行為，對(duì)于核能系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有重要的意義。本書(shū)的目的是使讀者全面系統(tǒng)地掌握熱工流體數(shù)值計(jì)算的基本方法。本書(shū)給出了大量具體的程序源代碼案例，解剖各種算法的核心和精髓，對(duì)于提高研究生的數(shù)值建模能力、編程分析能力及程序調(diào)試能力很有幫助。

本書(shū)首先介紹了數(shù)值計(jì)算和實(shí)驗(yàn)分析的差別，回答了為什么要學(xué)習(xí)數(shù)值計(jì)算的問(wèn)題。然后在第2章介紹偏微分方程求解的一般性的方法--有限差分法。結(jié)合各種不同類(lèi)型的偏微分方程，給出了幾個(gè)具體的例題，引領(lǐng)讀者進(jìn)入數(shù)值計(jì)算的大門(mén)。第3章，主要講述了由差分法得到的大型線性代數(shù)方程組的求解方法。在介紹一般性方法的基礎(chǔ)上，引入了幾種高效的算法，并提供源代碼供讀者測(cè)試各種算法的優(yōu)劣。第4章，主要講述了流體動(dòng)力學(xué)的方程體系。重點(diǎn)討論質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒和能量守恒得到的守恒方程的各種形式，這是流體傳熱和流動(dòng)分析的基礎(chǔ)。第5章介紹單相流動(dòng)力學(xué)方程的求解方法，介紹SIMPLE 算法和多孔介質(zhì)方法，并利用方腔頂蓋驅(qū)動(dòng)流的案例，分析SIMPLE 算法的性能。第6章和第7章主要介紹兩相流的分析模型和數(shù)值計(jì)算方法。第8章介紹核反應(yīng)堆熱工流體分析中常用的子通道分析方法。本書(shū)的附錄提供了一些分析方法的源程序代碼和利用本書(shū)介紹的方法開(kāi)發(fā)的THSWAN 程序，并提供了一些算例供讀者參考。

本書(shū)要求讀者具有一定的反應(yīng)堆熱工流體、傳熱學(xué)、流體力學(xué)的基本知識(shí)。本書(shū)作為清華大學(xué)研究生課程的教材，通過(guò)本課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生能夠得到全方位的訓(xùn)練，包括對(duì)具體問(wèn)題的數(shù)值建模能力，對(duì)FORTRAN 語(yǔ)言、C 語(yǔ)言、MATLAB 語(yǔ)言的編程能力，對(duì)各種方法的發(fā)展和創(chuàng)新能力以及對(duì)核能系統(tǒng)的綜合設(shè)計(jì)能力。

由于各種原因，書(shū)中難免還有片面、不足甚至錯(cuò)誤之處，望讀者和使用本教材的研究生提出各種寶貴意見(jiàn)。

編著者

2012年10月29日于清華園

第1章 緒論1

第2章 偏微分方程數(shù)值解法42.1 典型的偏微分方程介紹4

2.1.1 橢圓型方程4

2.1.2 拋物型方程4

2.1.3 雙曲型方程5

2.1.4 定解問(wèn)題5

2.2 差分法簡(jiǎn)介6

2.3 橢圓型方程的差分解法8

2.4 拋物型方程的差分解法10

2.5 雙曲型方程的差分解法12

第3章 線性方程組求解16

3.1 解線性方程組的直接法16

3.1.1 高斯消元法16

3.1.2 解三對(duì)角方程組的追趕法19

3.2 解線性方程組的迭代法21

3.2.1 雅可比迭代法21

3.2.2 高斯-賽德?tīng)?Gauss-Seidel)迭代法22

3.2.3 超松弛法22

3.2.4 SIP方法23

3.2.5 其他基于共軛梯度的迭代方法26

3.2.6 迭代法的收斂條件31

第4章 流體動(dòng)力學(xué)方程體系32

4.1 質(zhì)量方程33

4.2 動(dòng)量方程33

4.3 能量方程36熱工流體數(shù)值計(jì)算 "para" label-module="para">

第5章 單相流動(dòng)力學(xué)方程數(shù)值求解43

5.1 Lax-Wendroff差分格式43

5.2 MacCormack差分格式45

5.3 SIMPLE方法62

5.3.1 SIMPLE方法的思路63

5.3.2 SIMPLE方法的步驟66

5.4 用SIMPLE方法計(jì)算方腔頂蓋驅(qū)動(dòng)流67

5.5 多孔介質(zhì)法68

5.6 多孔介質(zhì)有限體積法離散方程71

5.6.1 對(duì)流項(xiàng)71

5.6.2 擴(kuò)散項(xiàng)76

5.6.3 瞬態(tài)項(xiàng)77

5.6.4 源項(xiàng)77

5.6.5 主控制體的方程78

5.6.6 動(dòng)量控制體的方程80

5.6.7 壓力方程 82

5.6.8 邊界條件 84

第6章 兩相流分析模型85

6.1 描述兩相流的物理量85

6.2 滑移速度88

6.3 SM模型89

6.4 SPM模型90

第7章 兩相流基本方程的數(shù)值求解91

7.1 一般形式的守恒方程數(shù)值求解91

7.2 連續(xù)方程的差分格式94

7.2.1 單相流和SM模型的兩相流94

7.2.2 基于SPM模型的兩相流95

7.3 動(dòng)量方程的差分格式95

7.3.1 單相流95

7.3.2 基于SM模型的兩相流97

7.3.3 基于SPM模型的兩相流100

7.4 能量方程的差分格式106

7.4.1 單相流106

7.4.2 基于SM和SPM模型的兩相流108

7.5 描述壓力分布的泊松方程109

7.5.1 單相流109

7.5.2 基于SM模型的兩相流110

7.5.3 基于SPM模型的兩相流110

7.6 壓力方程中可壓縮項(xiàng)的處理111

7.6.1 單相流和基于SM模型的兩相流111

7.6.2 基于SPM模型的兩相流112

7.7 THSWAN程序概況112

第8章 堆芯的子通道分析方法115

8.1 子通道控制體的劃分方案115

8.2 子通道間的交混117

8.3 子通道分析方法的守恒方程118

附錄A SIP.F90121

附錄B SIMPLE.F90139

附錄C THSWAN 程序使用說(shuō)明152

附錄D THSWAN 算例170

參考文獻(xiàn) 2100433B

內(nèi) 容 簡(jiǎn) 介本書(shū)主要敘述了熱工水力分析中的數(shù)值計(jì)算方法，包括偏微分方程的數(shù)值求解、線性代數(shù)方程組的求解、流體動(dòng)力學(xué)方程體系以及數(shù)值求解方法等內(nèi)容。本書(shū)的重點(diǎn)是在介紹各種數(shù)值計(jì)算方法的基礎(chǔ)上，對(duì)SIMPLE方法、多孔介質(zhì)法、子通道分析方法等進(jìn)行討論，深入算法的核心，對(duì)各種數(shù)值計(jì)算方法進(jìn)行研究。

本書(shū)可作為高等院校反應(yīng)堆工程專(zhuān)業(yè)研究生的專(zhuān)業(yè)課教材，也可供相關(guān)專(zhuān)業(yè)的工程技術(shù)人員參考。

第1章緒論

1.1流體數(shù)值計(jì)算與仿真的意義和方法

1.1.1機(jī)械管路內(nèi)流體數(shù)值計(jì)算與仿真的意義和計(jì)算流體力學(xué)

1.1.2流體力學(xué)的實(shí)驗(yàn)研究、理論分析和數(shù)值仿真

1.1.3計(jì)算機(jī)和數(shù)值計(jì)算

1.2流體數(shù)值仿真的步驟

1.3機(jī)械管路內(nèi)流體數(shù)值仿真的典型問(wèn)題

1.3.1錐形漸擴(kuò)管路內(nèi)紊流的數(shù)值仿真

1.3.2液壓管路內(nèi)過(guò)渡流的數(shù)值仿真

1.3.3液壓管路內(nèi)脈動(dòng)流的數(shù)值仿真

1.4代數(shù)多重網(wǎng)格法及其在管路內(nèi)流體數(shù)值計(jì)算與仿真中的應(yīng)用

1.5物理量的單位和量綱

第2章管路內(nèi)典型流體流動(dòng)的數(shù)學(xué)模型

2.1管路內(nèi)紊流的數(shù)學(xué)模型

2.1.1紊流基本方程

2.1.2紊流動(dòng)能k方程和紊流耗散率ε方程

2.1.3“標(biāo)準(zhǔn)”型k—ε紊流模型方程組的構(gòu)成

2.1.4近壁低Re數(shù)型k—ε紊流模型

2.1.5圓管內(nèi)紊流的k—ε模型

2.1.6DHR型與DLR型k—ε紊流模型

2.1.7“標(biāo)準(zhǔn)”型、DHR型與DLR型k—ε紊流模型的關(guān)系

2.2紊流基本方程與k—ε紊流模型的導(dǎo)出依據(jù)

2.2.1紊流連續(xù)方程

2.2.2紊流運(yùn)動(dòng)方程

2.2.3紊流能量方程

2.2.4k—ε紊流模型

2.2.5“標(biāo)準(zhǔn)”型k—ε紊流模型

2.2.6紊流方程組的封閉性

2.3管路內(nèi)非定常流的數(shù)學(xué)模型

2.3.1管路內(nèi)過(guò)渡流的數(shù)學(xué)模型

2.3.2管路內(nèi)脈動(dòng)流的數(shù)學(xué)模型

第3章網(wǎng)格生成方法

3.1網(wǎng)格生成概述

3.2BFC網(wǎng)格自動(dòng)生成方法

3.2.1BFC適體均勻網(wǎng)格自動(dòng)生成方法

3.2.2BFC適體近壁密集型徑向非均勻網(wǎng)格自動(dòng)生成方法

3.3BFC網(wǎng)格自動(dòng)生成的源程序與實(shí)例

3.3.1錐形漸擴(kuò)管路內(nèi)紊流場(chǎng)BFC網(wǎng)格自動(dòng)生成源程序及其說(shuō)明

3.3.2BFC網(wǎng)格自動(dòng)生成實(shí)例

第4章代數(shù)多重網(wǎng)格（AMG）法

4.1基本概念和術(shù)語(yǔ)

4.2—種常用的AMG法

4.2.1網(wǎng)格粗化算法及插值算子的構(gòu)造

4.2.2算法復(fù)雜度

4.2.3收斂性分析

4.2.4H—CAMG法

4.3基于AMG預(yù)條件子的預(yù)處理方法

4.4數(shù)值實(shí)驗(yàn)

第5章求解幾種典型離散系統(tǒng)的GAMG法

5.1求解二維九點(diǎn)格式的SMG法

5.1.1啟動(dòng)部分

5.1.2求解部分

5.1.3數(shù)值實(shí)驗(yàn)

5.2求解各向異性網(wǎng)格問(wèn)題的GAMG法

5.2.1具有局部各向異性的有限元網(wǎng)格

5.2.2求解各向異性網(wǎng)格問(wèn)題的GAMG法

5.2.3在橢圓型方程組有限元分析中的應(yīng)用

5.3高次有限元方程的GAMG法

5.3.12D高次有限元方程的AMG法

5.3.23D高次有限元方程的AMG法

5.3.3收斂性分析

第6章DLR型k—ε紊流模型的數(shù)值方法

6.1DLR型k—ε紊流模型BFC法

6.2DLR型k—ε紊流模型BFC.AMG法

6.2.1DLR型k—ε紊流模型的BFC變換

6.2.2DLR型k—ε紊流模型方程組的離散化

6.2.3壓力泊松方程兩種差分格式的構(gòu)建

6.2.4數(shù)值化邊界條件的設(shè)置和處理

6.2.5有限差分離散化線性代數(shù)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

6.2.6DLR型k—ε紊流模型方程組求解的耦合算法

6.3壓力泊松方程離散系統(tǒng)的求解方法及數(shù)值實(shí)驗(yàn)

6.3.1Point—SOR法及數(shù)值實(shí)驗(yàn)

6.3.2AMG法及數(shù)值實(shí)驗(yàn)

第7章錐形漸擴(kuò)管路內(nèi)紊流的數(shù)值仿真診斷系統(tǒng)

7.1數(shù)值仿真診斷系統(tǒng)

7.1.1數(shù)值仿真診斷系統(tǒng)的組成

7.1.2數(shù)值計(jì)算程序系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)及應(yīng)用軟件包

7.1.3數(shù)值計(jì)算源程序

7.2若干應(yīng)用實(shí)例與診斷分析

7.2.1錐形漸擴(kuò)管路內(nèi)紊流的高精度數(shù)值仿真

7.2.2錐形漸擴(kuò)管路內(nèi)紊流的高效數(shù)值仿真

7.2.3數(shù)值預(yù)測(cè)結(jié)果的等值線圖和可視化彩色圖像

7.2.4計(jì)算條件影響的診斷分析

第8章管路內(nèi)非定常流的數(shù)值仿真

8.1管路內(nèi)過(guò)渡流的數(shù)值仿真

8.1.1管路內(nèi)過(guò)渡流的數(shù)值方法與仿真模型

8.1.2數(shù)值計(jì)算程序系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)及應(yīng)用軟件

8.1.3計(jì)算實(shí)例及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

8.1.4應(yīng)用軟件的數(shù)值預(yù)測(cè)功能、性能和用途

8.2管路內(nèi)脈動(dòng)流的數(shù)值仿真

8.2.1管路內(nèi)脈動(dòng)流的數(shù)值方法

8.2.2數(shù)值計(jì)算程序系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)及應(yīng)用軟件包

8.2.3計(jì)算實(shí)例及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

8.2.4應(yīng)用軟件包的數(shù)值預(yù)測(cè)功能及用途

附錄錐形漸擴(kuò)管路內(nèi)紊流數(shù)值計(jì)算源程序清單及其說(shuō)明（光盤(pán)）

參考文獻(xiàn)

內(nèi)容簡(jiǎn)介 2100433B

本書(shū)為廣東省新世紀(jì)教改工程的成果之一，主要介紹流體力學(xué)、工程熱力學(xué)、傳熱學(xué)的內(nèi)容。流體力學(xué)部分主要介紹流體的基本特性、流體靜力學(xué)、流體動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)及能量損失與管路計(jì)算等知識(shí)；工程熱力學(xué)部分在講述工程熱力學(xué)的基本理論和常用工質(zhì)的性質(zhì)基礎(chǔ)上，主要論述了熱工理論在工程上的一些應(yīng)用，傳熱學(xué)部分內(nèi)容包括導(dǎo)熱、對(duì)流換熱、輻射換熱、傳熱過(guò)程及換熱器。本書(shū)可作為高職高專(zhuān)輪機(jī)工程專(zhuān)業(yè)輪機(jī)工程基礎(chǔ)課程及熱工基礎(chǔ)等課程的教材，還可作為有關(guān)工程技術(shù)人員的參考用書(shū)。

本書(shū)共分為八章，主要內(nèi)容包括:管路內(nèi)典型流體流動(dòng)的數(shù)學(xué)模型、網(wǎng)格生成方法、代數(shù)多重網(wǎng)格(AMG)法、求解幾種典型離散系統(tǒng)的GAMG法等。