数值传热学

数值传热学第二版pdf电子书，学习数值传热学的必备资料，第2版前言本书中所引的笔者及其研究生的工作都是在国家自然科学基金、教育部博士学科点专项基金以及国家重点基础研究项目(G2000026303)资助下进行的,笔者在此深表谢意c每当笔者完成一篇论文或一本书稿时,是情不自禁地想起指导笔者走上传热学与数值传热学研究道路的导师,上海交通大学杨世铭教授和美国明尼苏达大学 E M SparRow教授杨世铭教授曾热情地为本书第版作序, Sparrow教授则鼓励笔者写出英文的书稿,笔者在此向啊位导师表示深深的敬意。笔者感谢教育部研究生工作办公室批准推荐本书作为研究生教材,感谢西安交递大学研究生院及西安交通大学出版杜为出版本书第1版及第2版所给于的支持与帮助,特别是总编辑杨洪森教授和责任编辑朱兆雪编审,为了第2版的早日问批给笔者提供了许多方便,朱兆雪编审详细地审阅了书精,避免了不少错误,使忄书增色不少。潸华大学T程力学系过瑞元教授和陈熙教授对本书第1版和第2版的出版给予了热情的帮助,过增元敦授对第2版的修改提出了宝贵的建议陈熙教授指出了第1版中个别欠妥之处,笔者衷心地感谢他们。笔者的同事,西安交通大学能源与动力工程学院的王秋旺、何雅玲两位教投给笔者的写作提供了不少支持与新助,笔者所在的cfd-nht及强化传热研究组对笔者的修改大纲提出了许多改进意见,研究生屈治国、曾敏,同事玉育清为本书的出版事务提供了不少帮助,笔者在此向他们一并表示谢意。笔者还要感谢过去10余年中所指导过的博士研究生们,是他们在读期间及毕业后的出色工作丰高了本书的内容。例如关于 QUICK格式延迟修正实施方式中源项的表达式是杨莱教授在日本作研究时完成的,关于促进SIMPLER算法收敛速度的方法是宇波博土在日本九州大学做博士后研究时提出的,这些内容都已收集在第2版中。最后笔者要感谢自己的妻子与几子,是她(他)们为笔者提供了有利于写作的环境,并给予了精神上的支持与蛟励,使得笔者能在较短期内完成4书第2版的修改工作。作者才学浅加之时间匆促,书中错误和不足之处在所难免,敬希读者批评指正。陶文铨2001年5月weta@xjtu.edu.cn目录第二版前算1章绪论11描写动与传热问题的控制方程……1.2制方程的守恒与非守恒形式及单值性条件13控制方程的数学分类及其对着值解的影响…………(10)14什么是数值传热学及常用的数值方法……(14)15蚍值传热学在现代传热学研究中的作用与地位……(18)1.6本书内容介绍…………(21)习题(24参考文献■■嘞國■■■■凸罩■■郾晒罍西■■ψ國■卩■■■b●罍啁■■口■●ψ●↓■而↓bb甲罪司(26)算2章计御区域与制方视的高做化2.1空间区域的离救化…·(28)2.2建立高散方程的 Taylor展开法及多项式拟合法(32)23建立高散方程的控制容积积分法及平赛法……(39)习题鲁中會喟噜習·鲁■會會會·鲁鲁鲁中中噜自■自■會鲁鲁自鲁中曾中鲁鲁血■自■宁饣噜會鲁鲁鲁會■血自自P唱■島會鲁噜鲁中會(44)金考文就…(47)第3章高散方的误与物理性的分析3.1高方程的相容性、收做性及稳定性國■叠曾包凸個日■■q卧4吾↓(48)32分析初值问题稳定性的 vOI neumann方法………………(56)33高微方程的守恒性…■甲早4昏语吾+吾34高散方程的迁移性(69)习题…∴…(73)金考文就…………………………………s…(76)数值传热学第4章扩散方程的教值解法及其应用4.1一维导热问题……………………(78)4.2多维非稳态导热方程的全隐格式4.3源项及边界条件的处理……………………………(9)4.4求解离散方程的三对角阵算法及交替方向隐式方法……(99)4.5管道内充分发展对流换热的定义及求解实例(104)4.6管道内充分发展对流换热的统一数学模型……(109)7纵向内助片管中的充分发展对流换热………(115)4.8长方形截面通道内的充分发展对流换热…(20)习题……(124)参考文献(129)第5章对流扩散方程的离散格式5.1对流项高激式的重要性及两种离散方式……………·(136)5.2对流项的中心差分与迎风格式(138)53对流扩散方程的混合格式及乘方格式……(142)54对流-扩散方程5种3点格式系数特性的分析…………(1475.5关于对流项离散格式假扩散特性的讨论……………(15256可以克服或减轻假扩散的格式或方法………(162)7对流扩散方程离散形式的稳定性分析……4(169)58多维对流扩散方程的离散及边界条件的处理……(176)习题■■183)参考文献…………………………………………(186)第6章求解国型流动与换激问题的原始变量法6.1动量方程的源项及灜场求解中的关键问趣……………(195)6.2交错网格及动量方程的商散……■凵■■自卧囱甲即曹舀■■罾甲{■_■198)63求解 Navier-Stokes方程的压力修正方法…(203)6.4 SIMPLE算法的计算步骤及算例(207)65 SEMPLE算法的讨论及流扬选代求解的收敛判据………(211)6.6 SIMPLE算法的发展( SIMPLER, SIMPLEC, SIMPLEX…………………(218)67加速SMLE系到算法收做速度的一些方法…(226)68开口系统滴计算中出口法汽速的确定(231)2目录69封闭系统内流动与换热的数值计算鲁會會自鲁自音音号?即号曾■■日■■(24)6,10同位网格上的SMPE算法………………(245)习题肀噜會噜引曾曾甲曾屮個■■■會會■■■■■■■■幽曲电@申动咖自自自自(21〉参考文献………∵…rwrr…s…s………s"……(255第7章代数方程组的求解方法7.1代数方程组求解方法概述(263)7,2TDMA算法的扩展(26673求解代数方程组的迭代法………(270)74迭代法的收敛性及加速收敛的方法↓血啬备…………(275)7.5加速迭代解法收敛越度的块修正技术…………………(280)76多重网格方法……………………………………(28377多重网格技术应用于流场的求解中的一些特殊问题…(289)习题国■■■■(294)参考文(298第8章求解椭听型问题的涡量疏函救法81强制对流换热的涡量流函数方程及其离散化………(301)82涡量流函效方法中边界条件的处理………(35)83固体壁面上的涡量流函数条件的确定…(309)84涡量流酌数法用于计算有限空间中的自然对流………(314)8.5关于涡量-流函数法的进一步讨论(323)习题(325参考文献s……4(327)算9拿滤衰动与换热的值模拟91流及其数值模拟方法概述……33392湍流对流换热的 Reynolds时均方程………………………(337)93零方程模型及一方租模型十冒b■日■■■■卩■↓◆ψ中卜dq山q日■(341)9.4k-ε两方程棋型P『會申■鲁ψ鲁ψ即即P自_自■音自昏昏甲(3479.5壁面函数法……(353)96低Re数k-民摸型…………………(362)9.7k一两方提型的发展·申■咖·····■■包●昌血■血包血血血b■血■色白■■■■■370)98二粉焦桃型早··■會譬曾會冒曾·鲁曾·會會會會曾鲁曾■■曾自■■·曾自曾噜幽引自自自■曾中却(376)效值传浓学99有浮升力存在时流的值计算*(385)9.10淄流数值樓拟综述及其近代发展……(392)习题鲁·跏■咖■■自「■血嵋咖血鲁咖申■·血■自自咖■■·申●申幽·鲁·伽·●即司■_昌自■@即·自动幽血自幽司■(409)参考文献…………………………………………………(412)第1童网生成技太t0.1有限差分及有限容积法中处理不规姆区城的常用方法……(432)t0.2适体坐标的基本概念………………………(435)10.3生成适体坐标的代数法↓鲁↓↓旮『喜凸■啬啬十吾中“血■b■■■(437)104生成适体坐标的徵分方程法……………………………(442)10.5网格分布的控制……………(448)106整制方程的转换及其离散……………………·(453)10.7计算平面上的SMLE算法…(458)108计算平面上数值计算结果的处理………(463)10.9块结构化网格简介习题-………∷………………-(474)套者文敞……(478)第1章計算传熱半专是讨论11.1糈合传熟问题的数儦计算…………(483)11.2周期性充分发展对流换热的求解…↓d4山山看口自山面即■口■d■r1.3挨热器囊笸模拟概述…會■■■會■■■■■■■■督昏督■■晕晶西■■西谭■订■ψ最■■pd(496)14值计算结果的误差估计和基准解……………(502)1.5计算传热学的商业教件(507)结束语噜·■會咖●咖·皛·會·即···■●自■啁者自凵■自■自■鼻喜郾■郾即■■■■引■看■聊聊■d卓(512)习题(513)参考文献……………………………………515)主属囊引…………………………(526)作者囊引…………………………………………………·(537)第1章绪论流动与热交换现象大量地出现在自然界及各个工程领域中,其具体的表现形式多种多样。从现代楼宇的暖通空调过程到自然界风霜雨雪的形成,从航天飞机重返大气层时壳体的保护到微电子器件的有效冷却,从现代汽车流线外型的确定到紧凑式换热器中翅片形状的选取,无不都与流动和传热过程划相关;而各种生产电力的方法几乎都是以流体流动及传热作为其基本过程的。所有这些变化万下的流动与传热过程都受最基本的3个物理规徉的支配,即质量守恒、动量守恒及能量守恒。本章的基本目的是从数值传热学的角度,向读者介绍在流动与传热问题中这些守恒定律的数学表达式—偏微分方程(称为控制方程,g0 erning equatora),使一个过程区别于另一个过程的单值性条件(初始条件及边界条件, initial and boundary curdicionzs),不同形式的控制方程对数值计算结果的影响,以及用数值方法对掉制方程进行求解的基本思想和常用的数值方法。最后介绍本书的主耍内容。1.1描写流动与传热问题的控制方程设在如图1-1所示的三维直角坐标系中有一对流换热过程,流体的速度矢量U在三个坐标上的分量分别为u,b,w,压力为p,流体的密度为p。这里,为一般化起见,,U,四,p及P都是空间坐标及时间的函数。对图中所示的微元体积 dcyd,应用质量守恒定律、动量守恒定律及能量守恒定律,可得出三个守恒定律的数学表达式11质量守恒方程(m& s conservation equation)对图1-1中固定在空间位置的微元体,质量守恒定律可表示为:[单位时间内徽元体中流体质量的增加」=[同一时间间隔内流入该微元体的净质量数值传热学到1-1三维直角坐标系及微元体据此,可以得出以下的质量守恒方程(又称连续性方程, continuity equusa(十十dty上式中的第2,3,4项是质量流密度(单位时间内通过单位面积的流体质量)的散度,可用矢量符号写出为:dtt divot)=0对于不可压缩流体,其流体密度为常数,连续性方程简化为:div(U)=0(1-3).1.2动量守恒方程( momenti conservation equation对图1-1所示的微体分别在三个坐标方向上赃用 Newton第2定律(F=mg)在流体流动中的表现形式:[微元休中流体动量的增加率]=[作用在微元体上各种力之和]并引人 Newton切应力公式及 Stokes的表达式,可得3个速度分量的动量方程如下1:n-动量方程十t之第1章绪论3+8了dx(λdivU+2n(1-4a)aut ayayLa ar)]+[()]+A-动量方程a(ou)十a aul+"ax十[x(2+。)+3(Adiv!+20z(3+ay)+四(1-4b)-动量方程a(ow) douay) a(arw2 a(oww)十t2+2[v(2+m)]+du d+-(λdiv+2?+其中?为流体的动力档度,称为流体的第2分子黏度,对气体可取为2/3在数值传热学中常常将上述3式等号后的分子粘性作用项做如下变化,以u动量方程为例xy4]7+(元z+Py)+[azax3)+dxdza(natav a)+-(λ divlxdiv( gradu )+S(1-5)据此,上述动量方程可以进一步写成以下矢量形式:At t diylouu))=div( gradu )+Suat+div(au)=div( gradu)+(1-6b)div(pwl)= div(gradu)+(1-6cat