ANSYS CFD 入门指南 计算流体力学基础及应用

本书借助ANSYSWorkbench平台，全面讲述了CFD解决工程问题的完整流程，主要内容包括流体计算域创建、计算网格生成、物理问题计算求解、计算后处理等。本书注重理论和实践相结合，结构脉络清晰，可以帮助读者迅速掌握CFD学习的流程、方法和思路，并建立起自己的一套CAE问题解决方案。本书可以作为机械、水利、汽车、航空航天、能源动力、电子工程等领域本科生、研究生和教师的参考书及教学用书，也可以作为相关领域从事产品设计、仿真和优化的工程技术人员及广大CAE爱好者参考。

胡坤，机械设计及理论专业博士，西南石油大学机电工程学院硕士生导师。主要从事多相流理论研究及过程装备研发教学工作，拥有10余年ANSYS CFD软件应用经验，熟悉ANSYS CFD软件仿真流程定制及二次开发，著有《ANSYS ICEM CFD工程实例详解》《ANSYS CFD疑难问题实例详解》等多本书籍。曾用网名“流沙CAE”，独立运营同名新浪博客“流沙CAE”以及原创微信公众号“CFD之道”，聚焦于CFD发展及应用资讯、CFD理论解析、CFD软件应用技巧、CFD相关案例解析以及CFD编程定制等原创内容的分享，广受3万+专业粉丝的高度认可。

本书以ANSYS 19.0为依据，从实际应用出发，全面讲述了CFD解决工程问题的完整流程，实现了建模、网格划分、求解、后处理的一站式学习，可以帮助读者掌握CFD解决实际问题的方法和思路，并快速搭建起自己的一套CFD入门学习知识体系。另外，本书还具有以下突出特色：

1.CAE大神流沙倾情之作。注重知识学习的循序渐进、实例操作的轻松易学。

2.帮助读者实现从看起来懂到真懂了的跨越。内容涵盖重点参数的选取、特殊技巧的应用、操作误区的提示等，帮助读者真正学通弄懂CFD解决实际工程问题的完整知识体系。

3.坚持读者的阅读体验为首要原则。版式设计方面从章节名到实例步骤，再到知识拓展、难点解析、技巧应用处处都体现着设计者的良苦用心。

本书中的案例文件保存在网盘中（链接: https://pan.baidu.com/s/1CtMxjEVJp5TflrNRZC0pJg密码：al1s），读者可自行下载。同时也欢迎读者加入QQ 群（29446893）对本书中的内容进行交流和探讨。

计算流体力学是一门汇集了流体力学、数学、计算机科学等内容的综合学科，所涉及内容繁多，既包含流体流动的众多物理模型，还包括了数值计算的诸多理论，同时还涉及数值算法在计算机中的实现等。若想将如此复杂的理论体系应用于工程中，无疑对使用者自身的素质提出了极高的要求。

幸运的是目前有众多成熟的计算流体力学软件包可供使用，如Fluent、STAR CD、STARCCM+、CFX 等，这些成熟的软件都提供了良好的前后处理接口，通过将复杂的CFD 计算理论进行封装，大大降低了CFD 软件的使用门槛。

CFD 的工程应用包含了前处理、计算求解以及后处理三个主要过程。其中前处理主要用于计算区域创建、网格划分以及计算参数指定。计算求解主要用于离散方程的数值计算。后处理则主要将计算获得的数据进行可视化显示，以方便实现工程应用。

ANSYS Workbench 提供了一整套CFD 解决方案，其DesignModeler 模块可用于前处理几何计算域的创建，Mesh 模块可用于计算网格的生成，而Fluent 及CFX 可用作计算求解，CFDPost用于计算后处理。

本书借助ANSYS Workbench 平台，全面讲述CFD 解决工程问题的完整流程，主要内容包括：

流体计算域创建。主要介绍计算域几何创建，包括ANSYS DesignModeler 模块的详细使用方法以及常见的流体计算区域创建方式。

计算网格生成。包括Mesh 模块介绍以及常用的网格生成方法。

物理问题计算求解。包括Fluent 软件的使用介绍，以及物理模型、边界条件、求解控制参数等的设置方法。

计算后处理。主要包括CFD-Post 模块的应用以及常见的后处理方式，如平面创建、云图显示、曲线图及数据输出等。

本书面向的读者为无任何CFD 基础的工程师或科研人员，虽然本书不要求读者具备此类基础，但是拥有流体力学、数值计算以及计算机程序设计基础的人员，则能够更好地利用本书的内容。

本书中的案例文件保存在网盘中（链接: https://pan.baidu.com/s/1CtMxjEVJp5TflrNRZC0pJg密码：al1s），读者可自行下载。同时也欢迎读者加入QQ 群（29446893）对本书中的内容进行交流和探讨。

前　言

第1 章　计算流体力学概述

1.1　计算流体力学

1.2　计算流体力学的应用领域

1.3　计算流体力学的发展

1.4　CFD 解决工程问题的基本流程

第2 章　ANSYS CFD 软件简介

2.1　CFD 工程应用一般流程

2.1.1　计算前处理

2.1.2　计算求解

2.1.3　计算后处理

2.2　ANSYS CFD 软件族简介

2.2.1　前处理软件：ICEM CFD

2.2.2　CFD 求解器：Fluent

2.2.3　CFD 求解器：CFX

2.2.4　后处理模块：CFD-Post

2.5　本章小结

第3 章　计算域基础

3.1　流体域的基本概念

3.1.1　内流计算域

3.1.2　外流计算域

3.1.3　混合计算域

3.1.4　流体域简化

3.1.5　多区域计算模型

3.2　流体域的创建方法

3.3　流体域创建工具

3.4　ANSYS DesignModeler 简介

3.4.1　启动DM

3.4.2　DM 的操作界面

3.5　草图功能

3.5.1　基准面

3.5.2　草图绘制

3.5.3　草图修改

3.5.4　尺寸指定

3.6　特征建模

3.6.1　拉伸特征

3.6.2　旋转特征

3.6.3　扫掠特征

3.6.4　放样特征

3.6.5　抽壳特征

3.6.6　圆角特征

3.6.7　切割几何

3.7　几何操作

3.7.1　阵列

3.7.2　布尔运算

3.8　流体域抽取

3.8.1　Fill 功能

3.8.2　Enclosure 功能

3.9　实例1 ：DM 建模基础

3.9.1　模型分析

3.9.2　第一种建模方式

3.9.3　第二种建模方式

3.10　实例2 ：汽车外流场计算域

3.11　实例3 ：汽车排气歧管内流场计算域

3.12　本章小结

第4 章　网格基础

4.1　流体网格基础概念

4.1.1　网格术语

4.1.2　网格形状

4.1.3　结构网格与非结构网格

4.2　网格的度量

4.2.1　网格数量

4.2.2　网格质量

4.3　ANSYS Mesh 软件

4.3.1　ANSYS Mesh 启动

4.3.2　软件界面

4.3.3　网格流程

4.4　网格质量评价

4.4.1　Element Quality

4.4.2　Aspect Ratio

4.4.3　Parallel Deviation

4.4.4　Maximum Corner Angle

4.4.5　Skewness

4.4.6　Orthogonal Quality

4.5　实例1 ：T 型管

4.6　实例2 ：反应器

4.7　实例3 ：划分扫掠网格

4.7.1　几何模型

4.7.2　切分几何

4.7.3　划分网格

4.7.4　添加边界层

4.8　实例4 ：局部控制

4.8.1　参数优先级

4.8.2　实例描述

4.8.3　网格划分

4.9　本章小结

第5 章　Fluent 求解器基础

5.1　Fluent 软件介绍

5.1.1　Fluent 工作界面

5.1.2　Fluent 模型树节点

5.1.3　Fluent 解决工程问题流程

5.1.4　Fluent 的应用领域

5.2　Fluent 边界条件

5.2.1　边界条件分类

5.2.2　边界条件设置

5.3　初始条件

5.3.1　Fluent 中进行初始化

5.3.2　Patch

5.4　湍流模型

5.4.1　湍流和层流判断

5.4.2　湍流求解方法

5.4.3　Fluent 中的湍流模型

5.4.4　y+ 的基本概念

5.4.5　壁面函数

5.4.6　边界湍流设置

5.5　传热模型

5.5.1　壁面热边界

5.5.2　Fluent 中的辐射模型

5.5.3　辐射模型的选择

5.6　多相流模型

5.6.1　多相流定义

5.6.2　多相流形态

5.6.3　Fluent 中的多相流模型

5.6.4　多相流模型的选择

5.6.5　Fluent 多相流模拟步骤

5.6.6　VOF 模型设置

5.6.7　Mixture 模型设置

5.6.8　Eulerian 模型设置

5.7　组分输运模型

5.7.1　 Fluent 中的组分输运及反应流模型

5.7.2　组分输运模型前处理

5.8　动区域模型

5.8.1　单运动参考系模型

5.8.2　多运动参考系模型

5.8.3　滑移网格模型

5.9　动网格模型

5.9.1　Fluent 中使用动网格

5.9.2　网格更新方法

5.9.3　运动指定

5.9.4　运动区域定义

5.9.5　网格预览

5.10　案例1 ：T 型管混合温度场计算

5.10.1　案例描述

5.10.2　案例学习目标

5.10.3　计算仿真目标

5.10.4　Fluent 设置

5.10.5　计算后处理

5.11　案例2 ：Tesla 阀门内流场计算

5.11.1　案例描述

5.11.2　Fluent 设置

5.11.3　计算后处理

5.12　案例3 ：非牛顿流体流动计算

5.12.1　案例描述

5.12.2　Fluent 设置

5.13　案例4 ：风扇流场计算

5.13.1　案例描述

5.13.2　Fluent 设置

5.14　案例5 ：颗粒负载流动

5.14.1　案例描述

5.14.2　Fluent 设置

5.15　本章小结

第6 章　计算后处理基础

6.1　流体计算后处理概述

6.2　CFD-Post 软件介绍

6.2.1　CFD-Post 软件工作界面

6.2.2　CFD-Post 的菜单项

6.2.3　工具栏按钮

6.2.4　CFD-Post 计算后处理一般流程

6.2.5　CFD-Post 的启动方式

6.3　CFD-Post 后处理功能

6.3.1　创建后处理位置

6.3.2　生成后处理对象

6.3.3　数据操作

6.3.4　其他工具

6.4　案例1 ：CFD-Post 基本操作

6.5　案例2 ：定量后处理

6.6　案例3 ：比较多个CASE

6.7　案例4 ：瞬态后处理

6.8　本章小结