计算传热学的近代进展 陶文铨

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本书对这10余年来在计算传热学的各个领域中发展起来的每一种新方法,本书一般都选择其中一种方案作较透彻的介绍,然后扼要地说明其他方法的特点,使读者能通过一种方案的学习了解该类方法的实质,而又能对其他方案有概要的了解,便于读者通过自己的编程予以在计算机上实现。本书附录中还给出了非结构化网格等程序块,便于读者参考。 本书内容丰富,参考文献详尽。它不仅可作为研究生计算传热学课程的教材,而且对从事计算传热学与计算流体力学的科学技术工作者也是一本很好的参考书。 陶文铨教授作为国际数值传热学知名专家,长期从事传热学及其数值模拟方法与工程应用的教学与研究,推动与促进了我国计算传热学科的形成与发展;提出了分析对流项离散格式稳定性的符号不变原理与处理不规则区域的组合网格思想,提出了绝对稳定的对流项离散新格式和处理不可压缩流场速度与压力耦合关系的全隐算法,提高了计算精度和收敛速度;在强化传热方面,提出与研制了多项高效强化传热新技术。
内容尚介 木书参考国内外60合种刊登流动与传热回题数值计算方法及应用的 杈威东志共900余篇论文,结合怍者自已的研究成果与长期从事砰生教 学的伾会,介纸下列八个方面:1〕恻将生成技术;(2)对流项差分格式的研 究进賬:(3}力与速度耦合关系的处进方法的新发展;(4)边界条件的数值 欠理方法;5)加速代数方程求解收速度的技术;6)显准解及数值误差的 估汁;(7)计算传热学的大型商用软件反囚特刚上的资游;8)近年来新发展 起来的数方法介绍对这10众玍来在计算伶热学的个领域中发展范来 的蚵-种新方法本书一般都选择其一种方案作较透彻的介绍然后要 地说明其他方法射持点,使读者能通过一种方案的学习了解该类力法的实 而又能对其他方案有概要的解使于读者通过自己的编程于以在计算 机上实现。本弓附录中还绐出了非结构化网格等在序扶便于读者参考。 本转容丰富,参考文献详尽。它不仅可作为研究算传热学误程的 教材,而对从事计算传热学与计算体力学的科学技术工作者也是一本 很好的参考书。 图书在版编目(IP)数据 算传热学的近代进展/陶文铨著,-北京:科学出版社,200.6 lSIN了-03-0075935 计…』.陶 传热计算-进展W-TK124 中国版本图书馆CIP数据核字(200)第02197号 研學嚆服旗出版 北京黄城長北16号 邮政新码10071 科学出版社发行冬地新华书店经销 o年6月第版开4:737×10921H16 2000年6月第一次印刷印张31% 印数:1-120 宇数:7260 定价:7800元 如有印装质量问题,我社负责调换〈科印冫) 前言 随者亡算机工业日新月异的发展,在过去的10余年中数值计算方法及其在计算传热 中的应用也得到了飞速的进步,新的数值处理方法不断地问世,原有的方法则得到进 步的允实与完善。在应用于传热与流动问题数值计算的众多方法中,有限容积法由于其概 念简明、实施过简便、教值特性优良而获得∫特别广泛的应用根据小同的练计资料,批 界上每年发表的计算传热学的论文中有50%~75%是用有狠容积法完成的1988年前的 到内外关于有限容积法在计算传热学中应用的卌究成果,已在 Patankar教授的著作传 热与流体流动的数计算》拙作《数值传热学$中得到比较充分的反映,但1986年后国 内外在计算传热学中的许多研成果(如分析差分帑式的规变量囪、谁用二价格式 SIMPLE算法向可压第流体的推广、同网格与非结构化网络、数值计算结果误差的估 计,等等)则仍散见在大量文献中,而没一本专著来加以总结与归。从1995年春季 起著者开始在西安交通大学为博士研完生开出一门计算传热学的近代进的课程,其 日的在于俍已经学习过上述两本教材的博士矸究生(一般是在硕士阶段学的)能对近10 年中计算传热学的发展有一个比较清晰和详细的了解,以使他们的研究工作能更快地 接近并赶上国际先进水平。忪书航是在著者五次讲稿的基础上经扩充、完善而写戒的 在准备本书稿时,著者假定读者已经掌握了拙作数值传热学》的基本内容,并以该 书为起点将这1余年中有限容积法的研究式果按八个专题予以介绍。为此,著者对这 l0余年中刊载于60余种著名岡际杂志和数种国内杂志的计算传热学-论文作∫检 索,从中选中近千篇代表性的论文,将其研穷成果(包括著者自已的工作分别纳入到这八 个专题中。书中还介绍了由著者及其学生们开发约一些新的数值方法的程序段。对于这 1余年中新发展起来的不属于有限容积法范畴的一些新的数值方法,也辟出专章作了介 绍,以使读苹在深入掌握有限容积法的同时,对其它数值方法的发展也有所了解。根据仵 者在过去10余年中的教学与酐究工怍的经历,作数值模拟必须对数值方法“呖其全币晰 其微”:掌握方法的原理和持点固然重要,但真正要上机计算则必须对一个算法的各个细 节都明白无误,否则差个标点符弓都会导致计算的失败,或者即使获得了某种结果,但 它实际上并不是所要算法的结果。著者写作本三时努力按这种思想去组织材料,而附上 些参考序改也正是为了对读者在实属算法时有所神益 本圬可供研究生(特别是博生)的计算传热学课作为教析或教学参考书,也叫 供具有一定的计算传热学基础藏案践经验的科学技术作者深入学习及进一步钻研之 用 在过去1余年中,著者在数低计算方面的研究工怍得到了教育部(国家教委)博士 学科点专项基金及国家自然科学基金委员会的多次资助,其中与本书内容直接有关的 有: 同家自然科学基金项H 冲冷却及其在以璃钢化等技术部门中的应用(No.5880275); 有限空间自然对流换热约等价性及分歧与混沌现象研究(N⌒.59:76280); 非拮构化网裕及叫控稳袼式在工程传热数值计算中的应用(No.59676019) 家博上学科点专项基金 复杂几何系统中的对流换热的实验研瓷与数值分析(N∞.8969821) 叶片内冷纭构的对流换热与流动阻∫的研究(No.9269805); 对流项差分格式稳定性及饣界性的研究(No.9869835)。 者在此深表谢意 老者还要感谢曾经指导与帮助过自已的师友与学生。首先,蓍者怀着深深的敬意,感 谢引导自己上传热学硏瓮道路的导师:上海交通大学杨世铭教授及美网工程院院十 Minnesota大学 E M Sparrow教授,他们的工作精神、研究鳳格及思维方法对著者的学术 生涯产生了深远的影响,并且体现在本书的写作过程中。在 Minnesota大学进修期,著 者从 Patankar教授那儿学到了限容积法这一有力的T具,使著者终身受益。在书稿准 备过程中,著者得到了吏国CHAM公可的吴振亚博士、英国计算动力学公司的罗建扬博 美国F!FN丁公司的戴毅博士、美国 Florida a&.M大学 Florida州京大学的陈景 教授、美国 Florida大学时史维教授、姜国卫程科学公可的尚欢民博士、美国 Bristol压 缩机公司的辛荣昌博士及酉安交通大学能源与动力工程学院牌光教授何雅玲副教授的 午多帮助。著者还特别要捉到的是在过去1年中所指导过的博士研究生们,他们是杨汽 教授、李沛文博士、玊秋旺蠃教授、赵长颖博士、魏建囯高工、王良璧副教授、刘继平博士 怵明杰博士明玖博士、陈民尊士、苑十显副教授、宇波博士聂建虎博士。是他们在 渎期间的出色工作及所完成的学位论文丰富了本书的内容;同时在本书的写作过程中又 从不同的角给著者提供了帮助例如,本书所附的非结构化网格的生成与求解的程序是 林明杰、宁波博土所完成的:sCSI格式是倪明玖博十所提出的;多面法生成刚格约程序 是由王良璧博十完成的,他还为茗者拟写了2-4节的切稿关干一般非均分网格上 QICK格式的发述点式是由杨沫博十完成的处理屮口边界条件的局部质t守恒方法 及其实验是由李沛文博士完成的,等等。著者的在读博士研究生李增耀、徐明海、邓斌、张 东升、刘张华俊竿,也都对书稿的順利完成作出过努力。在此一并表示谢意 本书的准备与作过程历时三年多,正好是著者担任西安交通人学能源与动力工程 学院院长的这二年每周的工作除了必须的教学L作以外,主要时间都用在处理学院行 政务上,本书的资料汽化及全部写作过程都是利用业余时间完成的囚此这对著者来说 不能不足一个十分艰苦的写作历程。正是出于角所吗谢的许多师友同事、学生的帮助 以我家人的全力攴持,使著者得以亮成此。我的妻子几乎承拍了全部家务劳动,投 的几子帮助我查询了不少网上的資料.著者从内心里感谢们 中国科学院科学出版基金委员会资助了本的出版特此致谢在本书书稿的推备过 程中,还得到国家重点基础研究项目《肓效带能中的关键科学问题》的资助,谨致谢忧。著 者特别要感谢中国科学院院上清华大学教授王补宣反中国工程骗院土、西安交通大学教 授林宗虎的推荐感谢清华大学工程力学系周力行教授在评审本书时所给予的热情支持 著者还特别要感谢科学出版社责低编辑陈文芹同志,本书是在她的萝励与帮助下才得以 山版的 在木书即将完稿之际,我国振兴教育的“行功计划已启动了西安交通大学作为国家 若十所重点大学的建设工程,“国家重点基础研究发展规划”中列入了“高效节能的关键科 学问题的专。发展大规模工程科学计算是“行动计划”中学科建设的-个重要内容;传 热与流动是节能技术中的基本物理过椹,先进、高效的数值模拟方法是执行国家重点基础 研究课题的有力上兵,希望本书的出版对促进我国传热与流动问题数值计算的发展所 襖益希望“行动计划”及国家重点苤础岍究课題的实施,庇为进一步发眾我国的大规模 上程税学计算刭造更奷的坏培与糸件。 苦者热切希望本书能得到大读者的批评种指止 朐文铨 千禧年前 于叶安交通大学 wytaolg'xJlu edu 目录 前言 第一章绪论 1-1计算传热学所应用的数值方法………………… §1-2计算传热学的发展史………………………………………………(6) §1-3场模拟数值计算的主要节及本书的讨论内容…………………(11) 参考文献……………… 第二章格生成技术 d肀白■噜自會P咱噜P■鲁■◆啁噜自P鲁平自P早日鲁早唱鲁P早PP …(19 §2-1网格生成技术概述*"*””………………………(联9) N2-2代数法概述 ■●■幽p■■血幽■■■■血■■■血■■ ■·■■■■口■■日■口日啁■■口■■■口■■■口■■D看 §2-3元限插值法 §2-4多面法…………………………………………………(28) §2-5生成结构化网格的微分方程法……………………………………………(34) N2-6空间守恒定律及计算平面E求解结果的处理… ………(37) 2-7块结构化阏格的基忄思想及界面插值的类型 2-8拼片式块结构化刘格界面信息的传递方法………………4(46) §2-9拼片式网格界面上压力修正方程求解过程中的信息传递 ■■■■ (50) §2-10搭接式块结构化格界上信息传递的方法………… 53) §2-11块结构化网格在叠区内的数据结构 (59) 2-12非结构化树格概述 ■■■P■晋■■■冒■■■昏■■自俨号自自P中會中看44鲁!P4命會『中早■早自日·■■■■■■·日日日令 2-13生成非结构化网格的前浩椎进法 §2-14 Delaunay三角形化方法彬边 §2-15 Delaunay三角形化方法的施………………(75) §2-16生成对格的其它方法缤述… ■■甲··●血b1命 r(8{ §2-17网格的几何品质及其在求解过程中的动态变化 …(8士) 2-18网格的自适应化及其实施的型方法 聊d■d如●b·ddb■ …(87) 2-19建立自应网格的r型力法………… 參专文蘸 第三章对流项离散格式的研究进展 §3-1QIK格式实施方式的优化… h■■聊·昏【日■■■■晋■■自昏中P中P會?4 (]C5) 32多维非均匀网格肀竹 TiCk格式 晷阝■自■寻■·自即申p●即甲罩■■●■ §33一类通用格式………………: ………·(li4) 对流项离散格式对流稳定性的讨论 (12)) 35差分格式的有界性 ■■■■■昏■■■俨b曾普血血t會P中中啁·中■ ……………………"…°(125) §3-6满足有界性条伴的高阶组合格式及其应用 3-7非拧分网格中的高分张率格式 3-8高阶格式的实施 d郾舞Ld■■bdψdb如■d■■■』b●■●卩■bψb●卩看■■■■●■■■ψ聊↓■■■■d■暑■ (143 §39对流顶离散格式的进步论 (148) 参考文献 (15A) 第四章压力-速度耦合关系的处理 ■■◆■▲■●■·■·d●口■口■■●■●■■■■■■■■dt■d↓bb动 *(159 1-1压力修正方法的基本忑想及主要算法( SIMPLE, SIMPLEC及 SIMPLER ■■■昌晋↓备■』■晉讪吾晶■晋■鲁十■昏■晋■■■鲁晋■昏『晉晋罾哥甲冒哥甲■曾!■■■日日■■■■■ 159) 4-2 SIMPLEX与 SIMPLET算 (16 斗-3加速 SIMPLE系州算法荙代收敛速度的些方法… (165) §44求解非稳态流动的显式升法 MAPLE…………;…………………(169) §4-5HlS算法………………………………………………"………………………(I2) 4-6压力 Poisson方程及其数值边界条件…………… (176 §47不同耸法计鳇特性的初步比较 和dpdp和d●p罩量罪甲■■■■■■■會■冒■■會■會■■■■■■■ 8 t8同位网格中引入压力与速度耦合关系的方法……… ………(18] 4-9非交曲线坐标系中匠位网格的实施………………………(186) 1-10非结构化网格上对流-扩数方程的离散… a §4-11非结构化网格上的 SIMPLE算法…………………………(197) §412不连续块结构化网格上压力修正算法的实施…………(201) 4-13 SIMPLE系列算活出不可压缩流体向可压缩流体的发展 (209 g4-14求解不压缩流场的CEL3算法………………………………(213) §4-15不可压缩流体流场求解方法综合介绍气讨论 自唱幽血动 ss:(28) 参考文献…………………………,…… ……(224) 第五章边界亲件的数值处理方法… …………………23 5-1流动与换热颕边界条件的一般实施方法和耦合问题的处埋………(23) 5-2附加源球法处理第二、一类边界条件及其它情形中的应用………(238) 85-3出[边界条件的数值处理方法 ………243 5-4总体质量守恒在压力修正算法中的作用 (249) 5-5周期性充分发展对流换熟边界条件的实施……………………(252 5-6训算可压缩流场时边界条件的处理 256 参考义献… ……(25) 第六章代数方程组的求解方法 晶h画■■■■■■■■■P■『■■音即血會昏自■P·|會早Pb早■目■■ (264) §6-1代数方程求解方法概迟及五对角阵算法 t…(264 86-2求解代数方程纠的选代法概述…… (267) §6-3对流-扩散离散力程迭代求解讨程的薮值稳定性 l旱鲁■ (273 64 COPDMA, COCTDMA·方法 865求解代数方程的强方法(SIP) (28 §66修正强隐方法(MSIP冫 ……(2∠86 67用于求解扩散利代数方程的共轭梯度法CG)……………………(291) 6-8用于求解对流扩散代数方程的共钷榜度刑方法 上幽■會中!日日自 白b (297〕 69块修正法及与強隐过程的合… (3()2 G-1多重辂方注概述 ■备■■■■№■昏■』■■■昌■■■■■昏晋■d■『■昏■』■■■■■■■■■P即■■『中 611用求解NS方稞铟合算法的多重网格技术 (1() 6I?F用于SMPE系圳算法的多重网格技术……… 613块修结构化多電网格…………… nD咖··自自自·■■即 61结构化网格中多重格技术… ■·■b晶■■■■晋■■■■qP吾■4■■·■■ t 參考文献…… 第七章基准解及数值计算的误差估计 即■●■即『 了-⊥数值解误差伂计概述…………………………………………(37) 基解 73可节的实验渊定结果…… 氵7-4对流项离散格式截断误差的分析……… 》-5低阶格式的似扩散持性的讨论…… 6分析截断误差的 Richardson外摧法其应川 7刈格分布拷性对数猹计算靖果的影响… ■■■■『■■昌■ §7-8对不问疏密程度司格上算结果的·冲统·评估方法 ?71) 7-9不完全迭代误差分析………………………………………(376) 参考文献…… 弟八章通用商业软件及一些其它近代数值方法简介…… 38了} 8-1H1》八、HI业软件的·杵点及发展既况… 383) N8-2部分CFNT业软件介… 83有限公杆 (395 84搾究积有限元法……,…………… (10) 85倣分求积法……………………………………!;……""………(4(:9) 86子Bol-zma:n方法 (417 釜考文庵 附录 ↓晶』4 ■L■昌【■■■ ■↓■■■■ ■春噜咖口pq·幽白■聊■·■■■聊卩■■■■■■■■●■■■■■ 时1维非结构化网的生成及流动传熟叫题求解程序 尉录2用多面法生成格的程序 附录3 bA Springer公司页上坰载程序的方法及可我序的清单…〔45 附录↓世界上部分大学( FI/NIID研充组网址…… FFT--* …(466) 跗录5本书听引用的国际杂志〔定出版物)的全名及简不照表……(468 主题索引|………… T■口■ 170 作者索引……………………… 第一章绪论 计算传热(球数值传热学)是指用欹憤打法通过计竽机来求解爷类热传司慰的 仨热学门门分支宁科。它与以实验方法为⊥饼究于段的实捡传热学及以获得分析解 句订耍日的分析传热学,共问村成了现代传热学的研究太厦。而且随着计算机工业的 进步发爬(算速度的提高使件成忄吶下降),它在热流科学研究热方设备的计算机 轴助设计(CAI)中的作用会越来重要。本草将简综述计算传热所攸的数值方法 受计分热学的发展莆史以为讨论其近代发展打下础在本书以下的叙述中,笔者假 设读名已学握了文献1]L2的苹本内容,但为了讨论的方与完,有时对文献-、2 中某些;衮仍会作简要的介, §1-1计算传热宁所应用的数值方法 从广科的内容m计传热学所价究的基木内容也就传热学中的四大模块:热传 导、对沆换热、辐射换熱传热过程、复杂换热过酲亐各关换热设备汋传热寺性、近3 米,为∫对这些热传递过件进行数值模拟、已经发展出!了多种数值方法。·般地说数值 与呼仍究的问题幽切关,日前,大多数应用研究屮所涉及到的传热与流动题可以分 戒二人类、以下将简述这大类问题其常的数值计力法, 导热、对流换热问妝的场模拟 文·的控制方橾一组竺守恒原理的徽分方程组发接出来的主要数 值方法有 1,有限差分法( Finite diff rcr:me:i,FDM) 这求得偏微介方数佤解的最古老的方法,对简的儿何形状的流动与传热邝 毖也是·种最谷易实方法其棊实迤厅法是,将求解区域月K《格线的交点(点)所 组成代点印朱合来代皆在个节乐上∷描写所研究的流动与传热问题的倔做分方程中的 每一个导数项用相门差分長达式来代皆,从而在每个节点上形成一个代数方程,共中钽 了市烹其附近·些节点上的所求量的知值。求解这些代数方程组就状得了所需 旳数值解。关∮仃限差分法在三种型〔也物型、双曲型聚闖型)倔做分厅程数值求解中 应用柑应约一些数了问物,在文款「3]中有详细的介绍。文献[是应用有限准分法求 解初们问魍的々著而在文献5」9]中喇讨论了应用有限差分法求解流动与传热问癒 的些内衮。在刈威的结吶化网咯∫∷育限差分沄是十分简便邮有效的,而H很谷易 引入对流颋的高防袼式其伈怼的是高歡程的守恒特性难以倸证,而最重的缺点則是 对不现削区蜮的逅性差

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