能源与动力工程计算机模拟实训

1.国内鲜有的针对能源与动力工程专业的计算模拟指导性教程，内容涵盖热力学、流动、传热、多相流、燃烧与化学反应、流体机械6个专业细分方向。 2.多位专家名师以“物理模型+数学模型+程序设计+结果展示”的知识结构展现模拟仿真的关键思路与方法。 3.基于MATLAB、C++、OpenFOAM等常用编程语言或软件，匹配不同的场景需求。 4.下载实例源码进行实践，帮助快速掌握模拟精髓，以实现更个性化的模拟需求。

近些年来，随着电子和信息技术的发展，计算机性能持续提升，软件工具不断更新进步，计算机模拟在能源与动力工程领域的参与度越来越高，展现出了经济性、安全性、灵活性等多重优点，促进了能源动力科学研究的进步和工程技术的发展。但开展能源与动力工程计算机模拟需要具备全面的专业知识和扎实的数理基础以及一定的编程能力，这对能源与动力工程专业的学生提出了较高要求。而到目前为止，国内针对能源与动力工程专业计算机模拟类实践课程的指导性教材较少。为了培养学生利用计算机模拟技术解决能源与动力工程实际问题的能力，加深他们对专业理论知识的理解，并为其将来从事能源与动力工程模拟工作或开展相关科学研究打下良好基础，我们在多年教学改革实践的基础上，编写了本书。
全书共分为八章，第1章介绍计算机模拟的基本理论及其在能源与动力工程专业的应用，第2章至第7章介绍热力学、流动、传热、多相流、燃烧与化学反应、流体机械6个专业细分方向上典型教学或实践案例的计算机模拟与分析方法，第8章介绍能源与动力工程专业的其他常用计算机模拟软件。本书在编写案例时，首先是介绍有关背景知识和科学规律，然后使用适当的定量描述方法构建研究对象的物理模型和数学模型，再采用合适的程序语言/软件和数值计算方法来进行运算求解并获得计算结果，最后对典型计算结果进行展示并加以分析讨论，力求做到理论与实践相结合，深入浅出地展现能源与动力工程计算机模拟的关键思路和主要方法。书中各种案例的程序设计与运算均以实例程序代码或软件操作教程为核心，所涉及的MATLAB、C++、OpenFOAM 等程序语言或开源软件均很常见，语言编译或软件操作容易上手且相关学习资料或操作手册获取方便。
本书由扬州大学刘向东教授担任主编，东南大学张程宾教授和邓梓龙副教授担任副主编，参与编写的人员包括扬州大学徐寅副教授、黄先北副教授、 孙振业副教授、于程副教授。其中刘向东编写第1章、第4章和第5章，张程宾编写第2章，邓梓龙编写第3章，徐寅编写第6章，黄先北编写7.1节和7.2节，孙振业编写7.3节和7.4节，于程编写第8章。
在本书编写过程中，课题组老师于程、沈超群、吴梁玉和研究生樊成成、卢悦、张玉峰等在文献整理、插图制作和文字校稿等方面提供了很多帮助，在此表示感谢。本书的出版还得到了国家自然科学基金和MathWorks图书计划的支持，在此一并感谢。
由于编者水平有限，加之编写时间仓促，恳请读者对书中的不妥之处批评指正。

编者

本书是一本利用计算机模拟技术开展能源与动力专业理论学习与实践的指导教材，以“物理模型＋ 数学模型＋ 代码实现” 的形式，介绍应用MATLAB、C＋＋、OpenFOAM 等常用计算机程序语言或开源软件进行能源与动力专业典型理论与工程案例的计算机模拟与分析，所展示的案例囊括了热力学、流动、传热、多相流、燃烧与化学反应、流体机械6 个专业细分方向，并给出了翔实的程序代码或软件操作流程。
本书将理论与实践相结合，内容丰富实用，语言通俗易懂，可作为能源与动力工程、新能源科学与工程，以及储能科学与工程等能源动力类专业计算机模拟实践类教学的课程教材，也可供从事能源动力研究的相关教师和科技工作者参考。

第1章 概述  001
1.1 计算机模拟的基本概念  001
1.2 计算机模拟的作用与特点  002
1.3 计算机模拟的基本步骤  003
1.4 计算机模拟在能源与动力工程专业的应用  003

第2章 热力学模拟  006
2.1 低温朗肯循环模拟  006
2.1.1 引言  006
2.1.2 物理模型  007
2.1.3 数学模型  007
2.1.4 程序设计与运算  008
2.1.5 结果展示与分析  009
2.2 热力循环工质优选模拟  010
2.2.1 引言  010
2.2.2 物理模型  011
2.2.3 数学模型  011
2.2.4 程序设计与运算  013
2.2.5 结果展示与分析  021
2.3 Kalina 循环模拟  021
2.3.1 引言  021
2.3.2 物理模型  022
2.3.3 数学模型  023
2.3.4 程序设计与运算  024
2.3.5 结果展示与分析  028
参考文献  028

第3章 流动模拟  029
3.1 顶盖驱动流模拟  029
3.1.1 引言  029
3.1.2 物理模型  029
3.1.3 数学模型  030
3.1.4 程序设计与运算  031
3.1.5 结果展示与分析  037
3.2 泊肃叶流模拟  038
3.2.1 引言  038
3.2.2 物理模型  038
3.2.3 数学模型  039
3.2.4 程序设计与运算  039
3.2.5 结果展示与分析  045
3.3 卡门涡街流模拟  046
3.3.1 引言  046
3.3.2 物理模型  046
3.3.3 数学模型  046
3.3.4 程序设计与运算  047
3.3.5 结果展示与分析  053
参考文献  054

第4章 传热模拟  055
4.1 一维稳态热传导模拟  055
4.1.1 引言  055
4.1.2 物理模型  055
4.1.3 数学模型  056
4.1.4 程序设计与运算  057
4.1.5 结果展示与分析  059
4.2 一维非稳态热传导模拟  059
4.2.1 引言  059
4.2.2 物理模型  060
4.2.3 数学模型  060
4.2.4 程序设计与运算  061
4.2.5 结果展示与分析  063
4.3 二维稳态热传导模拟  064
4.3.1 引言  064
4.3.2 物理模型  064
4.3.3 数学模型  065
4.3.4 程序设计与运算  066
4.3.5 结果展示与分析  071
4.4 二维非稳态热传导模拟  072
4.4.1 引言  072
4.4.2 物理模型  072
4.4.3 数学模型  073
4.4.4 程序设计与运算  074
4.4.5 结果展示与分析  080
参考文献  081

第5章 多相流模拟  082
5.1 剪切流场内液滴形变模拟  082
5.1.1 引言  082
5.1.2 物理模型  082
5.1.3 数学模型  083
5.1.4 程序设计与运算  084
5.1.5 结果展示与分析  094
5.2 二维Rayleigh-Taylor 不稳定性流动模拟  095
5.2.1 引言  095
5.2.2 物理模型  096
5.2.3 数学模型  096
5.2.4 程序设计与运算  097
5.2.5 结果展示与分析  113
5.3 单液滴蒸发模拟  114
5.3.1 引言  114
5.3.2 物理模型  114
5.3.3 数学模型  114
5.3.4 程序设计与运算  115
5.3.5 结果展示与分析  131
5.4 固液相变传热模拟  132
5.4.1 引言  132
5.4.2 物理模型  132
5.4.3 数学模型  133
5.4.4 程序设计与运算  134
5.4.5 结果展示与分析  141
参考文献  142

第6章 燃烧与化学反应模拟  144
6.1 化学反应动力学模拟  144
6.1.1 引言  144
6.1.2 物理模型  144
6.1.3 数学模型  145
6.1.4 程序设计与运算  145
6.1.5 结果展示与分析  146
6.2 绝热燃烧温度模拟  147
6.2.1 引言  147
6.2.2 物理模型  147
6.2.3 数学模型  147
6.2.4 程序设计与运算  148
6.2.5 结果展示与分析  156
6.3 化学体系热力学平衡模拟  156
6.3.1 引言  156
6.3.2 物理模型  157
6.3.3 数学模型  157
6.3.4 程序设计与运算  159
6.3.5 结果展示与分析  163
参考文献  164

第7章 流体机械模拟  166
7.1 离心泵内部流动模拟  166
7.1.1 引言  166
7.1.2 物理模型  167
7.1.3 数学模型  168
7.1.4 模拟设计与设置  169
7.1.5 结果展示与分析  174
7.2 水翼空化流场模拟  177
7.2.1 引言  177
7.2.2 物理模型  177
7.2.3 数学模型  178
7.2.4 模拟设计与设置  179
7.2.5 结果展示与分析  185
7.3 风力机翼型气动模拟  188
7.3.1 引言  188
7.3.2 物理模型  189
7.3.3 数学模型  189
7.3.4 程序设计与运算  190
7.3.5 结果展示与分析  193
7.4 风力机风轮气动模拟  194
7.4.1 引言  194
7.4.2 物理模型  194
7.4.3 数学模型  198
7.4.4 程序设计与运算  202
7.4.5 结果展示与分析  206
参考文献  207

第8章 能源与动力工程专业其他常用计算机模拟软件  208
8.1 ANSYS Fluent  208
8.2 ANSYS CFX  210
8.3 Aspen Plus  211
8.4 COMSOL Multiphysics  212
参考文献  213