热能工程与先进能源技术仿真与设计

能量转化中涉及的传热、传质及导电过程具有通用性和代表性。本书是针对能源技术的基本技术特征，运用COMSOL Multiphysics软件对热能工程及几种可再生能源的仿真模拟与设计，对具体的工程技术有一定的借鉴作用。稿件所基于的软件COMSOL Multiphysics是能源、力学等多物理场仿真的通用软件，对其他学科也具有一定的参考价值。

 能源应用技术是人类社会文明发展的主要推动力。近年来，随着不同专业技术的发展，人类能源应用方式也日新月异。总的来说，虽然大部分能源应用技术都是基于能量转化原理运作的，但就整个能源应用体系而言，绝大部分能源应用系统是一个多学科知识体系相互交叉应用的过程。简单而言，无论基于化学能-热能转化原理的燃煤发电技术，还是基于光-热转化原理的集光型热动力发电技术、基于核能-热能转化原理的核发电技术、抑或是基于电化学发电原理的燃料电池发电技术，从整个能源应用系统层面来看，大部分能源应用过程大都会涉及动量传递、传热、传质以及导电过程的研究。因此，发展和掌握对某种具体能源应用技术进行动量传递-传质-传热-电磁工程等多物理场数值仿真分析技能，对于从事能源学科领域的操作和分析工作具有重要的意义，这也是本书内容设计和介绍的重点。
 全书共分10章，依次介绍能源的利用、COMSOL Multiphysics?（“Image made using COMSOL Multiphysics? and is provided courtesy of COMSOL?”）几何结构的创建、COMSOL Multiphysics ?网格的划分、各种方程的求解、传质理论及仿真、传热理论及仿真、导电理论及仿真、燃料电池基础理论和燃料电池的仿真。
 第1章：首先就目前能源使用与环境进行了简单阐述；其次针对当前多种多样的能源应用方式进行了概述，并主要从燃煤发电、太阳能热水系统、太阳能制冷、塔式/碟式/槽式太阳能热动力发电、太阳能烟囱发电、太阳能光伏电池、纳米晶太阳能电池、核能发电、燃料电池发电、潮汐能/波浪能/洋流/海洋温差能发电、水力能/风能/生质能/地热能发电等能源利用技术的工作原理、系统组成和工作过程进行了简单介绍；最后，在对各种能源使用技术进行归纳分析的基础上，阐述了发展传热-传质-电磁工程仿真技术的重要性。
 第2章：介绍了一维、二维、三维规则几何结构的创建、几何结构间的布尔运算以及几何结构的变换如阵列、移动、缩放、旋转、镜像等，最后针对二维和三维分别介绍了一个综合实例。
 第3章：介绍了自由网格、结构网格、边界网格、拉伸网格等的绘制方法，以及网格大小分布的控制方法，最后介绍了一个网格划分的综合实例。
 第4章：结合实例介绍了代数方程、超越方程、常微分方程、偏微分方程、微分代数方程的求解方法。
 第5章：介绍了四种不同的传质模型Fick’s model、 Stefan-Maxwell model、 Dusty gas model、具有菲克定律形式的尘气模型，并分别介绍了Fick’s model、Stefan-Maxwell model、具有菲克定律形式的尘气模型的应用实例。
 第6章：介绍了热传导、热对流和热辐射三种传热机制，并分别针对热传导、热对流和热辐射介绍了三个实例。
 第7章：介绍了自由空间中的动量方程和多孔介质中的动量方程，然后针对层流和湍流分别介绍了一个实例。
 第8章：介绍了电荷守恒方程和电子电导率和离子电导率的计算，然后介绍了随机多孔介质有效电导率的计算。
 第9章：介绍了燃料电池起源、发展、分类、I-V曲线和开路电压的计算，然后介绍了燃料电池工作过程所涉及的控制方程。
 第10章：介绍了固体氧化物燃料电池多物理场模型的控制方程、边界设置、模型参数以及建模过程。
 本书具有鲜明的特色，主要体现在以下几方面。
 （1）考虑多物理场间的相互作用。
 多物理场间的相互作用比较复杂，为了让读者更好地理解多物理场间的相互耦合，本书首先介绍了传质过程、传热过程、导电过程等单个物理过程的仿真，然后以燃料电池为例详细介绍多物理场间的耦合。
 （2）本书采用理论+实例的方式，使读者容易上手。
 数值仿真首先需要彻底理解研究问题所满足的物理规律即控制方程以及边界条件。明确了控制方程和边界条件之后，接下来是如何使用软件对研究问题进行求解。因此本书采用了理论+实例的方式。首先介绍相关的理论知识，然后针对具体的案例分析其所涉及的控制方程和边界条件，最后再一步一步地介绍如何实现对本案例的仿真。
 （3）详细的实例介绍+提供实例模型。
 本书详细介绍了实例的每一步操作，而大多数仿真书籍对实例的介绍都不足够详细，导致在学习书中实例时不知如何实现书中所展示的结果。为了使读者顺利完成本书所讲实例，书中不仅详细说明了实例每一步操作如何实现，而且还提供了实例模型，以供参考。
 （4）实例讲解采用了文字说明+插图的方式，让读者一看就懂，一学就会。
 仿真涉及大量的操作，如果没有操作插图，因找不到相应的按钮，可能会给读者带来很大的学习障碍。为了节约学习时间，提高学习效率，本书提供了大量的操作插图，降低了错误操作的可能性。
 （5）本书实例具有代表性。
 本书的实例是基于多年的仿真研究精心挑选出来的，所选实例基本覆盖了不同机制的传热传质过程。例如，传热的三种机制：热传导、热对流、热辐射，在本书第6章第一个例子中涉及热传导、热对流，第6章第二个例子中涉及热传导、热对流和热辐射。
 本书主要由苏石川、孔为、陈代芬、韩雷涛编著，王亮、邵长斌、高祥、张强、何欢欢、张顺东、张文、雷洪涛也参与了本书的编写，在此一并表示感谢。感谢COMSOL Multiphysics公司和王刚工程师、安琳工程师、李淑云经理在建模方面的帮助。此外，特别感谢化学工业出版社的相关编辑在本书的编写过程中所给予的帮助和支持！由于作者水平有限，疏漏与不足之处在所难免，敬请同行与读者不吝赐教。
 书中的相关实例请到百度网盘（http：//pan.baidu.com/）中下载，用户名：2568675707@qq.com，密码：comsol123456。若读者在学习过程中遇到困难可以加入QQ群（122901261）咨询。
 
              　编 著 者
              　2014年6月

 能量转化的核心基础可能是多种多样的，但就其整个能源应用装置而言，大部分能源利用技术的研究、发展到最终的商业化都涉及传热、传质及导电过程的工程分析设计。
 本书主要以COMSOL Multiphysics?软件为工具，首先介绍了传质、传热、导电等单个物理过程的仿真，然后以燃料电池为例详细介绍多物理场间的耦合仿真。在经典物理的范畴内，大部分工程问题都可抽象为二阶及二阶以下的微分方程形式，因此本书中基于传热、传质及导电的耦合研究方法完全可推广应用于能源应用研究过程中遇到的其他物理、化学过程的工程建模分析。读者通过对本书的阅读和理解，可系统掌握使用有限元工程软件针对能源应用研究过程中遇到的各种工程问题进行数值建模和分析优化设计的技能。
 本书可供COMSOL软件用户，化工领域的本科生、研究生，能源动力类的本科生、研究生使用，也可供能源行业技术人员、研究人员参考。

第1章 绪论
1.1 能源使用与环境	1
1.2 当前能源利用概述	2
1.2.1 锅炉燃烧及燃煤发电概述	2
1.2.2 太阳能直接热利用概述	3
1.2.3 太阳能光伏发电概述	8
1.2.4 核能发电技术概述	8
1.2.5 燃料电池发电技术概述	10
1.2.6 海洋能（潮汐能、波浪能、洋流能、海洋温差能）利用概述	11
1.2.7 水力能、风能、生物质能、地热能利用概述	13
1.3 发展传热-传质-电磁工程仿真技术的重要性	16
参考文献	20

第2章 几何结构
2.1 建立一维几何结构	21
2.1.1 点的建立	21
2.1.2 线段的建立	23
2.1.3 多段线的建立	24
2.2 建立二维几何结构	24
2.2.1 圆的创建	25
2.2.2 椭圆的创建	27
2.2.3 矩形的创建	28
2.2.4 正方形的创建	29
2.2.5 多边形的创建	30
2.3 二维几何结构的布尔运算	30
2.3.1 并集	30
2.3.2 交集	32
2.3.3 差集	33
2.3.4 组合	36
2.4 编辑二维几何结构	37
2.4.1 选择几何结构对象	38
2.4.2 修改几何结构对象	39
2.4.3 创建几何结构对象副本	43
2.5 倒角与圆角	49
2.5.1 倒角	49
2.5.2 圆角	50
2.6 二维综合实例	52
2.7 建立三维几何结构	63
2.7.1 长方体的创建	63
2.7.2 圆柱体的创建	64
2.7.3 圆锥体的创建	66
2.7.4 球体的创建	67
2.8 通过二维对象创建三维模型	68
2.8.1 拉伸	68
2.8.2 旋转	69
2.9 三维几何结构的布尔运算	72
2.9.1 并集	72
2.9.2 交集	73
2.9.3 差集	74
2.10 编辑三维几何结构	76
2.10.1 阵列	76
2.10.2 复制	79
2.10.3 镜像	80
2.10.4 移动	82
2.10.5 旋转	83
2.11 三维综合实例	85
参考文献	97

第3章 网格划分
3.1 建立自由三角形网格	98
3.1.1 根据系统默认尺寸直接生成自由网格	98
3.1.2 利用Size控制不同边的网格尺寸	98
3.1.3 利用Size控制不同区域的网格尺寸	100
3.1.4 利用Distribution控制不同边的网格数量	101
3.2 建立结构网格	103
3.3 建立自由四边形网格	104
3.4 建立边界层网格	105
3.5 建立拉伸网格	107
3.6 建立双重网格	109
3.7 建立装配体网格	111
3.8 边网格	114
3.9 复制网格	117
3.9.1 复制面网格	117
3.9.2 复制体网格	119
3.10 网格转换	121
3.10.1 面转换	121
3.10.2 体转换	123
3.11 网格划分综合实例	124
参考文献	129

第4章 数学方程求解
4.1 代数方程	130
4.1.1 COMSOL? 默认算子、常数及函数	130
4.1.2 一元一阶方程求解过程	131
4.1.3 一元多阶方程的求解	133
4.1.4 二元一阶方程组求解	134
4.1.5 二元多阶方程组	136
4.2 超越方程	137
4.3 微分方程	138
4.3.1 COMSOL符号约定	138
4.3.2 微分方程的分类	139
4.3.3 常微分方程	139
4.3.4 偏微分方程	144
4.3.5 微分代数方程	153
4.3.6 经典微分方程	155
参考文献 	160

第5章 传质仿真
5.1 物质扩散涉及的物理量	161
5.2 Fick’s model简介	163
5.3 Stefan–Maxwell model简介	163
5.4 Dusty gas model简介	164
5.5 具有菲克定律形式的尘气模型简介	166
5.5.1 两组分尘气模型	166
5.5.2 多组分尘气模型	167
5.6 FM应用实例	169
5.6.1 引言	169
5.6.2 模型定义	169
5.6.3 结果与讨论	169
5.6.4 模型简介	169
5.7 SMM应用实例	177
5.7.1 引言	177
5.7.2 模型定义	177
5.7.3 模型简介	178
5.8 DGMFM应用实例	186
5.8.1 引言	186
5.8.2 模型定义	186
5.8.3 模型简介	187
参考文献	193

第6章 传热仿真
6.1 热传导	194
6.2 热对流	195
6.3 热辐射	195
6.4 换热器仿真	196
6.4.1 引言	196
6.4.2 模型定义	197
6.4.3 结果与讨论	197
6.4.4 模型简介	197
6.5 汽车刹车盘在刹车前后温度变化仿真	205
6.5.1 引言	205
6.5.2 模型定义	205
6.5.3 结果与讨论	207
6.5.4 模型简介	207
6.6 水杯中的自然对流仿真	216
6.6.1 引言	216
6.6.2 模型定义	216
6.6.3 结果与讨论	216
6.6.4 模型简介	218
参考文献	224

第7章 动量仿真
7.1 自由空间中的动量方程	225
7.2 多孔介质中的动量方程	226
7.3 流体阀仿真	227
7.3.1 引言	227
7.3.2 模型定义	227
7.3.3 模型简介	228
7.4 混合器内部流场数值模拟	234
7.4.1 引言	234
7.4.2 模型定义	234
7.4.3 结果与讨论	235
7.4.4 模型简介	236
参考文献	242

第8章 导电仿真
8.1 电荷守恒方程	243
8.2 电导率	244
8.3 有效电导率的计算	247
8.3.1 引言	247
8.3.2 模型定义	247
8.3.3 结果与讨论	247
8.3.4 模型简介	248
参考文献	254

第9章 燃料电池理论基础
9.1 能源危机	255
9.2 燃料电池简介	255
9.2.1 燃料电池起源与发展	255
9.2.2 燃料电池的分类	256
9.2.3 固体氧化物燃料电池的开路电压（Nernst势）	256
9.2.4 固体氧化物燃料电池的I-V曲线	258
9.3 固体氧化物燃料电池的数学模型	259
9.3.1 固体氧化物燃料电池的几何结构	259
9.3.2 动量守恒方程	260
9.3.3 能量守恒方程	261
9.3.4 质量守恒方程	262
9.3.5 导电方程	263
9.3.6 电化学模型	264
参考文献	267

第10章 固体氧化物燃料电池仿真
10.1 固体氧化物燃料电池多物理场模型	269
10.1.1 引言	269
10.1.2 模型定义	269
10.2 模型简介	274
10.2.1 模型向导	274
10.2.2 全局定义	274
10.2.3 创建几何模型	276
10.2.4 定义设置	277
10.2.5 边界条件设置	282
10.2.6 网格划分	290
10.2.7 计算	292
10.2.8 结果与讨论	292
参考文献	293