前言

流体的流动规律以三大守恒定律，即质量守恒定律、动量守恒定律和能量守恒定律为基础。一方面，这些定律由数学方程组来描述，但由于这些方程组是非线性的，因此利用传统的求解方法解决复杂问题时无法得到分析解。另一方面，随着计算机技术的不断发展和进步，计算流体动力学（CFD）逐渐在流体力学研究领域崭露头角，它通过计算机数值计算和图像显示方法，在时间和空间上定量描述流场的数值解，从而达到研究物理问题的目的。它兼具理论性和实践性，成为继理论流体力学和实验流体力学之后的又一种重要研究手段。

Fluent是国际流行的商用CFD软件包，包含基于压力的分离求解器和耦合求解器、基于密度的隐式求解器和显式求解器。它具有丰富的物理模型、先进的数值方法和强大的前后处理功能，可对高超音速流场、传热与相变、化学反应与燃烧、多相流、旋转机械、动/变形网格、噪声、材料加工复杂激励等流动问题进行精确的模拟，具有较高的可信度。

本书以ANSYS Fluent 2022作为软件平台，详尽地讲解了Fluent软件的使用方法，全书共15章，各章的主要内容如下。

第1章：Fluent软件概述。讲解Fluent软件的特点、Fluent与ANSYS Workbench之间的关系以及在Workbench中使用Fluent的方法等内容，并在此基础上介绍Fluent的基本操作。

第2章：前处理方法。简要介绍主流前处理软件Fluent Meshing及ANSYS ICEM的功能及特点，并通过实例介绍使用Fluent Meshing及ICEM CFD划分三维结构化网格的方法。

第3章：后处理方法。主要介绍两种对Fluent结果文件进行后处理的途径：Fluent内置后处理、Workbench CFD-Post通用后处理器，以及运用这两种途径进行可视化图形处理、渲染以及图表、曲线和报告的生成方法。

第4章：Fluent常用边界条件。首先对Fluent中提供的各种边界条件进行分类，然后阐述Fluent中流动入口和出口边界的各种参数确定方法，重点介绍Fluent中若干种常用边界条件的使用条件及方法。

第5章：导热问题数值模拟。首先介绍导热的基础理论，即傅里叶定律，然后通过两个实例对导热问题进行具体的数值模拟分析，包括有内热源的导热问题以及钢球非稳态冷却过程的数值模拟。

第6章：流体流动与传热数值模拟。首先介绍流体的两种流动状态——层流和湍流，然后介绍Fluent中的湍流模型，包括Spalart-Allmaras模型、k-ε模型、k-ω模型等。最后通过4个实例对其流场和温度场进行数值模拟。

其中引射器内流场、圆柱绕流和二维离心泵内流场的数值模拟属于流体流动的数值模拟；地埋管流固耦合换热的数值模拟属于强制对流与导热耦合的数值模拟。

第7章：自然对流与辐射换热数值模拟。首先介绍自然对流与辐射换热的理论知识，然后通过3个实例分别对自然对流与辐射换热进行数值模拟。

两相连方腔内自然对流换热的数值模拟，左侧高温壁面以自然对流的形式通过中间壁面向右侧壁面传热，通过数值模拟可准确预测其内部温度场、压力场和速度场。

烟道内烟气对流辐射换热的数值模拟，主要是烟气中的三原子气体、非对称结构的双原子气体等对壁面有辐射换热，通过数值模拟可准确预测其内部的温度场、速度场。

室内通风问题模拟的是在英国菲尔德Fluent欧洲办事处接待区的通风问题，考虑了不同材质墙体的传热和辐射问题，同时加载了夏季的太阳模型，得到室内温度分布情况和墙面太阳热流分布。

第8章：凝固和熔化过程数值模拟。首先介绍凝固熔化模型的基础理论，然后通过一个实例对其进行数值模拟，通过数值模拟可清晰地看到熔化过程固液相的变化，并计算出冰块熔化所需要的时间。

第9章：多相流模型数值模拟。首先介绍多相流的基础知识，然后介绍Fluent中的3种多相流模型，最后通过4个实例进行数值模拟。

其中孔口出流、水中气泡的上升属于VOF模型，气穴现象的数值模拟属于Mixture模型，水流对沙滩冲刷过程的数值模拟属于Eulerian模型。

第10章：离散相数值模拟。首先介绍离散相模型的基础知识，然后通过两个实例进行详细的数值模拟分析。

引射器离散相流场的数值模拟，是在第7.2节引射器内流场的基础上添加离散相模型，用于模拟其内部烟灰的流动特性；喷淋过程的数值模拟是利用离散相的喷雾模型，对喷淋过程进行数值模拟。

第11章：组分传输与气体燃烧数值模拟。首先介绍基础理论知识，然后通过3个实例进行数值模拟分析。

室内甲醛污染物浓度的数值模拟，利用数值模拟方法准确预测室内甲醛的浓度；焦炉煤气燃烧和预混气体化学反应的模拟，利用数值模拟方法对多组分气体燃烧进行模拟，得到其温度场、速度场和各组分的浓度场。

第12章：动网格问题数值模拟。首先介绍Fluent动网格的基础理论知识，然后通过4个实例进行数值模拟，包括两车交会过程、运动物体强制对流换热、双叶轮旋转流场和单级轴流涡轮机模型内部流场的数值模拟。

第13章：多孔介质内流动与换热数值模拟。首先介绍多孔介质的基础理论知识，然后介绍Fluent多孔介质模型，最后通过3个实例进行数值模拟分析。

第14章：UDF基础应用。首先介绍UDF（用户自定义函数）的基本用法，然后用3个实例演示UDF在定义物性参数、求解多孔介质和定义运动参数等方面的应用。

第15章：燃料电池问题模拟。主要向读者介绍如何使用Fluent中的燃料电池附件模块来求解单通道逆流聚合物电解质膜（PEM）燃料电池问题。

本书致力于探索ANSYS软件发展的前沿，对Fluent 2022软件的部分新功能进行详细的介绍与案例分析，希望对读者有所帮助。读者可通过异步社区网站获取本书配套资源，还可以扫描书中所附的二维码观看图书配套视频，提升学习效果。

说明：目前ANSYS Fluent 2022中文版需要在Workbench平台内启动Fluent分析项目才可以实现。本书中的案例均是在ANSYS Workbench平台内启动Fluent，然后进行后续分析。

虽然作者在本书的编写过程中力求叙述准确、完善，但由于水平有限，书中欠妥之处在所难免，欢迎读者指正，共同提高本书质量。读者在阅读过程中遇到与本书有关的问题，可访问“仿真技术”公众号并回复“RYFL001”获取相关资源，还可加入交流群。