建筑节能与环境安全数值计算方法

　　本书是土木工程学科相关的流动与传热问题的入门教材，旨在读者通过学习，能够较好地掌握数值计算方法，高效地使用现代商业数值计算软件求解问题。 数值模拟研究（主要指计算流体动力学，Computational Fluid Dynamics， CFD）具有成本低、速度快、能模拟各种较复杂工况、输出资料完备等优点，得到广泛应用。经过一定考核的CFD软件可以拓宽实验研究的范围，补充理论分析及实验研究的空缺。数值模拟已经成为求解工程领域流动与传热问题的重要研究手段。 与商业CFD软件学习指南不同，本书是作者20余年从事建筑通风与节能、建筑环境安全领域数值模拟研究的教学和科研工作经验的提炼，既注重流体流动与传热问题数值计算的基础理论，如数学模型离散过程的离散格式和算法等，又注重结合商业CFD软件的应用过程需要的理论知识和技术手段，如计算域确定、网格划分、方程离散等。考虑到研究生阶段的学习目标，书中介绍了高水平期刊展示数值模拟研究成果的主要论文，有助于研究生学习如何合理展示自己的科研成果。 书中部分彩图采用二维码链接，微信扫描二维码可看彩图。 本书对CFD软件的学习和应用以及拓展工程领域科学问题的研究思路有一定的参考价值。 本书可作为土建类、能源动力类等相关专业研究生的教材，也可作为土木建筑领域的建筑环境、通风与气流组织、建筑节能、建筑结构空间火灾安全、室内环境控制及风环境工程等的科研人员、设计工程师，相关专业的本科生和教师的参考书。

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前言

第一部分数值模拟的基本理论

第1章绪论2

1.1计算流体动力学基础2

1.2数值模拟与其他研究手段的关系4

1.3数值模拟的实施过程及软件结构7

1.4建筑行业数值模拟的应用研究10

本章小结12

习题12

第2章描写流动与传热问题的控制方程13

2.1流动的分类13

2.2流体流动模型的基本概念 15

2.3层流状态下流动与传热问题的控制方程 17

2.4湍流状态下流动与传热问题的控制方程 31

2.5描述湍流流动的模型38

2.6控制方程的数学分类及其对数值解的影响48

2.7流动与传热的物理问题及描述坐标的类型50

本章小结51

习题51

第3章计算域的确定及网格划分53

3.1外部流动和内部流动的定义53

3.2依据物理模型确立计算域55

3.3计算域边界的合理设置56

3.4计算域网格划分及网格生成技术60

3.5关于网格生成问题的进一步说明64

本章小结70

习题71

第4章控制方程的离散化及离散格式72

4.1数值模拟常用的离散方法72

4.2建立离散方程的数学物理方法73

4.3基于有限体积法的通用控制方程离散80

4.4多维非稳态离散方程建立86

4.5离散方程的误差及方程的相容性、收敛性及稳定性90

4.6构造离散方程对流项常用的离散格式97

4.7离散方程的边界条件和源项的处理104

4.8求解离散方程的三对角阵算法111

本章小结113

习题113

第5章求解压力-速度流动问题的原始变量法116

5.1不可压缩流体数值解法的分类116

5.2不可压缩流动求解中的关键问题117

5.3交叉网格及动量方程的离散118

5.4求解N-S方程的压力修正方法——分离式求解方法120

5.5SIMPLE 算法步骤及案例123

5.6加速SIMPLE系列算法收敛速度的一些方法125

5.7SIMPLE 算法的改进127

5.8孤岛问题的数值处理方法134

本章小结135

习题135

第6章流场的数值求解过程收敛及结果处理137

6.1流场迭代收敛的判据137

6.2CFD常用的判断收敛的方法139

6.3数值模拟结果的后处理140

本章小结144

第二部分建筑通风节能与环境安全领域的数值模拟应用第7章建筑通风与节能领域问题的数值模拟应用案例147

7.1建筑不同开口形式对自然通风效果影响的数值研究147

7.2建筑通风屋顶太阳能烟囱最佳倾角数值模拟研究158

7.3避免置换通风和冷却顶板结合系统结露策略的数值模拟研究164

建筑节能与环境安全数值计算方法目录第8章房间气流组织及污染物控制效果的数值模拟应用案例172

8.1典型化学实验室不同通风策略下气体污染物传输特性研究172

8.2基于推拉式通风系统的住宅厨房污染物控制研究184

8.3疫情期间临时建设医院病房排风对周围环境影响的研究196

第9章流场中存在移动物体工况的动网格数值模拟研究案例205

9.1公路弯曲隧道交通力对通风影响的数值模拟研究205

9.2地铁隧道中列车速度和阻塞率对烟气扩散特性影响的模拟研究212

第10章狭长受限空间内火灾烟气流动及控制数值模拟研究案例221

10.1隧道空间内火灾烟气流动及控制的数值模拟研究221

10.2外界环境风对带竖井自然通风隧道排烟效果的影响研究228

10.3环境风对城市街谷火灾产生浮力羽流影响的大涡模拟研究233

参考文献241