热能工程与先进能源技术仿真与设计

《热能工程与先进能源技术仿真与设计》：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。书中主要以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接近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。
《热能工程与先进能源技术仿真与设计》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
4.1.1COMSOLR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
4.3.1COMSOL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
5.2Fick’smodel简介163
5.3Stefan-Maxwellmodel简介163
5.4Dustygasmodel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
5.6FM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
5.7SMM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
5.8DGMFM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