熱能工程與先進能源技術模擬與設計（簡體書）

能量轉化的核心基礎可能是多種多樣的，但就其整個能源應用裝置而言，大部分能源利用技術的研究、發展到最終的商業化都涉及傳熱、傳質及導電過程的工程分析設計。
本書主要以COMSOL Multiphysics?軟件為工具，首先介紹了傳質、傳熱、導電等單個物理過程的仿真，然后以燃料電池為例詳細介紹多物理場間的耦合仿真。在經典物理的范疇內，大部分工程問題都可抽象為二階及二階以下的微分方程形式，因此本書中基于傳熱、傳質及導電的耦合研究方法完全可推廣應用于能源應用研究過程中遇到的其他物理、化學過程的工程建模分析。讀者通過對本書的閱讀和理解，可系統掌握使用有限元工程軟件針對能源應用研究過程中遇到的各種工程問題進行數值建模和分析優化設計的技能。
本書可供COMSOL軟件用戶，化工領域的本科生、研究生，能源動力類的本科生、研究生使用，也可供能源行業技術人員、研究人員參考。

能量轉化中涉及的傳熱、傳質及導電過程具有通用性和代表性。本書是針對能源技術的基本技術特征，運用COMSOL Multiphysics軟件對熱能工程及幾種可再生能源的仿真模擬與設計，對具體的工程技術有一定的借鑒作用。稿件所基于的軟件COMSOL Multiphysics是能源、力學等多物理場仿真的通用軟件，對其他學科也具有一定的參考價值。

第1章 緒論
1.1 能源使用與環境 1
1.2 當前能源利用概述 2
1.2.1 鍋爐燃燒及燃煤發電概述 2
1.2.2 太陽能直接熱利用概述 3
1.2.3 太陽能光伏發電概述 8
1.2.4 核能發電技術概述 8
1.2.5 燃料電池發電技術概述 10
1.2.6 海洋能（潮汐能、波浪能、洋流能、海洋溫差能）利用概述 11
1.2.7 水力能、風能、生物質能、地熱能利用概述 13
1.3 發展傳熱-傳質-電磁工程仿真技術的重要性 16
參考文獻 20

第2章 幾何結構
2.1 建立一維幾何結構 21 第1章 緒論
1.1 能源使用與環境 1
1.2 當前能源利用概述 2
1.2.1 鍋爐燃燒及燃煤發電概述 2
1.2.2 太陽能直接熱利用概述 3
1.2.3 太陽能光伏發電概述 8
1.2.4 核能發電技術概述 8
1.2.5 燃料電池發電技術概述 10
1.2.6 海洋能（潮汐能、波浪能、洋流能、海洋溫差能）利用概述 11
1.2.7 水力能、風能、生物質能、地熱能利用概述 13
1.3 發展傳熱-傳質-電磁工程仿真技術的重要性 16
參考文獻 20

第2章 幾何結構
2.1 建立一維幾何結構 21
2.1.1 點的建立 21
2.1.2 線段的建立 23
2.1.3 多段線的建立 24
2.2 建立二維幾何結構 24
2.2.1 圓的創建 25
2.2.2 橢圓的創建 27
2.2.3 矩形的創建 28
2.2.4 正方形的創建 29
2.2.5 多邊形的創建 30
2.3 二維幾何結構的布爾運算 30
2.3.1 并集 30
2.3.2 交集 32
2.3.3 差集 33
2.3.4 組合 36
2.4 編輯二維幾何結構 37
2.4.1 選擇幾何結構對象 38
2.4.2 修改幾何結構對象 39
2.4.3 創建幾何結構對象副本 43
2.5 倒角與圓角 49
2.5.1 倒角 49
2.5.2 圓角 50
2.6 二維綜合實例 52
2.7 建立三維幾何結構 63
2.7.1 長方體的創建 63
2.7.2 圓柱體的創建 64
2.7.3 圓錐體的創建 66
2.7.4 球體的創建 67
2.8 通過二維對象創建三維模型 68
2.8.1 拉伸 68
2.8.2 旋轉 69
2.9 三維幾何結構的布爾運算 72
2.9.1 并集 72
2.9.2 交集 73
2.9.3 差集 74
2.10 編輯三維幾何結構 76
2.10.1 陣列 76
2.10.2 復制 79
2.10.3 鏡像 80
2.10.4 移動 82
2.10.5 旋轉 83
2.11 三維綜合實例 85
參考文獻 97

第3章 網格劃分
3.1 建立自由三角形網格 98
3.1.1 根據系統默認尺寸直接生成自由網格 98
3.1.2 利用Size控制不同邊的網格尺寸 98
3.1.3 利用Size控制不同區域的網格尺寸 100
3.1.4 利用Distribution控制不同邊的網格數量 101
3.2 建立結構網格 103
3.3 建立自由四邊形網格 104
3.4 建立邊界層網格 105
3.5 建立拉伸網格 107
3.6 建立雙重網格 109
3.7 建立裝配體網格 111
3.8 邊網格 114
3.9 復制網格 117
3.9.1 復制面網格 117
3.9.2 復制體網格 119
3.10 網格轉換 121
3.10.1 面轉換 121
3.10.2 體轉換 123
3.11 網格劃分綜合實例 124
參考文獻 129

第4章 數學方程求解
4.1 代數方程 130
4.1.1 COMSOL? 默認算子、常數及函數 130
4.1.2 一元一階方程求解過程 131
4.1.3 一元多階方程的求解 133
4.1.4 二元一階方程組求解 134
4.1.5 二元多階方程組 136
4.2 超越方程 137
4.3 微分方程 138
4.3.1 COMSOL符號約定 138
4.3.2 微分方程的分類 139
4.3.3 常微分方程 139
4.3.4 偏微分方程 144
4.3.5 微分代數方程 153
4.3.6 經典微分方程 155
參考文獻 160

第5章 傳質仿真
5.1 物質擴散涉及的物理量 161
5.2 Fick’s model簡介 163
5.3 Stefan–Maxwell model簡介 163
5.4 Dusty gas model簡介 164
5.5 具有菲克定律形式的塵氣模型簡介 166
5.5.1 兩組分塵氣模型 166
5.5.2 多組分塵氣模型 167
5.6 FM應用實例 169
5.6.1 引言 169
5.6.2 模型定義 169
5.6.3 結果與討論 169
5.6.4 模型簡介 169
5.7 SMM應用實例 177
5.7.1 引言 177
5.7.2 模型定義 177
5.7.3 模型簡介 178
5.8 DGMFM應用實例 186
5.8.1 引言 186
5.8.2 模型定義 186
5.8.3 模型簡介 187
參考文獻 193

第6章 傳熱仿真
6.1 熱傳導 194
6.2 熱對流 195
6.3 熱輻射 195
6.4 換熱器仿真 196
6.4.1 引言 196
6.4.2 模型定義 197
6.4.3 結果與討論 197
6.4.4 模型簡介 197
6.5 汽車剎車盤在剎車前后溫度變化仿真 205
6.5.1 引言 205
6.5.2 模型定義 205
6.5.3 結果與討論 207
6.5.4 模型簡介 207
6.6 水杯中的自然對流仿真 216
6.6.1 引言 216
6.6.2 模型定義 216
6.6.3 結果與討論 216
6.6.4 模型簡介 218
參考文獻 224

第7章 動量仿真
7.1 自由空間中的動量方程 225
7.2 多孔介質中的動量方程 226
7.3 流體閥仿真 227
7.3.1 引言 227
7.3.2 模型定義 227
7.3.3 模型簡介 228
7.4 混合器內部流場數值模擬 234
7.4.1 引言 234
7.4.2 模型定義 234
7.4.3 結果與討論 235
7.4.4 模型簡介 236
參考文獻 242

第8章 導電仿真
8.1 電荷守恒方程 243
8.2 電導率 244
8.3 有效電導率的計算 247
8.3.1 引言 247
8.3.2 模型定義 247
8.3.3 結果與討論 247
8.3.4 模型簡介 248
參考文獻 254

第9章 燃料電池理論基礎
9.1 能源危機 255
9.2 燃料電池簡介 255
9.2.1 燃料電池起源與發展 255
9.2.2 燃料電池的分類 256
9.2.3 固體氧化物燃料電池的開路電壓（Nernst勢） 256
9.2.4 固體氧化物燃料電池的I-V曲線 258
9.3 固體氧化物燃料電池的數學模型 259
9.3.1 固體氧化物燃料電池的幾何結構 259
9.3.2 動量守恒方程 260
9.3.3 能量守恒方程 261
9.3.4 質量守恒方程 262
9.3.5 導電方程 263
9.3.6 電化學模型 264
參考文獻 267

第10章 固體氧化物燃料電池仿真
10.1 固體氧化物燃料電池多物理場模型 269
10.1.1 引言 269
10.1.2 模型定義 269
10.2 模型簡介 274
10.2.1 模型向導 274
10.2.2 全局定義 274
10.2.3 創建幾何模型 276
10.2.4 定義設置 277
10.2.5 邊界條件設置 282
10.2.6 網格劃分 290
10.2.7 計算 292
10.2.8 結果與討論 292
參考文獻 293

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