前言

能源應(yīng)用技術(shù)是人類社會(huì)文明發(fā)展的主要推動(dòng)力。近年來，隨著不同專業(yè)技術(shù)的發(fā)展，人類能源應(yīng)用方式也日新月異。總的來說，雖然大部分能源應(yīng)用技術(shù)都是基于能量轉(zhuǎn)化原理運(yùn)作的，但就整個(gè)能源應(yīng)用體系而言，絕大部分能源應(yīng)用系統(tǒng)是一個(gè)多學(xué)科知識(shí)體系相互交叉應(yīng)用的過程。簡(jiǎn)單而言，無論基于化學(xué)能－熱能轉(zhuǎn)化原理的燃煤發(fā)電技術(shù)，還是基于光－熱轉(zhuǎn)化原理的集光型熱動(dòng)力發(fā)電技術(shù)、基于核能－熱能轉(zhuǎn)化原理的核發(fā)電技術(shù)、抑或是基于電化學(xué)發(fā)電原理的燃料電池發(fā)電技術(shù)，從整個(gè)能源應(yīng)用系統(tǒng)層面來看，大部分能源應(yīng)用過程大都會(huì)涉及動(dòng)量傳遞、傳熱、傳質(zhì)以及導(dǎo)電過程的研究。因此，發(fā)展和掌握對(duì)某種具體能源應(yīng)用技術(shù)進(jìn)行動(dòng)量傳遞－傳質(zhì)－傳熱－電磁工程等多物理場(chǎng)數(shù)值仿真分析技能，對(duì)于從事能源學(xué)科領(lǐng)域的操作和分析工作具有重要的意義，這也是本書內(nèi)容設(shè)計(jì)和介紹的重點(diǎn)。

全書共分10章，依次介紹能源的利用、COMSOL Multiphysics（“Image made using COMSOL Multiphysicsand is provided courtesy of COMSOL”）幾何結(jié)構(gòu)的創(chuàng)建、COMSOL Multiphysics網(wǎng)格的劃分、各種方程的求解、傳質(zhì)理論及仿真、傳熱理論及仿真、導(dǎo)電理論及仿真、燃料電池基礎(chǔ)理論和燃料電池的仿真。

第1章：首先就目前能源使用與環(huán)境進(jìn)行了簡(jiǎn)單闡述；其次針對(duì)當(dāng)前多種多樣的能源應(yīng)用方式進(jìn)行了概述，并主要從燃煤發(fā)電、太陽能熱水系統(tǒng)、太陽能制冷、塔式/碟式/槽式太陽能熱動(dòng)力發(fā)電、太陽能煙囪發(fā)電、太陽能光伏電池、納米晶太陽能電池、核能發(fā)電、燃料電池發(fā)電、潮汐能/波浪能/洋流/海洋溫差能發(fā)電、水力能/風(fēng)能/生質(zhì)能/地?zé)崮馨l(fā)電等能源利用技術(shù)的工作原理、系統(tǒng)組成和工作過程進(jìn)行了簡(jiǎn)單介紹；最后，在對(duì)各種能源使用技術(shù)進(jìn)行歸納分析的基礎(chǔ)上，闡述了發(fā)展傳熱－傳質(zhì)－電磁工程仿真技術(shù)的重要性。

第2章：介紹了一維、二維、三維規(guī)則幾何結(jié)構(gòu)的創(chuàng)建、幾何結(jié)構(gòu)間的布爾運(yùn)算以及幾何結(jié)構(gòu)的變換如陣列、移動(dòng)、縮放、旋轉(zhuǎn)、鏡像等，最后針對(duì)二維和三維分別介紹了一個(gè)綜合實(shí)例。

第3章：介紹了自由網(wǎng)格、結(jié)構(gòu)網(wǎng)格、邊界網(wǎng)格、拉伸網(wǎng)格等的繪制方法，以及網(wǎng)格大小分布的控制方法，最后介紹了一個(gè)網(wǎng)格劃分的綜合實(shí)例。

第4章：結(jié)合實(shí)例介紹了代數(shù)方程、超越方程、常微分方程、偏微分方程、微分代數(shù)方程的求解方法。

第5章：介紹了四種不同的傳質(zhì)模型Fick's model、Stefan-Maxwell model、Dusty gas model、具有菲克定律形式的塵氣模型，并分別介紹了Fick's model、Stefan-Maxwell model、具有菲克定律形式的塵氣模型的應(yīng)用實(shí)例。

第6章：介紹了熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流和熱輻射三種傳熱機(jī)制，并分別針對(duì)熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流和熱輻射介紹了三個(gè)實(shí)例。

第7章：介紹了自由空間中的動(dòng)量方程和多孔介質(zhì)中的動(dòng)量方程，然后針對(duì)層流和湍流分別介紹了一個(gè)實(shí)例。

第8章：介紹了電荷守恒方程和電子電導(dǎo)率和離子電導(dǎo)率的計(jì)算，然后介紹了隨機(jī)多孔介質(zhì)有效電導(dǎo)率的計(jì)算。

第9章：介紹了燃料電池起源、發(fā)展、分類、I-V曲線和開路電壓的計(jì)算，然后介紹了燃料電池工作過程所涉及的控制方程。

第10章：介紹了固體氧化物燃料電池多物理場(chǎng)模型的控制方程、邊界設(shè)置、模型參數(shù)以及建模過程。

本書具有鮮明的特色，主要體現(xiàn)在以下幾方面。

（1）考慮多物理場(chǎng)間的相互作用。

多物理場(chǎng)間的相互作用比較復(fù)雜，為了讓讀者更好地理解多物理場(chǎng)間的相互耦合，本書首先介紹了傳質(zhì)過程、傳熱過程、導(dǎo)電過程等單個(gè)物理過程的仿真，然后以燃料電池為例詳細(xì)介紹多物理場(chǎng)間的耦合。

（2）本書采用理論＋實(shí)例的方式，使讀者容易上手。

數(shù)值仿真首先需要徹底理解研究問題所滿足的物理規(guī)律即控制方程以及邊界條件。明確了控制方程和邊界條件之后，接下來是如何使用軟件對(duì)研究問題進(jìn)行求解。因此本書采用了理論＋實(shí)例的方式。首先介紹相關(guān)的理論知識(shí)，然后針對(duì)具體的案例分析其所涉及的控制方程和邊界條件，最后再一步一步地介紹如何實(shí)現(xiàn)對(duì)本案例的仿真。

（3）詳細(xì)的實(shí)例介紹＋提供實(shí)例模型。

本書詳細(xì)介紹了實(shí)例的每一步操作，而大多數(shù)仿真書籍對(duì)實(shí)例的介紹都不足夠詳細(xì)，導(dǎo)致在學(xué)習(xí)書中實(shí)例時(shí)不知如何實(shí)現(xiàn)書中所展示的結(jié)果。為了使讀者順利完成本書所講實(shí)例，書中不僅詳細(xì)說明了實(shí)例每一步操作如何實(shí)現(xiàn)，而且還提供了實(shí)例模型，以供參考。

（4）實(shí)例講解采用了文字說明＋插圖的方式，讓讀者一看就懂，一學(xué)就會(huì)。

仿真涉及大量的操作，如果沒有操作插圖，因找不到相應(yīng)的按鈕，可能會(huì)給讀者帶來很大的學(xué)習(xí)障礙。為了節(jié)約學(xué)習(xí)時(shí)間，提高學(xué)習(xí)效率，本書提供了大量的操作插圖，降低了錯(cuò)誤操作的可能性。

（5）本書實(shí)例具有代表性。

本書的實(shí)例是基于多年的仿真研究精心挑選出來的，所選實(shí)例基本覆蓋了不同機(jī)制的傳熱傳質(zhì)過程。例如，傳熱的三種機(jī)制：熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流、熱輻射，在本書第6章第一個(gè)例子中涉及熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流，第6章第二個(gè)例子中涉及熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流和熱輻射。

本書主要由蘇石川、孔為、陳代芬、韓雷濤編著，王亮、邵長(zhǎng)斌、高祥、張強(qiáng)、何歡歡、張順東、張文、雷洪濤也參與了本書的編寫，在此一并表示感謝。感謝COMSOL Multiphysics公司和王剛工程師、安琳工程師、李淑云經(jīng)理在建模方面的幫助。此外，特別感謝化學(xué)工業(yè)出版社的相關(guān)編輯在本書的編寫過程中所給予的幫助和支持！由于作者水平有限，疏漏與不足之處在所難免，敬請(qǐng)同行與讀者不吝賜教。

書中的相關(guān)實(shí)例請(qǐng)到百度網(wǎng)盤（http://pan.baidu.com/）中下載，用戶名：2568675707@qq.com，密碼：comsol123456。若讀者在學(xué)習(xí)過程中遇到困難可以加入QQ群（122901261）咨詢。

編　著　者

2014年6月