前言

能源應用技術是人類社會文明發展的主要推動力。近年來，隨著不同專業技術的發展，人類能源應用方式也日新月異。總的來說，雖然大部分能源應用技術都是基于能量轉化原理運作的，但就整個能源應用體系而言，絕大部分能源應用系統是一個多學科知識體系相互交叉應用的過程。簡單而言，無論基于化學能－熱能轉化原理的燃煤發電技術，還是基于光－熱轉化原理的集光型熱動力發電技術、基于核能－熱能轉化原理的核發電技術、抑或是基于電化學發電原理的燃料電池發電技術，從整個能源應用系統層面來看，大部分能源應用過程大都會涉及動量傳遞、傳熱、傳質以及導電過程的研究。因此，發展和掌握對某種具體能源應用技術進行動量傳遞－傳質－傳熱－電磁工程等多物理場數值仿真分析技能，對于從事能源學科領域的操作和分析工作具有重要的意義，這也是本書內容設計和介紹的重點。

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”）幾何結構的創建、COMSOL Multiphysics網格的劃分、各種方程的求解、傳質理論及仿真、傳熱理論及仿真、導電理論及仿真、燃料電池基礎理論和燃料電池的仿真。

第1章：首先就目前能源使用與環境進行了簡單闡述；其次針對當前多種多樣的能源應用方式進行了概述，并主要從燃煤發電、太陽能熱水系統、太陽能制冷、塔式/碟式/槽式太陽能熱動力發電、太陽能煙囪發電、太陽能光伏電池、納米晶太陽能電池、核能發電、燃料電池發電、潮汐能/波浪能/洋流/海洋溫差能發電、水力能/風能/生質能/地熱能發電等能源利用技術的工作原理、系統組成和工作過程進行了簡單介紹；最后，在對各種能源使用技術進行歸納分析的基礎上，闡述了發展傳熱－傳質－電磁工程仿真技術的重要性。

第2章：介紹了一維、二維、三維規則幾何結構的創建、幾何結構間的布爾運算以及幾何結構的變換如陣列、移動、縮放、旋轉、鏡像等，最后針對二維和三維分別介紹了一個綜合實例。

第3章：介紹了自由網格、結構網格、邊界網格、拉伸網格等的繪制方法，以及網格大小分布的控制方法，最后介紹了一個網格劃分的綜合實例。

第4章：結合實例介紹了代數方程、超越方程、常微分方程、偏微分方程、微分代數方程的求解方法。

第5章：介紹了四種不同的傳質模型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用實例。

第6章：介紹了熱傳導、熱對流和熱輻射三種傳熱機制，并分別針對熱傳導、熱對流和熱輻射介紹了三個實例。

第7章：介紹了自由空間中的動量方程和多孔介質中的動量方程，然后針對層流和湍流分別介紹了一個實例。

第8章：介紹了電荷守恒方程和電子電導率和離子電導率的計算，然后介紹了隨機多孔介質有效電導率的計算。

第9章：介紹了燃料電池起源、發展、分類、I-V曲線和開路電壓的計算，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模型的控制方程、邊界設置、模型參數以及建模過程。

本書具有鮮明的特色，主要體現在以下幾方面。

（1）考慮多物理場間的相互作用。

多物理場間的相互作用比較復雜，為了讓讀者更好地理解多物理場間的相互耦合，本書首先介紹了傳質過程、傳熱過程、導電過程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。

（2）本書采用理論＋實例的方式，使讀者容易上手。

數值仿真首先需要徹底理解研究問題所滿足的物理規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研究問題進行求解。因此本書采用了理論＋實例的方式。首先介紹相關的理論知識，然后針對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現對本案例的仿真。

（3）詳細的實例介紹＋提供實例模型。

本書詳細介紹了實例的每一步操作，而大多數仿真書籍對實例的介紹都不足夠詳細，導致在學習書中實例時不知如何實現書中所展示的結果。為了使讀者順利完成本書所講實例，書中不僅詳細說明了實例每一步操作如何實現，而且還提供了實例模型，以供參考。

（4）實例講解采用了文字說明＋插圖的方式，讓讀者一看就懂，一學就會。

仿真涉及大量的操作，如果沒有操作插圖，因找不到相應的按鈕，可能會給讀者帶來很大的學習障礙。為了節約學習時間，提高學習效率，本書提供了大量的操作插圖，降低了錯誤操作的可能性。

（5）本書實例具有代表性。

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

本書主要由蘇石川、孔為、陳代芬、韓雷濤編著，王亮、邵長斌、高祥、張強、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、李淑云經理在建模方面的幫助。此外，特別感謝化學工業出版社的相關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，敬請同行與讀者不吝賜教。

書中的相關實例請到百度網盤（http://pan.baidu.com/）中下載，用戶名：2568675707@qq.com，密碼：comsol123456。若讀者在學習過程中遇到困難可以加入QQ群（122901261）咨詢。

編　著　者

2014年6月