计算流体力学基础

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出版者:清华大学
作者:任玉新,陈海昕 编著
出品人:
页数:199
译者:
出版时间:2006-6
价格:19.80元
装帧:
isbn号码:9787302130048
丛书系列:
图书标签:
  • CFD
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具体描述

本书在讲义的基础上整理而成,包括:绪论;有限差分方法基础;贴体网格及其生成;可压缩流动的数值计算方法;不可压缩流动的数值方法初步等。

书名: 现代流体力学前沿:从经典理论到新兴应用 内容简介: 本书旨在全面梳理现代流体力学领域的核心理论、计算方法以及在多个工程和科学前沿中的最新应用进展。本书内容横跨宏观现象描述与微观分子机制解析,兼顾传统分析方法与前沿数值模拟技术,力求为读者提供一个系统、深入且具有前瞻性的视角。 第一部分:流体力学基础理论的深化与拓展 本部分首先回顾了流体力学的基本守恒定律,包括质量、动量和能量的连续性方程,并在此基础上深入探讨了经典理论的局限性与现代修正。 非牛顿流体的本构关系与复杂流变学: 详细阐述了粘弹性流体、剪切稀化/增稠流体以及塑性流体的本构方程。重点分析了流变学参数(如屈服应力、松弛时间)对宏观流动行为(如挤出现象、进退料口不稳定性)的影响。引入了分数阶导数模型在描述复杂时间依赖性流体中的应用。 湍流的统计理论与时空结构: 超越传统的雷诺平均纳维-斯托克斯(RANS)方程,本书深入讲解了湍流的精确动力学理论,如涡旋动力学和间歇性理论。对大涡模拟(LES)和直接数值模拟(DNS)的理论基础进行了详尽的阐述,重点讨论了湍流混合、能量级串以及边界层分离后的再附着机制。特别关注了高雷诺数下湍流结构的时空演化规律。 多相流动的界面现象与相变动力学: 涵盖了气-固、气-液、液-液等典型多相流动的理论框架。详细分析了界面张力、Marangoni效应、表面活性剂输运对流动稳定性的影响。在相变方面,本书探讨了沸腾、凝结和结晶过程中的核化机制、生长动力学及其与周围流场耦合的传热传质问题,特别关注了微重力和高压条件下的相变特性。 稀薄气体动力学与低密度流动: 针对航空航天、微机电系统(MEMS)中常见的低密度流动问题,本书系统介绍了玻尔兹曼方程及其各种矩方程近似(如Chapman-Enskog理论、Grad 13矩理论)。对比了连续介质模型(Navier-Stokes)在低马赫数和高克努森数下的失效机制,并阐述了分子动力学模拟在这一领域的应用。 第二部分:先进数值方法与计算框架 本部分聚焦于解决复杂流体力学问题的先进计算技术,强调算法的稳定性和精度。 高阶精度离散方法: 详细介绍了几种主流的高精度空间离散格式,包括有限体积法中的高分辨率迎风格式(如MUSCL、ENO/WENO schemes),以及有限元法中的稳定化技术(如SUPG、DEVSS)。重点讨论了如何在保持数值稳定性的同时,准确捕捉激波和剪切层等强间断结构。 时间推进与锁步策略: 讨论了显式、隐式以及全隐式时间推进方法的选择与耦合策略。对于涉及化学反应或复杂固体结构耦合的问题,本书阐述了分区(Partitioned)和全耦合(Fully Coupled)的迭代求解方案,并分析了不同策略下的计算效率和收敛性。 网格生成与自适应技术: 深入探讨了结构网格、非结构网格以及四面体/多面体网格的生成技术。重点介绍了动态网格重构(AMR)和基于误差估计的网格自适应策略,旨在优化计算资源分配,提高对流动特征区域的捕捉能力。 求解器架构与并行计算: 讲解了大规模流体力学问题求解器(如线性系统求解器、预条件子)的设计原则。详细分析了如何利用高性能计算(HPC)架构(如GPU加速、大规模并行处理MPI/OpenMP)优化求解器的并行效率和内存访问模式。 第三部分:交叉学科前沿应用实例 本部分将理论和计算方法应用于当前最活跃的研究领域,展示流体力学解决实际工程难题的能力。 生物流体力学与生理系统模拟: 探讨了血液动力学、心血管疾病的流体模型,以及微尺度下细胞与流体的相互作用(如血小板激活、细胞迁移)。重点介绍了如何结合生物物理学模型来模拟器官尺度的血流灌注和物质交换过程。 能源系统中的流动与传热: 涵盖了燃料电池(PEMFC)、热管(Heat Pipe)以及先进反应堆冷却系统中的流动稳定性、多孔介质中的渗流与传热。分析了微通道换热器中热点形成与抑制的流体动力学机制。 环境流体力学与大气/海洋过程: 关注大规模环境流动的模拟,包括污染物在城市峡谷中的扩散、海洋环流与气候模型的耦合。特别探讨了水下声学传播中的空化现象与流场干扰。 增材制造(3D打印)过程中的流动控制: 研究了金属粉末床熔融(PBF)过程中液态金属池的表面张力驱动流动、热梯度对晶粒结构的影响。分析了通过优化激光扫描策略来控制熔池形态,从而提升打印件机械性能的流体力学基础。 本书结构严谨,内容详实,不仅适合高等院校流体力学、航空航天、机械工程等专业的研究生和高年级本科生作为专业参考书,也为从事相关领域数值模拟和实验研究的工程师与科研人员提供了深刻的理论指导和实用的计算工具箱。全书力求在理论深度与工程应用广度之间取得平衡,引领读者洞察流体力学领域的未来发展方向。

作者简介

目录信息

读后感

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用户评价

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我从这本书中获得的最深刻的感受,是它在概念上的清晰度和连贯性。作者似乎非常善于捕捉流体力学和数值方法之间的核心联系,并以一种极其易于理解的方式呈现出来。对于我来说,流体力学本身就充满了各种抽象的概念,比如涡量、散度、守恒律等等,而数值方法又引入了截断误差、收敛性、稳定性等概念,将二者结合起来,往往会让初学者感到晕头转向。但在这本《计算流体力学基础》中,作者仿佛在讲述一个完整的故事。他首先从物理学的基本定律出发,逐步引入守恒律,然后详细阐述了这些守恒律如何在数值离散中被近似表达。特别是在讲到有限差分法和有限元法时,作者没有停留在数学公式的表面,而是花了很大的篇幅去解释不同方法的离散误差来源,以及它们在处理不同类型的边界条件和流场特征时各自的优劣。更让我印象深刻的是,作者在讲解动量方程离散时,对压力-速度耦合问题的处理,比如PISO和SIMPLE算法,他通过一些简化的二维算例,展示了算法的迭代过程,以及压力泊松方程的求解如何影响整体的收敛性。这种循序渐进、逻辑严密的讲解方式,让我能够真正理解CFD求解器的内在机制,而不是仅仅停留在“调用函数”的层面。它帮助我建立了一个坚实的理论基础,让我对后续更复杂的CFD模型和算法的学习充满了信心。

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这本《计算流体力学基础》给我的感觉,与其说它是一本教材,不如说更像是一位资深工程师留下的宝贵工作笔记,充满了实际应用中的智慧与经验。初拿到书时,我本以为会是那种严谨到有些枯燥的理论推导,但翻开后,我惊喜地发现,作者并没有将重心放在抽象的数学证明上,而是巧妙地将大量的工程案例融入其中。比如,在讲解有限体积法的章节,作者并非直接抛出离散方程,而是先通过一个实际的管道流动问题,一步步引导读者理解方程的物理意义,以及数值方法如何模拟这种物理过程。这种“由表及里”的讲解方式,对于我这样更倾向于理解“为什么”而不是“怎么推导”的读者来说,简直是福音。书中的图表也非常生动,不少都是作者在实际项目中所绘制的示意图,比教科书上那些标准化的图例更能体现问题的本质。而且,作者在讲解算法时,经常会穿插一些“踩坑”的经验,比如在处理激波时,如果网格不恰当会产生何种数值震荡,以及如何通过调整离散格式来避免。这些“干货”内容,在其他理论性书籍中是很难看到的,对于想要将CFD技术真正应用到工程实践中的人来说,这本书的价值无法估量。它更像是一个经验丰富的导师,在你遇到问题时,不仅告诉你答案,还会告诉你如何思考,如何避免重复犯错。

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在我翻阅《计算流体力学基础》的过程中,最让我感到受益匪浅的是作者对于数值稳定性问题以及误差分析的深入探讨。在CFD的世界里,如果不能保证数值解的稳定性和准确性,那么计算结果将毫无意义。这本书在这方面下了很大的功夫,它不仅仅是简单地提出Courant-Friedrichs-Lewy(CFL)条件,而是深入分析了不同离散格式在不同物理场景下,对稳定性带来的影响。例如,在讲解二阶迎风格式时,作者通过对比不同迎风阶数在激波捕捉能力上的差异,生动地说明了为什么在处理强对流问题时,高阶格式往往会遇到稳定性问题。他详细讲解了数值耗散和数值色散的概念,并给出了如何通过选择合适的数值格式来平衡这两者,以获得既稳定又足够精确的解。此外,书中的误差分析章节,对我启发很大。作者不仅讲解了截断误差的泰勒级数展开,更重要的是,他通过一些经典的算例,展示了如何通过网格收敛性研究来评估计算结果的准确性,以及如何理解和量化数值误差。这种细致入微的分析,让我对CFD计算结果的可靠性有了更深刻的认识,也为我以后进行实际CFD项目时,如何设置计算参数、如何评估结果,提供了非常实用的指导。

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读完这本《计算流体力学基础》,我最大的感受是作者在讲解过程中展现出的深厚工程经验和对细节的极致关注。这本书的结构安排非常巧妙,它并没有一开始就陷入繁琐的数学公式海洋,而是从读者最可能遇到的工程问题出发,逐步引导读者理解相关的CFD理论。比如,在介绍求解器选项时,作者并没有笼统地陈述,而是结合具体的工程应用场景,比如稳态与瞬态问题、不可压缩与可压缩流动,来分析不同求解器选择的考量因素,以及它们在计算效率和精度上的权衡。尤其让我印象深刻的是,作者在讲解求解非线性方程组时,对于迭代求解器的选择和收敛判据的设定,给出了非常详细的建议。他详细对比了Jacobi、Gauss-Seidel和SOR等方法的收敛速度,以及在实际应用中,如何根据问题的特点来选择最优的求解器。而且,书中的一些案例分析,比如关于翅片散热器的流热耦合问题,作者不仅给出了详细的CFD建模步骤,还深入分析了模型参数的选取对结果的影响,以及如何通过对比实验数据来验证CFD模型的准确性。这种从问题出发,到理论分析,再到模型建立,最后到结果验证的完整流程,让我对CFD的应用有了更清晰的认识。

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这本书给我最大的惊喜,在于它在理论深度和实践指导之间的绝佳平衡。很多CFD书籍要么过于偏重理论,公式推导看得人眼花缭乱,却不知如何应用;要么过于注重软件操作,对背后的原理语焉不详。而《计算流体力学基础》则恰好在这两者之间找到了一条完美的路径。它并没有回避复杂的数学推导,但作者的叙述方式非常注重引导性,让你在理解推导过程的同时,也能时刻感受到这些公式与实际物理现象的关联。例如,在讲解高雷诺数流动中的湍流模型时,作者没有简单地罗列RANS方程,而是花了相当多的篇幅去解释湍流的本质,以及为什么需要引入额外的方程来描述它的统计效应。他详细对比了零方程、单方程和双方程模型的物理基础和适用范围,并给出了具体的工程算例,比如在平板边界层流动中,不同模型预测的壁面剪切应力差异。这种深度足以让对CFD有一定了解的读者眼前一亮,同时又不会因为过于晦涩而劝退。而且,书中的一些章节,比如关于网格生成技术以及网格质量对计算结果的影响,更是直接触及了CFD实践中的痛点,作者给出的建议非常具体,比如如何避免出现“歪斜”的网格单元,以及如何通过网格加密来捕捉重要的流动特征。

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简单看过。估摸着评价。

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本书虽为计算流体力学的专著,但其特色在于基本概念、基本原理的阐明,所以花了较大量的篇幅在有限差分、有限体积的公式体系构建。所以,本书也是一本很好的关于普通数值计算的好书,特别是偏微分方程数值计算的好书。

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本书虽为计算流体力学的专著,但其特色在于基本概念、基本原理的阐明,所以花了较大量的篇幅在有限差分、有限体积的公式体系构建。所以,本书也是一本很好的关于普通数值计算的好书,特别是偏微分方程数值计算的好书。

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内容比较基础,很适合入门

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上过任老师本科阶段的计算流体力学和研究生阶段的高等计算流体力学,思路清晰

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