Megaflow - Numerical Flow Simulation For Aircraft Design pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:Springer Verlag

作者:Kroll, Norbert (EDT)/ Fassbender, Jens K. (EDT)

出品人:

页数:313

译者:

出版时间:

价格:1845.00 元

装帧:HRD

isbn号码:9783540243830

丛书系列:

图书标签:

• 计算流体力学
• 航空设计
• 数值模拟
• Megaflow
• 气动分析
• CFD
• 飞行器设计
• 数值方法
• 工程计算
• 航空工程

流体力学基础与先进计算方法：航空航天工程中的流场解析 本书将带您深入探索流体力学领域的核心概念、分析工具以及它们在现代航空航天工程中的实际应用。 聚焦于从基础理论到高级数值方法的构建与应用，本书旨在为研究人员、工程师和高年级学生提供一个全面且严谨的参考框架。 第一部分：流体力学基础与控制方程 本部分构建了理解流体行为的理论基石。我们将从牛顿流体的基本假设出发，系统地推导和阐述描述流体运动的 Navier-Stokes 方程组。 1. 连续介质假设与流场描述： 深入探讨流体运动学的基本概念，包括速度场、应变率张量和应力张量。详细分析了雷诺输运定理（Reynolds Transport Theorem）在系统分析中的关键作用，并将其应用于动量、质量和能量守恒定律的宏观和微观表述。 2. 守恒律的数学形式： 详细阐述了质量守恒（连续性方程）、动量守恒（Navier-Stokes 方程）和能量守恒（热力学第一定律）在不同坐标系下的张量形式表达。讨论了不可压缩流体和可压缩流体在方程简化上的差异，并引入了等熵关系和激波理论的初步概念。 3. 粘性流理论与边界条件： 探讨牛顿流体与非牛顿流体的本构关系，重点分析了流体粘性对动量传递的影响。系统梳理了流体与固体边界相互作用的物理机制，包括无滑移条件、零质量通量条件，并讨论了自由表面和激波面上的界面条件。 4. 相似性原理与量纲分析： 介绍无量纲化（Nondimensionalization）在流体力学问题求解中的重要性。详细分析了关键的无量纲数，如雷诺数（Reynolds Number, Re）、马赫数（Mach Number, Ma）、普朗特数（Prandtl Number, Pr）和福汝德数（Froude Number, Fr），并阐述了如何利用这些参数来预测和推广实验结果。 第二部分：经典解析解与工程简化模型 本部分侧重于对基础流体力学问题的解析求解方法，以及在工程实践中常用的简化模型，这些模型为理解复杂现象提供了直观的物理洞察。 5. 经典的层流问题： 对一系列具有解析解的层流问题进行深入分析，包括： Poiseuille 流： 管道内稳定、充分发展的层流速度剖面及其压力损失计算。 Couette 流： 涉及运动壁面的简单剪切流分析，是理解摩擦阻力的基础模型。 Stokes 蠕动流： 探讨低雷诺数下流体的行为，对微流控和生物流体有重要意义。 6. 边界层理论的建立： 详细介绍 Prandtl 边界层理论的建立过程。重点分析了粘性效应主要集中在固体壁面附近区域的物理前提。推导了恒定压力梯度下的 Blasius 方程，并讨论了 Falkner-Skan 相似解的应用。 7. 阻力与升力基础： 基于边界层理论和势流理论的结合，分析翼型绕流问题。讨论了 D’Alembert 佯谬（Paradox）的出现及其通过引入环量（Circulation）概念的修正（Kutta–Joukowski 定理）。介绍简化翼型理论，如薄翼型理论和斜板绕流的亚声速分析。 8. 湍流的统计描述： 引入湍流的基本特征：随机性、各向异性、非定常性。推导了雷诺平均 Navier-Stokes (RANS) 方程，并解释了湍流脉动如何产生额外的应力项——雷诺应力。讨论了湍流模型（如 $k-epsilon$ 和 $k-omega$ 模型）的物理意义和局限性。 第三部分：数值计算方法基础与离散化技术 随着计算能力的提升，数值模拟成为解决复杂流体力学问题的核心工具。本部分聚焦于将偏微分方程转化为可解的代数方程组的方法。 9. 有限差分法（FDM）概述： 系统介绍 FDM 的核心思想：用代数近似来替代导数。详细讨论了泰勒级数展开在构造一阶、二阶以及更高阶的单边和中心差分格式中的应用。重点分析了中心差分、迎风格式和交错网格在稳定性与精度的权衡。 10. 有限体积法（FVM）的构建： FVM 是现代工业 CFD 的主流方法。本书详细阐述了 FVM 的控制体积定义、通量守恒的精确保证。探讨了通量计算的界面重构技术，包括黎曼求解器（Riemann Solver）在处理对流项离散化中的作用，以及 TVD（Total Variation Diminishing）格式在抑制数值振荡上的重要性。 11. 线性系统的求解器： 离散化过程通常会导致一个大型稀疏线性方程组。本部分介绍了解线性方程组的迭代求解策略，包括： 直接法： 概述 LU 分解等方法及其在大型问题中的局限性。 迭代法： 详细介绍雅可比（Jacobi）、高斯-赛德尔（Gauss-Seidel）方法，并深入探讨更高效的预处理共轭梯度法（PCG）和双共轭梯度法（BiCGSTAB）在流体力学求解中的应用。 第四部分：耦合与高级求解策略 本部分探讨如何将基础方法应用于更复杂的物理问题，特别是处理速度-压力耦合和高精度/高分辨率模拟的需求。 12. 速度-压力耦合算法： 对于不可压缩流体，Navier-Stokes 方程的解耦是一个核心难题。详细介绍经典的解耦策略： SIMPLE 算法族： 阐述 SIMPLER、PISO 和 SIMPLEC 算法的核心步骤，包括压力泊松方程（Pressure Poisson Equation, PPE）的构建与求解。 分数步法（Fractional Step Methods）： 讨论如何通过投影法（Projection Method）将动量方程分解为不可压步骤和修正步骤。 13. 网格生成与自适应（Adaptivity）： 高质量的计算网格是高精度模拟的前提。介绍结构化、非结构化和混合网格的生成技术。深入探讨网格加密与自适应网格细化（AMR） 的原理，即根据流场中的梯度信息（如激波、分离点）自动调整网格分辨率的方法，以优化计算资源分配。 14. 可压缩流与激波捕捉： 针对高马赫数问题，重点关注如何稳定地求解激波。讨论了基于熵守恒的重构格式（如 Roe 格式、AUSM 格式）在激波精确捕捉方面的优势，以及如何在求解器中保证激波两侧的物理一致性。 15. 瞬态流动模拟（Unsteady Flow）： 探讨如何处理时间依赖性问题。介绍显式和隐式时间推进格式（如向后差分公式 BDF）。讨论了定常计算中残差收敛与物理时间步长选择之间的区别，并引入了亚尺度模拟（LES）对瞬态湍流的初步概念。 --- 本书的结构设计，旨在为读者构建一个从底层物理定律到复杂计算实现的完整知识链条，强调理论的严谨性与数值实现的工程可行性。

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