Introduction to Computational Fluid Dynamics pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:

作者:Date, Anil W.

出品人:

页数:398

译者:

出版时间:2009-8

价格:$ 88.14

装帧:

isbn号码:9780521140058

丛书系列:

图书标签:

• 计算流体动力学
• 流体动力学
• CFD
• 数值方法
• 传热
• 流体力学
• 工程流体动力学
• 计算方法
• 模拟
• 有限体积法

探索未知的流动：流体力学的前沿与计算的智慧 本书是一次关于流体行为奥秘的深度探索，我们不仅仅关注那些肉眼可见的瀑布奔腾、云卷云舒，更致力于揭示潜藏在这些宏观现象背后的精妙物理原理，以及如何运用强大的计算工具来模拟、预测和理解这些复杂而又迷人的流动过程。这不是一本简单的流体操作手册，而是一次深入的思维训练，旨在培养读者对流体动力学深刻的洞察力，以及驾驭复杂计算模型的能力。 我们相信，对流体世界的理解，是解锁众多科学与工程领域挑战的关键。从航空航天的翼尖涡流，到生物医学的血液循环，再到气候变化的全球洋流，流体无处不在，其行为的复杂性也令人惊叹。传统上，对这些现象的研究依赖于大量的实验观测和理论推导，虽然成果斐然，但往往受限于时间和资源的投入，难以穷尽所有可能的工况。而计算流体力学（CFD）的出现，则为我们打开了一扇全新的大门，它允许我们在虚拟环境中，以一种前所未有的方式，去“观察”和“操控”流体。 本书将带领您一步步走进CFD的世界，从最基础的物理概念出发，逐步建立起严谨的数学模型。我们不会回避那些构成流体力学基石的方程，例如Navier-Stokes方程，我们会详细解析它们的物理意义，理解它们如何描述动量、质量和能量在流体中的传递。我们会探讨不同的流动类型，例如粘性流动与无粘流动，可压缩流动与不可压缩流动，层流与湍流，并分析这些特性的引入如何改变流体的行为，以及如何选择恰当的数学模型来捕捉这些特性。 在理解了基本的物理原理之后，我们将把目光投向“计算”这一强大的工具。CFD的核心在于将连续的流体域离散化，将其转化为一系列离散的方程组，然后通过数值方法求解。本书将详细介绍几种主要的数值离散技术，例如有限差分法、有限体积法和有限元法。我们会深入剖析这些方法的原理，探讨它们各自的优缺点，以及在不同问题中选择哪种方法更为合适。例如，有限差分法以其结构化的网格和简洁的数学形式受到青睐，在简单几何域的问题中表现出色；有限体积法则以其守恒性而闻名，在处理复杂几何和跨界面流动时具有优势；而有限元法则在处理复杂边界条件和非结构化网格方面表现出色。我们会逐一拆解这些方法的数学步骤，让您不仅知其然，更知其所以然。 网格生成是CFD流程中至关重要的一环。一个高质量的计算网格能够显著提高计算精度和效率。本书将探讨各种网格生成技术，从简单的结构化网格到复杂的非结构化网格，并讨论网格密度、网格形状以及网格适应性等因素对计算结果的影响。我们会深入分析如何根据问题的物理特性，例如流速梯度、压力变化等，自适应地调整网格分辨率，以最小的计算成本获得最精确的结果。 求解器是CFD软件的心脏。我们将介绍各种数值求解算法，包括隐式与显式方法，迭代求解器与直接求解器。我们会深入探讨求解算法的收敛性、稳定性和计算效率，并分析如何选择合适的算法来处理不同类型的方程组。例如，在求解瞬态问题时，显式方法可能更容易实现，但需要更小的步长来保证稳定性；而隐式方法则能允许更大的时间步长，但计算过程可能更为复杂。 一旦方程组被离散化，就需要使用数值方法来求解。本书将详细介绍求解 Navier-Stokes 方程组的各种数值方法，包括压力-速度耦合算法（如SIMPLE系列算法）、求解方程组的迭代方法（如Jacobi、Gauss-Seidel、SOR、共轭梯度法等），以及处理边界条件和初始条件的策略。我们会提供具体的算法流程，并分析它们在不同问题中的适用性。 当然，CFD不仅仅是数学和算法的堆砌，它更是物理学的延伸。本书将重点关注如何将流体力学的物理模型转化为可计算的输入。我们会深入探讨不同类型的流体模型，例如牛顿流体模型和非牛顿流体模型，以及如何处理流体的压缩性、粘性和传热等效应。对于湍流，我们将介绍各种湍流模型，例如雷诺平均 Navier-Stokes (RANS) 模型（包括 Spalart-Allmaras、k-ε、k-ω 等模型）以及更高级的涡旋解析模拟 (LES) 和直接数值模拟 (DNS)。我们会分析这些模型的物理假设、适用范围以及它们如何影响最终的计算结果。 除了基础理论，本书还将穿插大量的案例研究，通过实际问题来演示CFD的应用。我们将从简单的二维流动问题开始，例如平板上的边界层流动、圆柱绕流等，逐步过渡到更复杂的三维流动问题，例如翼型绕流、管道流动、燃烧过程模拟等。我们会详细介绍每个案例的物理背景、几何建模、网格划分、求解器设置、边界条件设定、结果后处理以及误差分析。通过这些案例，您将能够看到理论知识如何转化为实际应用，并学会如何独立地进行CFD分析。 在后处理阶段，原始的计算数据往往是海量的，如何有效地提取和解释这些数据至关重要。本书将介绍各种后处理技术，包括可视化方法（如流线图、等值线图、速度矢量图、涡量图等）、定量分析（如力系数、压力系数、流量、传热系数的计算）以及不确定性量化。我们将指导您如何通过直观的图像和关键的参数来理解流体行为的本质，并对计算结果的可靠性做出评估。 本书的目的是培养您成为一名能够独立运用CFD工具解决实际问题的工程师或研究者。我们将强调批判性思维的重要性，鼓励您不仅仅满足于运行软件得出结果，而是要深入理解每个步骤背后的物理原理和数学假设，并能够评估结果的准确性和局限性。我们会探讨CFD的误差来源，例如离散化误差、模型误差、数值误差等，并指导您如何通过网格收敛性研究、与实验数据对比等方法来评估和减小误差。 我们也将触及CFD在不同工程领域的应用，例如航空航天工程中的飞机设计与气动分析，汽车工程中的空气动力学优化，能源工程中的换热器设计与燃烧模拟，以及环境工程中的污染物扩散模拟等。通过了解这些应用，您将能够看到CFD的广阔前景和巨大的潜力。 本书并非旨在教授某个特定的CFD软件的操作技巧，而是侧重于传授CFD的核心思想、基本原理和通用方法。我们相信，一旦掌握了这些基础知识，您将能够快速适应和掌握任何先进的CFD软件。 这是一段充满挑战但也极其回报丰厚的旅程。流体世界充满着未解之谜，而计算流体力学正是我们探索这些未知领域的最有力武器之一。希望通过本书的学习，您能够掌握这门技术，并用它来解决那些曾经看似遥不可及的工程难题，为科学的进步和人类的福祉贡献力量。

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