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好的，这是一本关于《计算流体力学在现代工程设计中的应用》的图书简介，内容完全不涉及您提到的《ELASTIC-PLASTIC FRATURE MECHANICS AN》： 《计算流体力学在现代工程设计中的应用：从理论基础到前沿实践》 本书导言： 在当今快速发展的工程领域，流体动力学已不再是仅凭经验和简化理论就能完全驾驭的学科。从航空航天的气动布局优化，到能源领域的流动损失分析，再到生物医学中的血液动力学模拟，精确理解和预测流体行为的能力，是决定设计成败的关键。本书《计算流体力学在现代工程设计中的应用：从理论基础到前沿实践》正是为了填补这一需求而撰写。它旨在为工程专业人士、高级本科生和研究生提供一个全面、深入且实用的指导，探讨如何利用计算流体力学（CFD）这一强大的数值工具，解决复杂工程问题。 本书的独特之处在于，它不仅详尽阐述了CFD背后的数学原理和数值方法，更侧重于如何将这些理论知识有效地转化为可靠的工程解决方案。我们坚信，只有深刻理解数值误差的来源、网格质量的影响以及湍流模型的适用性，才能真正驾驭CFD，避免“垃圾进，垃圾出”的陷阱。 第一部分：流体力学与数值分析的基石 本部分内容聚焦于建立坚实的理论基础，为后续的CFD建模做好铺垫。 第一章：流体力学回顾与CFD的必要性 本章首先回顾了连续介质假设、流体动力学基本方程——纳维-斯托克斯（Navier-Stokes, N-S）方程组的推导及其守恒形式。接着，我们深入讨论了为什么在许多复杂几何和高雷诺数情况下，解析解几乎不可能获得，从而论证了CFD作为主流分析工具的不可替代性。本章还会介绍CFD求解器的基本工作流程，包括前处理、求解和后处理的三个关键阶段。 第二章：离散化方法的数学基础 CFD的核心在于将连续的偏微分方程转化为可解的代数方程组。本章将系统介绍三种主要的离散化技术：有限差分法（FDM）、有限体积法（FVM）和有限元法（FEM）。我们将详细对比这些方法的空间离散精度、对非结构化网格的适应性，并重点分析有限体积法在动量方程离散化中的守恒性优势。此外，本章还会介绍处理时间导数的关键技术，如欧拉法、龙格-库塔法，并讨论它们的稳定性和收敛性要求。 第三章：压力-速度耦合算法与求解策略 N-S方程的难点之一在于速度和压力之间的耦合关系。本章将深入剖析压力校正算法，包括早期的SIMPLE算法及其衍生算法（如SIMPLEC、PISO、SIMPLER）。我们将详细推导压力泊松方程的构建过程，讨论迭代求解器的选择（如代数多重网格AMG、共轭梯度法），并分析网格畸变、网格运动对求解稳定性的影响。 第二部分：湍流建模与高级物理现象的捕捉 现实工程问题中的流动绝大多数是湍流。准确捕捉湍流的效应是CFD应用成功的核心挑战。 第四章：湍流的本质与建模分类 本章从统计学角度描述了湍流流动的特征，包括雷诺时均化（RANS）的基本概念、雷诺应力项的引入及其对原始N-S方程的修改。随后，我们将对主流的湍流模型进行分类介绍，包括零方程模型（如代数湍流模型）、一方程模型（如 Spalart-Allmaras）和更常用的二方程模型（如 $k-epsilon$ 模型、$k-omega$ 模型）。我们将着重讨论标准模型在壁面边界层附近的处理缺陷及其改进措施。 第五章：超越RANS：大涡模拟（LES）与直接数值模拟（DNS） 对于需要精确解析瞬态涡结构的应用，如燃烧过程或非定常气动载荷，RANS方法显得力不从心。本章将介绍大涡模拟（LES）的基本原理，即对方尺度涡进行亚网格尺度（SGS）建模，并讨论SGS模型的选择。此外，我们还将简要介绍直接数值模拟（DNS）的概念、其对计算资源的极端要求，以及它在基础研究中的重要性。 第六章：多相流与化学反应流 现代工业过程往往涉及多相流（气-液、液-固）和化学反应。本章将介绍描述多相流的常用方法，包括欧拉-欧拉法（Eularian-Eulerian）、欧拉-拉格朗日法（Eulerian-Lagrangian）以及VOF（Volume of Fluid）方法在界面捕捉中的应用。对于燃烧和污染物扩散等问题，本章还将探讨化学动力学模型的引入、反应扩散方程的求解以及火焰捕捉技术。 第三部分：网格生成、验证与工程实践 高效、精确的CFD求解依赖于高质量的网格和严格的验证与确认（Verification and Validation, V&V）流程。 第七章：高质量网格的生成与控制 网格是CFD计算的骨架。本章详细探讨了不同网格类型的优缺点，包括结构化、非结构化和混合网格。我们将讲解几何建模中“可解性”的考量，并重点介绍如何在边界层区域（如壁面附近）生成高质量的边界层网格（如采用高质量的楔形或六面体网格），以及如何控制网格的过渡和正交性，以确保数值解的准确性。 第八章：CFD求解的准确性与不确定性量化 本章是本书实践应用的关键。我们将遵循美国国家航空航天局（NASA）推荐的流程，详细阐述如何进行网格收敛性研究（Grid Convergence Study），以量化离散化误差。随后，我们将讨论如何通过与实验数据或可靠基准解的对比来评估模型的准确性。最后，我们将引入不确定性量化（Uncertainty Quantification, UQ）的概念，指导工程师如何评估和报告CFD预测结果的可靠区间。 第九章：前沿工程案例研究 本章将通过具体案例展示前述理论的应用。我们将涵盖以下几个应用场景： 1. 航空航天领域： 高超声速流动中的激波-湍流相互作用分析。 2. 能源系统： 燃气轮机叶片上的气动热载荷预测与冷却优化。 3. 环境与建筑： 城市尺度空气质量模拟中的污染物输运模型。 4. 水利工程： 复杂水工结构周围的冲刷与泥沙输运分析。 总结与展望： 《计算流体力学在现代工程设计中的应用》不仅是一本教科书，更是一本解决实际工程问题的操作手册。它引导读者从掌握数学原理出发，逐步深入到先进的湍流建模和严格的误差分析，最终实现可靠的工程预测。本书旨在培养新一代能够批判性地评估CFD结果、并能将其无缝集成到复杂工程设计流程中的专业人才。掌握本书内容，意味着您已经具备了在流体动力学领域进行高水平数值研究和工程应用的能力。
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