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好的，这是为您构思的图书简介，不包含《线性代数习题集（基础篇）》的内容，旨在介绍一本侧重于不同领域、具有独特视角的书籍。 --- 《计算流体力学：理论与工程应用实践》 导言：跨越理论与现实的鸿沟 在现代工程和科学领域，流体动力学的重要性毋庸置疑。从航空航天设计到天气预报，再到生物医学中的血液流动模拟，对流体行为的精确理解是创新的基石。然而，经典分析方法在处理复杂几何形状和非线性效应时往往力不从心。《计算流体力学：理论与工程应用实践》正是为了弥合理论知识与实际工程挑战之间的鸿沟而编写。本书并非专注于纯粹的数学推导，而是深入探讨如何利用数值方法，尤其是计算流体力学（CFD），将复杂的物理问题转化为可计算的模型，并从中提取出富有洞察力的工程结论。 本书的核心目标是培养读者将流体力学原理应用于实际问题的能力，重点在于应用、建模和验证。我们认识到，仅仅掌握有限体积法或有限元法的离散格式是不够的，更关键的是理解这些方法在特定工程背景下的适用性、局限性以及如何进行网格无关性研究和湍流模型选择。 第一部分：流体力学基础与CFD的数学框架 本部分为后续的计算工作奠定坚实的理论基础，但其侧重点在于建立适合数值求解的物理模型，而非抽象的代数结构。 第一章：流体力学回顾与CFD的起源 本章首先简要回顾了牛顿流体、粘性流体的基本概念，重点聚焦于纳维-斯托克斯（Navier-Stokes, N-S）方程组的物理意义。我们将强调动量守恒、质量守恒（连续性方程）和能量守恒在流体力学中的核心地位。随后，我们将追溯CFD的历史发展，从早期基于差分的尝试到现代基于结构化和非结构化网格的成熟技术。本章的重点是理解CFD如何作为分析工具，而非仅仅是求解器。 第二章：守恒律、控制体与离散化的必要性 我们探讨了守恒律在工程分析中的重要性。通过控制体方法（Integral Form），读者将理解求解域内物理量的累积和交换过程。关键在于理解，正是这些守恒律，构成了所有主流CFD方法的数学基础。 本章的重点转向离散化。我们将详细介绍有限体积法（FVM），这是工业界应用最广泛的方法。我们将解析通量守恒的实现，讨论如何确保在网格界面上的物理量传递是精确的，这是保证数值解稳定性和准确性的前提。 第三章：求解器架构与压力-速度耦合 N-S方程组的本质难题在于速度和压力之间的耦合关系，尤其是在不可压缩流体中。本章将深入剖析SIMPLE (Semi-Implicit Method for Pressure-Linked Equations) 及其变体（如PISO, SIMPLEC）的迭代策略。我们将详细解释压力修正方程的推导过程，分析亚松弛技术对收敛性的影响，并对比不同耦合算法的计算效率和适用场景。读者将学习如何根据问题特点（瞬态、稳态、亚音速、超音速）选择合适的求解器架构。 第二部分：数值建模与网格生成艺术 数值模型的好坏，很大程度上取决于网格的质量和所选物理模型的准确性。本部分将聚焦于这些实际操作中的关键环节。 第四章：网格生成：几何体处理与网格质量评估 网格是CFD的“骨架”。本章将全面介绍几何体修复的重要性，包括如何处理CAD模型中的几何缺陷以保证网格划分的成功。我们将详细区分结构化网格、非结构化网格和混合网格的优缺点。重点分析正交性、光滑度（Skewness）和壁面边界层网格（$y^+$值控制）对求解精度的影响。我们将通过案例说明，糟糕的网格质量是导致计算失败或结果失真的主要原因。 第五章：湍流建模：从RANS到LES的实践选择 湍流是流体力学中最具挑战性的现象之一。本章不作深奥的湍流理论推导，而是侧重于工程实践中的模型选择。我们将详细对比雷诺平均纳维-斯托克斯（RANS）模型，包括$k-epsilon$、$k-omega$及其剪切修正模型（如SST $k-omega$）。我们将讨论这些模型在预测分离流、回流区和壁面剪切应力方面的表现差异，并提供实用的模型选择指南。对于更精细的模拟，我们将概述大涡模拟（LES）的基本思想及其在捕捉涡结构中的优势与计算成本的权衡。 第三部分：工程应用与后处理技术 理论和建模准备就绪后，本部分指导读者如何将这些工具应用于具体的工程问题，并准确解读计算结果。 第六章：边界条件设置与求解的收敛性判断 错误的边界条件是工程模拟中最常见的错误之一。本章将分类讨论各种常见的边界条件：入口（速度、质量流量）、出口（压力、零梯度）、壁面（无滑移、自由流体）以及周期性边界。更重要的是，我们将教授如何科学地判断收敛性。这包括残差分析、物理量监测（如升力、阻力系数）的收敛趋势以及网格独立性检验（Grid Independence Study）的实施步骤，确保输出结果是物理上可靠的。 第七章：瞬态问题求解与时间步长控制 对于非定常流动，时间离散化与空间离散化同等重要。本章讨论隐式与显式时间积分方案的特性和稳定性。我们将详细介绍 CFL 条件在瞬态求解中的实际意义，以及如何根据物理现象的尺度来选择合适的时间步长，避免数值色散和时间步长过大导致的解震荡。 第八章：后处理与工程验证 计算结果的解读远比求解本身更重要。本章聚焦于高效的后处理技术。我们将指导读者如何利用等值线、矢量图、流线图来可视化复杂流场结构（如涡核、分离泡）。关键在于如何从CFD数据中提取出有意义的工程参数（如阻力、升力、传热系数），并将其与实验数据或经验公式进行对比验证。本章强调工程思维：CFD是一个工具，其价值在于它能否辅助工程决策。 结语：迈向更高级的模拟 《计算流体力学：理论与工程应用实践》旨在成为一本面向专业工程师、研究人员和高年级学生的实用指南。它不追求数学上的完美无瑕，而是致力于提供一套实用的、可操作的流程，帮助读者掌握利用数值模拟解决复杂工程流体力学问题的核心技能。通过本书的学习，读者将能够自信地搭建模型、选择合适的物理闭合，并对最终的计算结果进行批判性的评估。 ---
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