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出版者:机械工业出版社

作者:约翰D.安德森

出品人:

页数:371

译者:

出版时间:2007-6

价格:38.00元

装帧:平装

isbn号码:9787111193937

丛书系列:时代教育·国外高校优秀教材精选

图书标签:

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具体描述

《计算流体力学基础及其应用》是计算流体力学(CFD)方面的入门书。本书首先介绍了计算流体力学的基础知识，然后通过四个精心挑选的例子介绍了计算流体力学中的重要方法和处理技巧。这些例子都有理论上的解析解，读者可以将cFD计算的结果与解析解进行对比，从而更深入地了解cFD的基本概念、思路、方法、用途和优缺点。在此基础上，本书的最后一部分介绍了计算流体力学中的几个前沿问题。

湍流世界的探索：从基础理论到前沿应用一、开启复杂流体运动的智慧之门我们生活的世界，无处不流淌着水的脉动、空气的呼吸，甚至是宇宙深处的星际介质。这些流体的运动，从日常的溪流潺潺到壮丽的飓风肆虐，再到精密如航空发动机内的气流，其背后都隐藏着一套深刻而复杂的物理规律。然而，当我们试图深入理解这些规律，尤其是当流体运动变得极端、不可预测时，传统的解析方法便显得捉襟见肘。正是为了应对这一挑战，一门强大的学科应运而生——湍流理论。它并非仅仅是对“乱”的描述，而是一套严谨的数学框架和物理模型，旨在揭示流体在高度无序、能量耗散剧烈状态下的内在运动机制。本书正是致力于将这扇通往湍流世界的智慧之门，向广大读者徐徐推开。本书并非仅仅罗列公式或堆砌概念，而是以一种层层递进、循序渐进的方式，引导读者从湍流现象的直观认识出发，逐步深入其背后的科学原理。我们将从最基础的流体动力学概念入手，回顾牛顿流体的粘性特性，理解纳维-斯托克斯方程作为描述流体运动基本方程的重要性。然而，纳维-斯托克斯方程的解析解极其有限，这恰恰引出了湍流的复杂性。二、探秘湍流的本质：从统计到模型一旦进入湍流领域，我们便不得不面对其随机性、多尺度性、非线性和耗散性等本质特征。本书将带领读者深入探讨这些特性，理解为什么湍流如此难以捉摸，又为何在自然界和工程界如此普遍。我们不会回避数学上的挑战。本书将详尽阐述统计方法在研究湍流中的核心作用。我们将学习如何运用概率论和统计学工具，描述湍流场的平均行为，如平均速度、湍动能、耗散率等关键物理量。在此基础上，读者将接触到谱理论，理解湍流能量如何在不同尺度之间传递，以及能量的“级串”过程。然而，统计方法本身并不能完全预测具体的湍流结构。因此，本书将重点介绍湍流模型的发展历程与核心思想。从早期基于雷诺平均（RANS）的代数模型和单方程模型（如 Spalart-Allmaras模型），到更为精细的两方程模型（如 k-ε模型、k-ω模型），再到描述湍流脉动信息的三方程模型，我们将逐一解析它们的物理基础、数学形式以及各自的适用范围和局限性。对于追求更高精度预测的读者，本书还将介绍涡解析模拟（LES）的思想。LES的核心在于将大尺度湍流涡解析地模拟出来，而将小尺度湍流的影响通过亚格子模型（SGS模型）进行参数化。我们将深入探讨不同的SGS模型，以及LES在解析和模拟复杂流动结构方面的优势。当然，对于需要最高精度但计算成本巨大的场景，直接数值模拟（DNS）是最终的手段。虽然DNS通常局限于相对简单的流动和较低的雷诺数，但它为我们提供了理解湍流本质的“金标准”。本书将简要介绍DNS的原理及其在验证湍流理论和模型方面的不可替代的作用。三、跨越学科的边界：湍流的广泛应用湍流的无处不在，决定了它在众多学科领域中都扮演着至关重要的角色。本书的另一大亮点，在于系统地展现湍流理论在不同应用领域的强大生命力。在航空航天工程领域，气流的湍流特性直接关系到飞机的升力、阻力、稳定性以及发动机的性能。本书将阐述如何运用湍流模型来预测和控制飞机表面边界层的流动，优化机翼和整流罩的设计，以及模拟火箭发动机内部复杂的高温高压气流。在汽车工程中，车辆的空气动力学性能直接影响燃油效率和行驶稳定性。我们将探讨如何运用湍流模拟技术来分析和改善车身的外部气流，减小风阻，并理解发动机舱内冷却气流的流动规律。能源领域也是湍流研究的重点。无论是水力发电站的涡轮机，还是风力发电机的叶片，其效率都受到流体湍流特性的显著影响。本书将介绍如何运用湍流模型来优化水轮机和风力发电机叶片的设计，提高能量转换效率。同时，在核反应堆的安全设计中，冷却剂的湍流混合和传热特性也是至关重要的考量因素。环境科学与土木工程也离不开湍流理论的支撑。河流、湖泊和海洋中的水流运动，大气污染物的扩散，以及建筑物周围的风场特性，都属于典型的湍流现象。本书将介绍如何利用湍流模型来预测水体污染物输运，模拟城市风环境，以及评估桥梁和高层建筑在强风作用下的结构稳定性。此外，我们还将触及生物医学工程中的应用，例如血液在血管中的流动，以及人造器官表面的流体动力学特性；化学工程中的反应器设计，以及混合和传质过程；乃至气象学和海洋学中预测天气模式和洋流运动。四、探索前沿：现代湍流研究的新趋势湍流研究并非一成不变，它始终在不断地演进和发展。本书的结尾部分，将带领读者眺望湍流研究的前沿领域，激发对未来研究方向的思考。我们将介绍机器学习和人工智能在湍流建模中的新兴应用。如何利用深度学习技术来构建更准确、更高效的湍流模型？如何通过数据驱动的方法来加速模拟过程？这些都是当前研究的热点。同时，多相流湍流，即同时存在两种或多种物质（如气体、液体、固体颗粒）的混合流动，其复杂性远超单相流。本书将简要介绍多相流湍流的挑战，以及相关的研究进展。湍流减阻技术，即如何通过各种手段（如表面微结构、等离子体激励等）来降低流体流动中的能量损耗，一直是航空航天和航海领域关注的焦点。我们将对这些前沿技术进行初步的介绍。最后，本书将强调跨学科合作的重要性。湍流研究的深入发展，需要物理学家、数学家、工程师和计算机科学家之间的紧密协作。通过本书的学习，我们希望能够为读者提供一个坚实的基础，使其能够参与到这一激动人心的科学探索之中。五、结语本书的目标是为读者构建一个关于湍流的系统性、多维度的认知框架。我们力求在理论深度和应用广度之间找到一个平衡点，既能让读者理解湍流的深层机制，又能感受到其在解决实际问题中的强大力量。无论您是工程领域的初学者，还是资深的科研人员，亦或是对自然界充满好奇的探索者，本书都将是您踏入湍流世界的理想向导。让我们一起，在这充满挑战又充满魅力的湍流世界里，开启一段智慧的旅程。

作者简介

目录信息

译者序.
原书序
第1部分基本思想和基本方程
第1章计算流体力学的基本原理
1.1为什么要学习计算流体力学
1.2作为研究工具的计算流体力学
1.3作为设计工具的计算流体力学
1.4计算流体力学的应用实例
1.4.1汽车和发动机
1.4.2工业制造
1.4.3土木工程
1.4.4环境工程
1.4.5造船(潜水艇)
1.5计算流体力学的研究范畴
1.6学习本书的目的
第2章流体力学的控制方程组
2.1引言
2.2流动模型
2.2.1有限控制体
2.2.2无穷小流体微团
2.2.3注释
2.3物质导数(运动流体微团的时间变化率)
2.4速度散度及其物理意义
2.5连续性方程
2.5.1空间位置固定的有限控制体模型
2.5.2随流体运动的有限控制体模型
2.5.3空间位置固定的无穷小微团模型
2.5.4随流体运动的无穷小微团模型
2.5.5方程不同形式之间的转化
2.5.6积分形式与微分形式的重要注释
2.6动量方程
2.7能量方程
2.8流体力学控制方程的总结与注释
2.8.1粘性流动的纳维—斯托克斯(Navier-Stokes)方程
2.8.2无粘流欧拉(Euler)方程
2.8.3关于控制方程的注释
2.9物理边界条件
2.10适合CPD使用的控制方程
2.11小结
习题
第3章偏微分方程的数学性质对CFD的影响
3.1引言
3.2拟线性偏微分方程的分类
3.3确定偏微分方程类型的一般方法——特征值法
3.4不同类型偏微分方程的一般性质
3.4.1双曲型方程
3.4.2抛物型方程
3.4.3椭圆型方程
3.4.4注释
3.5定解问题的适定性
3.6小结
习题
第2部分基本的数值方法
第4章离散化的基本方法
4.1引言
4.2有限差分基础
4.3差分方程
4.4显式方法与隐式方法
4.5误差与稳定性分析
4.6小结
习题
第5章网格生成与坐标变换
5.1引言
5.2方程的一般变换
5.3度量和雅可比行列式
5.4再论适合CFD使用的控制方程
5.5注释
5.6拉伸(压缩)网格
5.7贴体坐标系：椭圆型网格生成
5.8自适应网格
5.9网格生成的进展
5.10有限体积网格生成的进展
5.11小结
习题
第6章计算流体力学的基本方法
6.1引言
6.2拉克斯·温德罗夫(Lax-Wendroff)方法
6.3麦考马克(MacCormack)方法
6.4粘性流动.守恒形式和空间推进
6.4.1粘性流动
6.4.2守恒形式
6.4.3空间推进
6.5松弛法及其在低速无粘流动中的应用
6.6数值耗散.色散及人工粘性
6.7交替方向隐式(ADI)方法
6.8压力修正法及其在不可压粘性流动中的应用
6.8.1关于不可压纳维—斯托克斯(Navier-Stokes)方程的注释
6.8.2交错网格的应用
6.8.3压力修正法的基本原理
6.8.4压力修正公式
6.8.5数值方法：SIMPLE算法
6.8.6压力修正法的边界条件
6.9用于CFD的计算机绘图技术
6.9.1xy图
6.9.2等值线图
6.9.3向量图和流线图..
6.9.4散布图
6.9.5网格图
6.9.6组合图
6.9.7关于计算机绘图的总结
6.10小结
习题
第3部分计算流体力学的应用
第7章拟一维喷管流动的数值解
7.1引言
7.2物理问题简介
7.3亚声速一超声速等熵喷管流动的CFD解法
7.3.1问题的提法
7.3.2最初几步的中间结果
7.3.3最终的数值结果——定常解
7.4全亚声速等熵喷管流动的CFD解法
7.4.1问题的提法：边界条件和初始条件
7.4.2最终的数值结果——麦考马克(MacCormack)方法
7.4.3求解失败的原因
7.5再论亚声速一超声速等熵喷管流动的CFD解法
7.5.1守恒型基本控制方程
7.5.2问题的提法
7.5.3第一个时间步的计算结果
7.5.4最终的数值结果——定常解
7.6激波捕捉
7.6.1问题的提法
7.6.2时间推进过程——人工粘性
7.6.3数值结果
7.7小结
第8章二维超声速流动的数值解——普朗特-迈耶稀疏波
8.1引言
8.2物理问题简介：普朗特-迈耶(Prandtl-Meyer)稀疏波的解析解
8.3普朗特一迈耶(Prandtl-Meyer)稀疏波流场的数值解
8.3.1控制方程
8.3.2问题的提法
8.3.3中间结果
8.3.4最终结果
8.4小结
第9章不可压库埃特(Couette)流的数值解
9.1引言
9.2物理问题及其解析解
9.3数值方法：隐式克兰克-尼科尔森(Crank-Nicolson)方法
9.3.1数值方法
9.3.2问题的提法
9.3.3中间结果
9.3.4最终结果
9.4另一种数值方法：压力修正法
9.4.1问题的提法
9.4.2结果
9.5小结
习题
第10章流过平板的超声速流动
10.1引言
10.2物理问题
10.3数值方法：二维完全纳维-斯托克斯(Navier-Stokes)方程的显式有限差分解法
10.3.1流动控制方程
10.3.2问题的提法
10.3.3有限差分方程
10.3.4空间步长和时间步长的计算
10.3.5初始条件和边界条件
10.4纳维-斯托克斯(Navier-Stokes)方程计算程序的组织
10.4.1概论
10.4.2主程序
10.4.3麦考马克(MacCormack)方法子程序
10.4.4最后的注释
10.5最终的数值结果——定常解
10.6小结
第11章现代计算流体力学中的某些高级问题
11.1引言
11.2再论守恒型流动控制方程
11.2.1一维流动
11.2.2小结
11.3隐式方法的其他处理技巧
11.3.1方程的线性化——比姆·沃明(Beam-Warming)方法
11.3.2多维问题——近似因子分解法
11.3.3分块三对角矩阵
11.3.4小结
11.4迎风格式
11.4.1矢通量分裂法
11.4.2戈杜诺夫(Godunov)方法
11.4.3注释
11.5二阶迎风格式
11.6高分辨率格式——TVD与通量限制器
11.7一些结果
11.8多重网格法
11.9小结
习题
第12章计算流体力学的未来
12.1再论CPD的重要性
12.2CFD中的计算机图形学
12.3CFD对飞行器设计的影响
12.4CFD对流体力学基础研究的影响
12.5总结
附录
附录A解三对角方程组的托马斯算法
附录B主要人名的中英文对照表...
· · · · · · (收起)

读后感

评分☆☆☆☆☆

用户评价

评分☆☆☆☆☆

我最近读到了一本关于**古埃及象形文字破译史**的专著，这本书的叙事张力简直可以媲美一部悬疑小说。作者没有直接跳到罗塞塔石碑，而是花了很大篇幅去描绘欧洲学者们在破译过程中所经历的漫长、充满误解和争议的探索历程。从早期的误读到商博良最终的顿悟，整个过程充满了戏剧性的转折。最吸引我的是，书中详细分析了不同学者基于不同的语言学假设所犯下的错误，这让我深刻体会到科学发现并非一蹴而就，而是建立在无数次失败的尝试之上的。书中的语言风格非常具有感染力，仿佛能让你感受到那个时代学者们对未知文明的好奇心和近乎偏执的执着。它不仅让你学会了如何“读懂”象形文字，更重要的是，让你理解了人类文明在跨越时间鸿沟时所付出的巨大努力和智慧。这本书完美地结合了历史学、语言学和探险精神。

评分☆☆☆☆☆

天哪，我最近淘到了一本关于**量子物理导论**的书，简直是知识的海洋！作者的叙述风格非常直白，没有太多晦涩的数学公式堆砌，而是用日常生活中能理解的类比来解释波粒二象性、不确定性原理这些抽象概念。尤其是关于薛定谔方程的讲解部分，作者通过一个生动的“猫的生死”思想实验，让我对量子叠加态有了前所未有的直观感受。整本书的排版也很考究，图文并茂，色彩鲜明，读起来一点也不枯燥。如果你是对基础物理感兴趣，但又害怕被复杂的数学吓退的初学者，这本书绝对是你的不二之选。它成功地架起了理论与直觉之间的桥梁，让人在轻松愉悦的阅读体验中，不知不觉地吸收了深奥的知识。我特别喜欢其中一个章节，专门探讨了量子纠缠在信息加密领域的潜在应用，这部分的探讨既富有远见，又紧密贴合当下的科技发展，让人读完后充满了对未来科技的憧憬。

评分☆☆☆☆☆

这本书，**《宏观经济学：现代视角》**，简直是为我这种对经济波动和政策制定充满好奇心的人量身定做的。我原本以为经济学就是那些枯燥的供需曲线和GDP数字，但这本书彻底颠覆了我的看法。它不仅仅罗列了凯恩斯主义和货币主义的理论，更重要的是，它把这些理论置于真实的历史背景下去考察其有效性和局限性。例如，作者在分析2008年金融危机时，非常细致地梳理了不同宏观经济学派的解释，并对比了各国政府采取的财政和货币政策的长期影响，分析得入木三分。语言上，它保持了一种批判性的学术严谨性，同时又穿插了一些非常精妙的案例研究，使得复杂的模型变得可以触摸、可以理解。读完它，我对央行的利率决策、财政赤字对通货膨胀的长期影响，都有了全新的、更加深刻的认识。它不是一本让你学会“预测”市场的书，而是一本让你学会“理解”世界运行逻辑的教科书。

评分☆☆☆☆☆

我最近翻阅的这本**《中世纪欧洲艺术史：从哥特到罗马复兴》**，简直是一场视觉和思想的盛宴。这本书的厉害之处在于，它没有停留在对艺术作品的简单描述上，而是深入挖掘了每一座大教堂、每一幅手稿背后的社会结构、宗教信仰和权力更迭。比如，作者花了大量篇幅讨论哥特式飞扶壁的设计，不仅仅是从结构力学的角度，更是将其解读为对“向上、向神”的集体精神追求的物质体现。细节的捕捉能力令人惊叹，对于不同地区、不同时期细微的风格差异，作者都能通过高清的插图和详尽的文字进行对比分析。我尤其欣赏其叙事手法，它像是将你带入时光机，让你真切感受到艺术是如何与时代脉搏同步呼吸的。对于一个非专业读者来说，它提供了足够的背景知识，让人在欣赏艺术品时，不再是走马观花，而是能读出艺术品背后的“时代密码”。

评分☆☆☆☆☆

**《神经科学基础与临床实践》**这本书，说实话，起初我有点担心会过于专业化，但事实证明我的顾虑完全是多余的。它采取了一种非常聪明的结构，将基础的神经元工作原理、突触传递等内容讲得清晰明了，这部分的内容对于建立扎实的理解至关重要。然而，这本书的真正亮点在于其“临床实践”的部分。作者似乎对每一种常见的神经系统疾病，从帕金森病到阿尔茨海默症，都进行了详尽的病理分析和最新的治疗方案概述。尤其令人印象深刻的是，它讨论了最新的基因编辑技术在治疗遗传性神经系统疾病中的伦理考量和初步成果，这种对前沿科学的关注度，使得这本书即便在相对快速发展的医学领域，也保持了相当的生命力。阅读体验上，它大量使用了流程图和解剖图谱，使得复杂的信号通路和脑区功能得以清晰地可视化，极大地帮助了记忆和理解。

评分☆☆☆☆☆

边看边忘，我不是纯作计算的。

评分☆☆☆☆☆

看过看过，不错，不错

评分☆☆☆☆☆

干！

评分☆☆☆☆☆

终于把后面几个实例算完了……

评分☆☆☆☆☆

推导过程与物理意义