Principles of Computational Fluid Dynamics pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:Springer

作者:Pieter Wesseling

出品人:

页数:644

译者:

出版时间:2000-11-27

价格:USD 145.00

装帧:Hardcover

isbn号码:9783540678533

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《流体计算的艺术：从理论到实践的探索》 本书旨在为读者提供一个全面而深入的流体计算领域概览，重点关注其核心原理、关键算法以及在工程和科学研究中的广泛应用。我们将从流体力学的基本定律出发，逐步构建起求解纳维-斯托克斯方程组的数值方法框架。 第一部分：流体力学基础回顾与方程组的数学表达 在深入数值计算之前，扎实的基础知识是必不可少的。本部分将简要回顾流体力学的基本概念，包括流体的连续性、动量守恒和能量守恒定律。我们将重点阐述守恒律的微分形式，即纳维-斯托克斯方程组。理解这些方程组的物理意义及其数学特性，例如非线性、耦合性以及不同雷诺数下流动行为的差异，是后续数值方法开发的基础。我们将探讨方程组的守恒型和非守恒型形式，以及它们在不同求解策略中的适用性。 第二部分：数值离散方法的基石：有限差分、有限体积与有限元 数值计算的核心在于将连续的偏微分方程转化为离散的代数方程组。本部分将详细介绍三种主流的离散化方法： 有限差分法 (Finite Difference Method, FDM): 我们将介绍有限差分格式的构建原理，包括泰勒级数展开在近似导数上的应用。读者将学习如何从一阶到高阶构造中心差分、向前差分和向后差分格式，并理解它们各自的精度和稳定性特性。我们将探讨网格划分策略，如均匀网格和非均匀网格，以及如何处理边界条件。 有限体积法 (Finite Volume Method, FVM): 强调守恒性的有限体积法是计算流体力学 (CFD) 中最广泛使用的方法之一。本部分将深入讲解如何将控制方程在空间域上的积分形式应用于离散的控制体。我们将详细阐述界面通量重构的多种方法，如通量差分裂 (FDS)、通量向量分裂 (FVS) 和黎曼求解器，以及它们在处理激波和不连续性流场时的优势。 有限元法 (Finite Element Method, FEM): 虽然在CFD中的应用不如FVM广泛，但有限元法在处理复杂几何形状和特定问题时具有独特的优势。我们将介绍基函数、形函数以及如何建立变分形式。读者将理解如何使用加权残量法，特别是伽辽金方法，来导出离散代数方程组。 第三部分：压力-速度耦合的求解策略 纳维-斯托克斯方程组中，压力项的存在使得求解变得复杂，因为压力没有独立的输运方程。本部分将聚焦于解决压力-速度耦合问题的关键算法： 压力泊松方程 (Pressure Poisson Equation): 我们将详细推导并分析各种压力泊松方程的形成机制，以及如何使用迭代方法求解。 速度-压力耦合算法: 本部分将深入探讨求解速度和压力相互作用的常用算法，包括： SIMPLE (Semi-Implicit Method for Pressure Linked Equations) 系列算法: 包括 SIMPLE、SIMPLER、SIMPLEC 等，分析其核心思想、收敛特性以及在不同流态下的适用性。 PISO (Pressure-Implicit with Splitting of Operators) 算法: 介绍其多步分裂思想，以及如何通过预估和校正步骤提高压力求解的精度和稳定性。 Coupled Solvers: 探讨将速度和压力方程组作为一个整体进行隐式求解的策略，分析其在某些情况下的优势。 第四部分：粘性流动的数值模拟 粘性是流体计算中的一个重要方面，它直接影响流动的行为，如边界层、湍流等。本部分将重点关注粘性流动的数值模拟： 粘性项的离散: 讨论如何对粘性项进行数值离散，以及不同离散格式对精度和稳定性的影响。 湍流模型: 鉴于直接数值模拟 (DNS) 的高计算成本，本部分将重点介绍各类统计平均方法和湍流模型： 雷诺平均纳维-斯托克斯 (RANS) 方程: 介绍其基本思想，以及各种 RANS 模型，如 $k-epsilon$ 模型、$k-omega$ 模型及其改进版本。 大涡模拟 (LES) 和直接数值模拟 (DNS): 简要介绍这两种更高级的湍流模拟方法，以及它们的适用场景和计算要求。 第五部分：求解线性代数方程组的迭代方法 在离散化和压力-速度耦合求解过程中，我们最终会得到大规模的稀疏线性代数方程组。本部分将介绍求解这些方程组的常用迭代方法： 迭代法的分类: 区分直接法和迭代法，并阐述迭代法在大规模问题中的优势。 经典迭代法: 详细介绍雅可比 (Jacobi) 法、高斯-赛德尔 (Gauss-Seidel) 法和超松弛 (SOR) 法，分析它们的收敛条件和收敛速度。 预条件共轭梯度法 (PCG) 系列: 介绍共轭梯度法 (CG) 的基本原理，以及各种预条件子 (如对角预条件、不完全 LU 分解等) 的作用，重点讨论它们在加速收敛方面的效率。 多重网格法 (Multigrid Methods): 介绍其基本思想，即在不同尺度的网格上交替求解，以克服单网格方法在处理粗网格上的效率低下问题。 第六部分：计算流体力学的工程应用与案例分析 理论与实践相结合是本书的最终目标。本部分将通过具体的工程案例，展示流体计算在各个领域的应用： 航空航天工程: 如飞机翼型绕流、火箭发动机燃烧模拟。 汽车工程: 如汽车外形的气动设计、发动机内部流动。 环境工程: 如污染物扩散模拟、风力发电场设计。 生物医学工程: 如血液流动模拟、呼吸系统仿真。 通过这些案例，读者将了解如何将前述的理论知识应用于实际问题，如何进行模型选择、网格划分、求解器设置以及结果分析。 第七部分：现代计算流体力学的发展趋势 最后，我们将展望计算流体力学的未来。本部分将介绍一些前沿的研究方向，例如： 高性能计算 (HPC) 在 CFD 中的应用: GPU 加速、并行计算技术。 机器学习与人工智能在 CFD 中的融合: 模型构建、数据驱动的模拟。 多物理场耦合问题: 流固耦合、传热传质耦合。 更高效、更鲁棒的求解算法。 通过对本书内容的学习，读者将能够系统地掌握计算流体力学的基本原理和核心技术，并能将其应用于解决复杂的工程和科学问题，为进一步深入研究打下坚实的基础。

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坦率地说，我原本以为这本书会是那种堆砌公式、让人望而生畏的教科书，但实际阅读体验远超我的预期。这本书的亮点之一在于它对数值稳定性的讨论，这一点在很多同类书籍中往往被一笔带过，但在本书中却被提升到了一个非常核心的地位。作者用大量的篇幅，结合实际算例，深入剖析了各种数值格式（比如有限体积法）在处理对流项和扩散项时的差异和潜在风险。我记得有一章专门讲了时间离散化，他们不仅比较了欧拉向前、向后以及Crank-Nicolson方法的精度和稳定性边界，还直观地展示了在同一个算例中使用不同方法所产生的解的振荡情况，配图非常精妙。这种“理论结合实践演示”的叙述方式，极大地增强了读者的直观感受。此外，书中的算法伪代码部分也写得非常规范，虽然我还没有动手去实现全部代码，但光是阅读这些结构清晰的伪代码，我就能大致把握住求解器的核心逻辑。对于希望真正理解CFD求解器内部工作原理的工程师或研究生来说，这本书提供的洞察力是无价的。

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从装帧和印刷质量来看，这本书也属于一流的出版物。纸张的质量很好，长时间阅读下来眼睛不容易疲劳，这对于一本厚重的专业书籍来说至关重要。装订也十分结实，即使我经常需要查阅不同章节的内容，翻动频繁，书页也没有松动的迹象。我个人对书中的插图和图表的设计非常满意，它们不是那种低分辨率的扫描件，而是清晰、高对比度的专业图形，坐标轴的标注和单位都非常明确。例如，在展示不同时间步长对收敛速度影响的对比图中，作者巧妙地使用了不同深浅的颜色来区分曲线，使得信息的传达效率非常高。总而言之，这不仅仅是一本知识的载体，也是一件制作精良的学术工具。任何希望系统学习计算流体力学核心原理，并将其应用于实际科研或工程挑战的人，都应该将这本书列入案头必备之选。

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这本书的封面设计得非常专业，那种深沉的蓝色调搭配简洁的白色字体，立刻给人一种严谨、学术的印象。我翻开前几页，发现作者的写作风格极其清晰，行文流畅，没有那种为了炫技而堆砌的晦涩术语。他们似乎非常理解初学者在面对计算流体力学（CFD）这一庞大领域时的困惑，所以开篇的数学基础回顾部分做得非常扎实，就像是在为接下来的复杂概念铺设坚实的地基。特别是对于纳维-斯托克斯方程的推导过程，作者没有急于跳跃到高阶的数值方法，而是耐心地、一步一步地展示了从物理原理到数学模型的转化，这一点对于我这种理论基础相对薄弱的读者来说，简直是福音。我尤其欣赏其中穿插的一些历史背景介绍，它们让冰冷的方程背后有了鲜活的人文色彩，理解起来不那么枯燥。这本书的结构安排也很有条理，从最基础的离散化方法讲起，逐步过渡到更复杂的湍流模型，这种循序渐进的方式，使得阅读体验非常顺畅，不会让人在某个知识点上卡住太久。整体而言，这是一部非常适合作为入门和进阶参考的经典之作，它真正做到了化繁为简，将复杂的计算方法以一种极其易懂的方式呈现出来。

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这本书的论述深度和广度令人印象深刻。我注意到，它在处理复杂物理现象的耦合模型时，展现出了极高的专业素养。例如，在讨论传热传质问题时，作者并未满足于简单的能量方程求解，而是深入探讨了辐射模型（如P1模型和离散坐标法）的适用场景和数值实现细节。对于那些需要处理高温或多相流问题的研究人员而言，这部分内容是极其宝贵的。每当引入一个新的复杂模型（比如RANS湍流模型），作者都会首先回顾其背后的物理假设，然后才进入数学表述，最后才是数值离散化。这种“物理-数学-数值”三位一体的讲解路径，确保了读者在应用某个模型时，能清楚地知道自己是在用什么物理假设进行近似。这极大地避免了盲目套用公式的风险，培养了读者批判性地看待数值结果的能力。

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阅读这本书的过程，就像是跟随一位经验丰富的导师进行系统性的指导。我特别关注了它在处理网格生成和质量评估方面的内容。在实际的工程应用中，网格的好坏直接决定了计算的成败，而这本书并没有停留在抽象的理论层面。它详细地介绍了结构化网格、非结构化网格的生成原理，甚至还讨论了像“边界层网格”这类专业性极强的话题。作者似乎很清楚，任何一个CFD工程师都会在实际项目中遇到网格质量不佳导致的发散问题，因此，书中提供了许多实用的诊断和改进网格的建议，而不是简单地描述理论。更让我惊喜的是，书中还涉及了现代CFD中越来越重要的自适应网格加密（Adaptive Mesh Refinement, AMR）技术的基本思想，这表明作者对该领域的最新发展保持了高度的关注。这种对“如何让计算跑起来并且得到可信结果”的关注，使得本书不仅仅是一本理论参考书，更是一本实用的工程手册。

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