Fluid-Structure Interactions pdf epub mobi txt 电子书下载 2026

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出版者:Lightning Source Inc

作者:Paidoussis, Michael

出品人:

页数:572

译者:

出版时间:1998-11

价格:$ 327.70

装帧:HRD

isbn号码:9780125443609

丛书系列:

图书标签:

流固耦合
计算流体力学
结构力学
数值模拟
工程应用
振动
水动力
航空航天
海洋工程
生物力学

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具体描述

This volume emphasizes the fundamentals and mechanisms giving rise to flow-induced vibration of use to researchers, designers, and operators. Fluid--Structure Interactions provides useful problem-solving tools, and conveys the ideas in a physically comprehensible manner. The book includes a complete bibliography of important work in the field. . The Non-linear behaviour of Fluid-Structure interactions . The possible existence of chaotic oscillations . The use of this area as a model to demonstrate new mathematical techniques This book will prove invaluable to researchers, practitioners, and students in fluid-structure interactions, flow-induced vibrations, and dynamics and vibrations.

《计算流体力学与结构动力学》图书简介本书旨在为读者提供一个全面、深入的计算流体力学（CFD）与结构动力学（SD）耦合分析的理论框架和实用工具。在现代工程设计和科学研究中，流体与固体结构的相互作用无处不在，从航空航天器的气动弹性分析到生物医学中的血流动力学研究，再到土木工程中的风致振动问题，准确模拟和预测这种复杂的多物理场耦合现象至关重要。本书内容聚焦于如何将两种原本独立的计算方法——描述流体运动的 Navier-Stokes 方程和描述结构变形与响应的固体力学方程——有效地集成起来，以解决实际工程中的难题。全书结构清晰，逻辑严谨，分为理论基础、耦合算法、关键应用和前沿展望四个主要部分，力求做到理论的深度与工程的广度兼备。 --- 第一部分：理论基础与数学模型本部分首先回顾了进行流固耦合分析所必需的两个核心物理场的数学描述。第一章：流体动力学基础本章详细阐述了描述粘性流体运动的基本方程——Navier-Stokes 方程组。我们不仅探讨了牛顿流体和不可压缩流体的基本形式，还深入讨论了湍流建模的必要性及其主要方法，包括雷诺平均 Navier-Stokes (RANS) 模型（如 $k-epsilon$ 和 $k-omega$ 模型）以及大涡模拟 (LES) 的基本思想。特别关注了在固液交界面附近，如何精确处理边界条件，例如无滑移条件和界面处的流体压力分布。第二章：结构动力学基础本章着重于描述弹性或粘弹性固体材料的运动和响应。从牛顿第二定律出发，推导出结构动力学的控制方程，即欧拉-伯努利梁理论、经典薄板理论和更普遍的三维弹性动力学方程。本书强调了有限元方法 (FEM) 在离散化这些偏微分方程中的应用，包括形函数选取、刚度矩阵和质量矩阵的形成。材料本构关系（如线弹性、弹塑性）的描述是本章的重点，为后续的耦合分析奠定基础。第三章：耦合界面条件流固耦合分析的核心挑战在于正确处理流体域与固体域的交界面。本章专门探讨了耦合的物理和数学条件： 1. 运动学条件 (Kinematic Condition)：要求流体与固体在界面上的速度和位移必须连续匹配。 2. 力学条件 (Stagnation Condition)：要求作用于界面上的流体牵引力和固体反作用力必须平衡。这些条件是构建耦合系统的桥梁，它们的精确表达直接决定了耦合分析的准确性。 --- 第二部分：流固耦合数值算法本部分是全书的技术核心，详细介绍了实现流固耦合计算的数值策略和算法实现。第四章：耦合策略的分类与选择流固耦合策略主要分为两大类：单向耦合 (One-Way Coupling) 和双向耦合 (Two-Way Coupling)。单向耦合：仅考虑流体对结构的影响（如结构变形对流场影响可忽略）。本章介绍了其应用场景和计算流程。双向耦合：流体和结构相互影响，需要迭代求解。我们重点分析了双向耦合的复杂性。第五章：迭代求解方法对于双向耦合问题，求解器的选择至关重要。本章详细对比了两种主要的求解模式： 1. 松散耦合 (Loose Coupling)：采用交错式迭代策略，在每一步迭代中分别调用 CFD 和 SD 求解器。本章分析了其收敛性问题，并介绍了亚松弛技术 (Sub-Relaxation) 来加速或稳定迭代过程。 2. 紧密耦合 (Strong/Monolithic Coupling)：将流体方程和结构方程在时间步内统一离散并求解，形成一个大型的非线性代数方程组。本书详细阐述了如何构建统一的雅可比矩阵，以及使用 Newton-Raphson 族方法进行求解。第六章：网格处理与交界面处理技术在移动边界问题中，网格的更新是一个技术难点。本章探讨了处理流体域网格变形的有效技术： 1. 重划分法 (Remeshing)：在结构变形较大时，重新生成流体网格，并进行场变量的插值。 2. 浸入式边界法 (Immersed Boundary Method, IBM)：将固体边界视为一个虚构的力源，直接在固定背景网格上求解流体方程，特别适用于大规模的流体模拟。 3. 弹簧/拉格朗日法 (ALE/Spring Analogy)：通过在流体域内设置虚拟弹簧连接节点，通过求解弹簧系统来更新流体网格，保持网格质量。 --- 第三部分：关键工程应用实例本部分通过具体的工程案例，展示了流固耦合分析在实际问题中的应用与价值。第七章：航空航天中的气动弹性分析本章聚焦于高速飞行器面临的空气动力学载荷与结构振动之间的耦合。内容涵盖颤振 (Flutter)、发散 (Divergence) 等经典气动弹性现象的数值模拟。详细分析了如何使用耦合方法预测临界速度，以及如何评估不同结构阻尼对系统稳定性的影响。第八章：机械与土木工程中的振动控制本章讨论了风载荷、水载荷或地震载荷作用下的结构响应问题。包括：桥梁与高层建筑：分析风致振动中的涡激振动 (Vortex-Induced Vibration, VIV) 及其对结构疲劳寿命的影响。机械设备：例如涡轮叶片的振动分析，如何通过耦合计算避免共振和接触失效。第九章：生物医学流固耦合本书拓展至生命科学领域，探讨了血液流动与血管壁相互作用 (FSI) 的建模。分析了动脉瘤的形成、心脏瓣膜的动态行为以及血栓的生成机制，展示了耦合分析在诊断和优化医疗器械设计中的潜力。 --- 第四部分：高级主题与展望第十章：非线性与多物理场扩展本章讨论了超越标准弹性模型的复杂情况，包括： 1. 高保真流体模型：如化学反应流与结构的热应力耦合。 2. 材料非线性：结构材料的塑性、损伤累积与疲劳寿命的耦合预测。第十一章：高性能计算与未来挑战流固耦合计算的规模通常非常庞大，对计算资源要求极高。本章探讨了如何利用并行计算架构（如 MPI 和 GPU 加速）来高效求解大型 FSI 问题。最后，对当前研究的前沿方向，如数据驱动的 FSI 建模和人工智能在耦合迭代优化中的应用进行了展望。 --- 目标读者本书适合于高等院校的流体力学、固体力学、结构工程、航空航天工程、机械工程等专业的研究生、博士生，以及从事相关领域仿真分析和研发工作的工程师与科研人员。阅读本书需要具备一定的偏微分方程、数值方法（如有限元法）和 CFD 基础知识。通过系统学习，读者将能够独立建立、求解并解释复杂的流固耦合工程问题。