Basics of Fluid Mechanics and Introduction to Computational Fluid Dynamics pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:Springer

作者:Titus Petrila

出品人:

页数:500

译者:

出版时间:2005-2-7

价格:GBP 162.00

装帧:Hardcover

isbn号码:9780387238371

丛书系列:

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• 计算机科学
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流体力学与计算流体力学导论：探索流体运动的奥秘与现代模拟技术 本书旨在为读者提供一个全面而深入的流体力学基础知识体系，并在此基础上引入当代工程和科学研究中不可或缺的计算流体力学（CFD）方法。我们聚焦于流体运动的基本原理、分析工具的构建，以及如何利用数值方法解决实际工程问题。全书结构严谨，内容覆盖从宏观概念到微观规律的过渡，力求在理论深度与工程应用之间找到完美的平衡点。 第一部分：经典流体力学基础 本部分是理解流体行为的基石，我们将从流体力学的基本假设和连续介质概念出发，逐步构建描述流体运动的数学框架。 第一章：流体静力学与连续介质假设 本章首先阐述了宏观尺度下处理流体运动所必需的连续介质模型，对比了牛顿流体与非牛顿流体在基本假设上的差异。重点在于流体静力学的原理，包括压力定义、压强随深度的变化规律（帕斯卡定律）以及对浮力、阿基米德原理的深入探讨。通过分析静水压力在不同几何形状容器中的分布，读者将掌握如何计算作用在平面和曲面上的流体总作用力，为后续的流体动力学分析奠定基础。此外，本章还会介绍流体性质的关键参数，如密度、比重、粘度和表面张力，并探讨它们在工程计算中的重要性。 第二章：流体运动学：描述流场 本章专注于描述流体运动本身，而不涉及作用于流体上的力。我们引入了描述流场的基本概念，如流线、迹线和时间线，并详细解释了物质导数（或随体导数）的概念，这是将拉格朗日观点转化为欧拉观点进行分析的关键桥梁。我们将分类讨论流态，如稳定流与非稳定流、恒定流与非恒定流、层流与湍流。本章的核心在于运动学方程的建立，包括速度场的描述、散度与旋度的物理意义，以及如何利用这些工具分析流体的变形和旋转。 第三章：流体动力学：守恒定律的应用 本章是理论分析的核心，我们将三大基本守恒定律——质量守恒、动量守恒和能量守恒——应用于流体系统。 质量守恒（连续性方程）： 从微元体分析出发，推导出一般形式的连续性方程，并针对不可压缩流体和定常流等特殊情况进行简化。本节将强调质量守恒在确定流场速度分布中的约束作用。 动量守恒（纳维-斯托克斯方程）： 这是流体力学中最著名的偏微分方程组。我们将详细推导牛顿流体的纳维-斯托克斯（Navier-Stokes, N-S）方程，明确各项的物理意义，包括惯性项、压力梯度项、粘性项和外力项。本章将首次展示如何应用这些方程解决简单的层流问题，例如泊肃叶流（Poiseuille flow）和库艾特流（Couette flow），使读者初步理解解析解的求解过程。 能量守恒： 针对涉及温度变化和热传导问题的流体流动，本章将推导能量守恒方程，包括热传导、对流和粘性耗散的影响。 第四章：无粘流的理论模型与特殊解 在不可压缩、无粘性的理想条件下，纳维-斯托克斯方程简化为欧拉方程。本章专门研究欧拉方程的解析解及其重要推论。我们将详细讨论伯努利方程的推导和应用，阐明其在不同参考系下的适用条件和物理意义，这是许多基础工程计算中不可或缺的工具。此外，本章还将引入势流理论（Potential Flow Theory），利用复变函数分析二维无粘流场的叠加原理，如源、汇、偶极子和环量流，并应用于翼型周围的流场分析，尽管这是一种理想化模型，但它为理解流体动力学的基本几何效应提供了直观的见解。 第五章：粘性流动的特性与边界层理论 本章将焦点转向粘性效应的主导作用。我们将深入探讨雷诺数（Reynolds Number）的物理意义，它是判断粘性和惯性力相对强弱的关键无量纲参数。重点内容是边界层理论。我们将分析边界层形成的机理，详细介绍普朗特（Prandtl）的边界层分离假设。通过利用简化的动量积分方程（如卡门积分方程），读者将学会估算边界层厚度、摩擦阻力和压力梯度对边界层分离的影响，这是理解气动阻力、传热和混合过程的关键。 第二部分：计算流体力学的核心方法 在掌握了严格的解析理论后，本部分将转向现代工程分析的利器——计算流体力学（CFD）。我们将系统地介绍如何将微分方程转化为可解的代数方程组，并探讨求解这些方程的数值技术。 第六章：偏微分方程的数值离散化 本章是CFD方法论的起点。我们将探讨如何对纳维-斯托克斯方程进行数值处理。核心内容包括： 函数近似与插值： 介绍有限差分法（Finite Difference Method, FDM）的基础，包括泰勒级数展开、空间和时间离散化，以及不同阶数的近似精度（一阶迎风格式、二阶中心格式）。 控制体积法（Finite Volume Method, FVM）： 详细介绍FVM在处理守恒律方面的优势，重点阐述如何对方程进行积分，确保物理量（如质量和动量）在每个控制体积界面上的守恒性。 网格生成与质量： 讨论计算域的划分，包括结构化网格（笛卡尔坐标系、曲线坐标系）和非结构化网格的生成技术，以及网格质量（正交性、光滑度）对数值精度的影响。 第七章：对流项的数值处理与稳定性 流体动力学方程中最具挑战性的是对流项，它导致了方程的“对流主导”特性。本章专门针对此问题进行深入探讨： 对流项的离散化： 详细对比中心差分格式（易产生振荡）、迎风格式（引入数值耗散）和高分辨率格式（如QUICK, Superbee等）。 数值扩散与色散： 阐明数值误差（即数值扩散）如何伪装成物理粘性，以及如何通过选择合适的离散格式来最小化这些误差。 时间推进方案： 介绍显式与隐式时间推进方法，如欧拉法、龙格-库塔法，并分析它们的稳定性和计算效率。 第八章：压力-速度耦合算法与求解策略 对于不可压缩流体，动量方程包含速度，而连续性方程仅包含压力梯度。这形成了一个“压力没有动力学方程”的耦合难题。本章将集中介绍解决此问题的核心算法： SIMPLE 族算法： 详细讲解SIMPLE（Semi-Implicit Method for Pressure Linked Equations）算法的迭代过程，包括压力修正方程的推导和速度场的校正步骤。随后，介绍其衍生方法如SIMPLEC和PISO算法，并讨论它们在不同流态下的适用性。 松弛因子与收敛性： 探讨迭代求解过程中的欠松弛技术，如何选择合适的松弛因子以保证压力和速度场的迭代收敛。 第九章：湍流模型的应用与模拟方法 湍流是流体力学中最复杂、对工程影响最大的现象之一。本章将介绍如何通过模型化来处理湍流的复杂性，而非直接求解所有尺度的时间尺度： 湍流的统计描述： 引入雷诺平均（Reynolds Averaging），推导出雷诺平均纳维-斯托克斯（RANS）方程，以及其中不可避免的雷诺应力项。 湍流模型： 重点介绍主流的两方程模型，包括$k-epsilon$（标准、与壁面函数）、$k-omega$（SST模型）的物理基础和方程形式，以及它们在近壁区和自由剪切流中的表现差异。 大涡模拟（LES）简介： 对更高级的模拟方法进行概述，解释如何通过亚格子尺度（Subgrid Scale, SGS）模型来处理未被解析的较小尺度湍流涡旋。 第十章：CFD 案例分析与后处理 本章将理论与实践相结合，通过具体的工程案例展示CFD模型的构建流程，并介绍如何正确解读计算结果。我们将覆盖从几何导入、网格划分、边界条件设置（如速度入口、压力出口、壁面条件）到求解器选择的全过程。后处理部分将侧重于物理量可视化（如等值线、矢量图、涡流识别），以及提取关键工程参数，如升力、阻力系数、传热率和压降的计算方法和误差评估。 本书的结构设计旨在使读者不仅掌握流体力学的基本原理，更能系统地理解如何利用现代数值方法，将这些物理定律转化为可操作的工程解决方案。

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阅读一本好书，就像是开启一段未知的旅程，而一本好的导论，则是我在这段旅程中最可靠的向导。这本书的标题，尤其是“导论”二字，让我对它的期望值很高。我一直觉得，学习任何一门新的学科，最关键的一步就是找到一个好的入门点，一个能够让我快速建立起整体框架，并且对后续的学习方向有清晰认识的引路人。流体力学本身就是一个庞大而复杂的学科，涵盖了从宏观尺度上的天气预报到微观尺度上的生物体内的血液流动等诸多领域。而计算流体力学，更是将这门学科推向了新的高度，使得我们能够以前所未有的精度和效率来模拟和预测流体行为。我希望这本书能够提供一个扎实且易于理解的开端，让我能够迅速把握流体力学的核心概念，并为进一步深入学习计算流体力学打下坚实的基础。

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从书名来看，这本书似乎提供了一个进入流体科学领域的完整路径。我一直觉得，学习任何一门学科，都需要从最基础的概念开始，逐步深入，最终能够理解其在实际应用中的价值。流体力学，涉及的范围非常广泛，从日常生活中的水流到工业生产中的空气动力学，都离不开它。而“计算流体力学”则更进一步，它将抽象的理论模型转化为可以在计算机上实现的算法，这对于现代工程设计和科学研究至关重要。我希望这本书能够清晰地梳理出流体力学和计算流体力学之间的内在联系，让我能够理解为何需要计算方法来解决流体力学问题，并且能够掌握一些基础的计算方法，为我后续深入研究打下坚实的基础。

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这本书的题目，直截了当地点出了它所要解决的核心问题：如何从流体力学的基本理论出发，逐步过渡到计算流体力学的应用。我个人对计算模拟在工程实践中的作用一直非常感兴趣，也知道流体力学在很多领域都扮演着关键角色。然而，对于如何将抽象的物理方程转化为可以在计算机上运行的程序，我一直感到有些茫然。这本书的“基础”和“导论”两个关键词，恰恰满足了我学习的初衷。我期望它能够提供一个扎实可靠的理论基础，让我真正理解流体的物理特性和运动规律，并且能够清晰地介绍计算流体力学的基本思想和常用方法，引导我迈出掌握这一技术的第一步。

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我之所以会关注这本书，很大程度上是因为它所涵盖的主题——流体力学和计算流体力学——在现代科学和工程领域扮演着越来越重要的角色。无论是航空航天、汽车设计、环境保护，还是医学研究，流体动力学问题无处不在。然而，理解和解决这些问题往往需要强大的理论知识和计算能力。我一直对如何将抽象的物理原理转化为具体的数值模拟感到好奇，也渴望能够掌握一些基础的数值计算方法，以便能够自己动手去解决一些简单的流体问题。因此，这本书的标题直接命中了我的兴趣点，我希望它能够提供一个既有理论深度又不失实践指导性的学习路径，让我能够一步步地走进这个 fascinating 的领域。

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这本书的标题，特别是“导论”二字，让我对它的期望值非常高。我一直认为，一本优秀的导论书籍，不仅要能够清晰地阐述学科的基础概念，更要能够激发读者的兴趣，并且为他们指明进一步学习的方向。流体力学是一个非常迷人的领域，它解释了自然界中许多我们习以为常的现象，例如为什么船能够浮在水上，为什么飞机能够飞行。而“计算流体力学”则将这种探索推向了数字化时代，使我们能够利用强大的计算工具来模拟和预测复杂的流体行为。我希望这本书能够以一种既严谨又易于理解的方式，带领我深入了解流体力学的基本原理，并初步接触到计算流体力学的奥秘，让我对这个领域有一个全面而清晰的认识。

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这本书的封面设计倒是挺吸引人的，简洁大方，色调也比较沉静，给人一种专业而严肃的感觉。当我拿到这本书的时候，第一感觉就是它的分量不轻，厚实的书脊预示着里面内容丰富，这让我对接下来的阅读充满期待。我一直对流体力学这个领域很感兴趣，但总是觉得理论性太强，难以深入理解，更不用说实际应用了。而“计算流体力学”这个词，更是让我觉得遥不可及，似乎是只有少数高科技领域才会接触到的高深技术。所以，当我看到这本书的名称时，就觉得它可能是一个很好的切入点，能够帮助我跨越理论和实践的鸿沟，真正地理解流体世界的奥秘，并且还能了解到如何利用计算机来模拟和分析这些复杂的过程。

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我对这本书的关注，很大程度上源于其在内容上的“双管齐下”策略。流体力学的物理基础是理解一切流体现象的根源，而计算流体力学则是实现对这些现象进行量化分析和预测的关键。我一直觉得，单纯的理论学习容易让人感到枯燥乏味，而缺乏理论指导的计算实践则可能导致盲目和低效。因此，这本书的标题暗示着它能够在我学习流体力学基本原理的同时，也引导我接触到如何将这些原理应用于计算模拟。我希望它能详细介绍流体运动的守恒定律，如质量守恒、动量守恒和能量守恒，并解释如何将这些定律转化为适用于数值计算的数学模型。

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对于一本技术性很强的书籍，我最看重的是它的逻辑结构是否清晰，以及内容的组织是否能够帮助读者循序渐进地掌握知识。这本书的标题，“流体力学基础与计算流体力学导论”，给我的第一印象是它试图建立起一个从基础到进阶的桥梁。我设想，它会先详细阐述流体力学的基本概念，比如压强、粘度、伯努利方程等等，这些都是理解后续内容的基础。然后，再逐渐引入计算流体力学的概念，可能包括数值离散方法、有限差分、有限体积或者有限元方法，以及求解 Navier-Stokes 方程的常见算法。我希望这本书能够清晰地梳理出这些知识点之间的联系，避免让读者感到跳跃或者迷失，能够真正做到“导论”的职责，为初学者铺平道路。

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我最看重的一本书的特点，莫过于它是否能够引发我的思考，并且在我遇到困难时提供清晰的指引。这本书的标题——“流体力学基础与计算流体力学导论”——恰恰点出了我的核心需求。我曾尝试阅读过一些流体力学方面的教材，但往往因为晦涩的数学推导和抽象的概念而感到沮丧。而“计算流体力学”更是让我觉得无从下手，缺乏必要的编程和数值方法知识。因此，这本书的“基础”和“导论”这两个关键词，让我看到了希望。我希望它能够从最根本的概念讲起，循序渐进地引导我理解流体的基本性质、运动规律以及与之相关的基本方程。同时，我也期待它能在我初步掌握了理论基础后，能够清晰地介绍计算流体力学是如何将这些理论转化为实际可行的计算模型，并且在解决实际工程问题时发挥作用。

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在选择一本新的技术书籍时，我通常会关注它是否能激发我的求知欲，并且是否能够帮助我建立起解决实际问题的能力。流体力学，这个概念本身就充满了挑战和吸引力。想象一下，我们每天都能看到的风、水，它们是如何运动的？为什么飞机能够飞上天空？这些背后都有流体力学的身影。而“计算流体力学”，更是将这种现象的探索推向了数字世界，让我们能够通过计算机来模拟和预测这些复杂的流动过程。我希望这本书能够以一种引人入胜的方式，将这些理论知识和计算方法有机地结合起来，让我在理解流体运动原理的同时，也能掌握使用计算工具来分析和解决问题的技巧，从而在未来的学习和工作中能够应对更多与流体相关的挑战。

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