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出版者:Johns Hopkins Univ Pr

作者:Joyner, David/ Kreminski, Richard/ Turisco, Joann

出品人:

页数:342

译者:

出版时间:2004-4

价格:$ 85.88

装帧:HRD

isbn号码:9780801878220

丛书系列:

图书标签:

• 抽象代数
• 代数学
• 数学
• 高等数学
• 群论
• 环论
• 域论
• 代数结构
• 数学教材
• 大学教材

好的，以下是针对一本名为《Applied Abstract Algebra》的图书所撰写的、不包含其内容的详细图书简介，旨在模拟一本不同领域专业书籍的介绍： --- 《高级计算流体力学与多相流建模：理论、算法与工业应用》 作者： [此处留空，模拟书籍作者信息] 出版社： [此处留空，模拟出版社信息] 页码： 约 850 页 定价： [此处留空，模拟定价信息] 图书简介 面向对象： 计算流体力学（CFD）研究人员、航空航天、能源、化工及环境工程领域的高级工程师、博士与硕士研究生。 内容聚焦： 本书深入探讨了现代计算流体力学领域中，处理复杂、非理想流动——特别是高速、高超声速、湍流以及多相流——的先进理论框架、数值方法与实际工程实现。它旨在弥合传统流体力学教材与前沿工业模拟需求之间的鸿沟，为读者提供构建高保真、可信赖流场数值模型的全景视角。 --- 第一部分：理论基础与守恒律的现代诠释 本书的开篇部分专注于巩固和深化读者对流体力学基本守恒律的理解，并将其提升到更适合现代数值求解的数学表述。 第一章：流体力学基本方程的张量分析 本章详细回顾了纳维-斯托克斯（Navier-Stokes, N-S）方程组的推导，但重点在于其在张量形式下的表达及其对坐标系变换的完备性。探讨了牛顿流体、非牛顿流体（如幂律流体、剪切增稠/稀化流体）的本构方程，并引入了基于信息守恒的分析框架，为后续处理激波和界面问题奠定严格的数学基础。讨论了质量、动量和能量方程在非欧几里得空间中的形式。 第二章：湍流建模的统计与动力学视角 湍流是计算流体力学中最具挑战性的问题之一。本章摒弃了简单的雷诺平均（RANS）介绍，直接切入大涡模拟（LES）和直接数值模拟（DNS）的理论核心。详细阐述了亚格子尺度（Subgrid-Scale, SGS）模型的物理基础，包括Smagorinsky模型、动态模型（Dynamic Procedure）的推导过程，以及基于尺度的过滤（Scale-Separation）理论。同时，对混合RANS/LES（如$ ext{Detached Eddy Simulation, DES}$）的混合策略进行了深入的力学解析，重点分析了其在分离流和再附着区域的局限性与校正方法。 第三章：高超声速流动与非平衡效应 针对航空航天和再入飞行器设计，本章系统介绍了气体动力学在高速条件下的复杂性。讨论了激波层、边界层相互作用（Shock Wave Boundary Layer Interaction, SWBLI）的物理机制。关键内容包括化学反应流模型（如有限速率化学、平衡态/非平衡态假设的适用性判断），以及引入气体动力学输运系数的温度和密度依赖性。对于极端高超声速条件，简要引入了玻尔兹曼方程（Boltzmann Equation）及其在高阶矩方法（如Chapman-Enskog展开的局限性）中的应用背景。 --- 第二部分：数值方法与高精度算法实现 本部分是本书的核心技术部分，侧重于描述那些能够精确捕捉流动不连续性（如激波、界面）和高梯度区域的先进离散化技术。 第四章：基于黎曼求解器的激波捕获技术 传统的人工粘性格式在处理强间断时会引入不可接受的数值耗散。本章聚焦于高分辨率的迎风格式。详细推导了一维和二维欧拉方程的黎曼问题解，并在此基础上构建了高精度、高分辨率的通量限制器格式（如MUSCL、TVD框架）。重点分析了Godunov型方法（如Roe、AUSM、HLLC）的收敛性、熵稳定性，并对比了它们的精度与鲁棒性，特别是针对复杂网格结构的应用。 第五章：有限体积法的高阶空间离散化 本书采用有限体积法（FVM）作为主要的数值框架。本章深入讨论了如何将高阶精度（三阶、四阶及以上）融入FVM。详细介绍重构方法（如WENO、CWENO）的数学构建，包括如何通过多项式插值或最小二乘拟合来获得单元界面上的高精度数据。针对非结构化网格，讨论了梯度重构算法（如基于面心和节点加权平均的方法）在高分辨率模拟中的有效性。 第六章：时间离散化与隐式求解器的高效性 为处理涉及不同时间尺度的流动问题（如化学反应的慢过程与声波的快过程），高效的时间推进策略至关重要。本章对比了显式（Explicit）和隐式（Implicit）方法。重点阐述了多步隐式方法的稳定性条件，并深入研究了上风格式与隐式求解器的耦合（如LU分解、SGS预条件化）。针对大尺度问题的求解，讨论了并行化时间步进策略和基于代数多重网格（AMG）的求解器在处理稀疏矩阵系统中的性能优化。 --- 第三部分：多相流与界面追踪的挑战 本部分专门处理涉及多个流体组分、相变或界面运动的复杂系统，这是现代工业过程模拟的关键。 第七章：界面追踪的拓扑学方法 界面追踪是多相流模拟中的核心难点。本章详尽介绍了界面演化方法的分类与比较： 1. Lagrangean方法：如粒子法（Particle Method）在处理自由表面流动中的应用。 2. Eulerian方法：如水平集（Level Set, $phi=0$）方法的演化方程、重构技术（Reinitialization）及其在保持体积守恒方面的挑战。 3. 混合方法：重点介绍相场（Phase-Field）模型，从热力学角度推导界面演化驱动力，以及其在处理复杂界面动力学（如雾化、铺展）中的优势。 第八章：气液/固液界面传递模型的精确计算 本章关注界面两侧的质量、动量和能量交换。详细分析了非平衡态传热传质模型，包括气液界面上的蒸发/凝结过程（基于克努森数判断）。对于涉及颗粒或液滴的离散相模型（DPM），探讨了拖曳力、升力（Saffman）和压力梯度力的准确计算，特别是当颗粒浓度较高时，需要引入“颗粒对流体”的反作用力项。讨论了多孔介质流动中的达西定律（Darcy’s Law）在高雷诺数区域的修正。 第九章：热力学耦合与相变建模 探讨了相变对流场的影响，特别是涉及密度突变的沸腾和凝结现象。引入了有效场方法（Effective Medium Theory）处理多孔结构或混合介质中的传热。对于涉及相变的自由表面流动，介绍了如何将热力学状态方程与N-S方程耦合，确保界面温度和压力的热力学一致性，避免数值上的不稳定性。 --- 第四部分：工业应用与可信度保证 本书最后一部分将理论与工程实践紧密结合，强调模型验证与实际部署。 第十章：湍流模型在工业网格上的适应性 讨论了实际工程网格（通常是粗糙或不规则的）对高阶格式的影响。重点分析了边界层网格的生成策略（如边界层拉伸与分层网格的配合），以及如何在使用有限体积法时，确保近壁面区域的数值精度不会低于物理模型的分辨能力（即 $y^+$ 值控制）。 第十一章：计算可信度与不确定性量化（UQ） 现代工程要求不仅输出一个解，还要量化其误差。本章介绍了计算流体力学可信度评估（Verification & Validation, V&V）的框架。详细介绍了网格收敛性分析（如Richardson外推法）和模型不确定性分析（Model Uncertainty Quantification, MUQ）的方法，例如使用概率加权方法来评估湍流模型选择对最终设计参数（如阻力系数、升力分布）的影响。 第十二章：大规模并行计算与性能优化 探讨了将上述复杂算法高效地部署到数万核超级计算机上的策略。内容涵盖域分解技术（如重叠/非重叠划分）、并行I/O管理，以及如何优化数据结构以最大化CPU缓存命中率，实现最优的计算效率。讨论了面向GPU架构的算法重构，如利用CUDA/OpenCL进行大规模矩阵运算的加速。 --- 总结 《高级计算流体力学与多相流建模》不仅是一本方法论的汇编，更是一份面向未来工程挑战的蓝图。它要求读者具备扎实的微积分、微分方程和数值分析基础，并承诺将读者带入到当前前沿研究与高端工业设计所依赖的数值模拟的深层机制之中。本书的深度和广度，使其成为处理复杂流动问题的权威参考手册。

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