The Finite Element Method for Fluid Dynamics, Sixth Edition pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:Butterworth-Heinemann

作者:Olek C Zienkiewicz

出品人:

页数:400

译者:

出版时间:2005-12-22

价格:USD 132.00

装帧:Hardcover

isbn号码:9780750663229

丛书系列:The Finite Element Method

图书标签:

• 有限元
• 流体力学
• FEM
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• 工程数学
• 流体动力学
• 热流体
• 传热学
• 结构力学

湍流：从基础到前沿应用 作者：[此处填写作者姓名] 出版社：[此处填写出版社名称] 出版年份：[此处填写出版年份] --- 内容简介 本书旨在为研究生、高级本科生以及致力于流体力学研究的工程师和科研人员提供一套全面、深入且与时俱进的湍流理论与计算方法论述。我们认识到，尽管数值模拟技术取得了显著进步，但湍流现象的内在复杂性仍然是现代科学界面临的核心挑战之一。因此，本书的核心目标在于构建坚实的理论基础，并清晰阐述当前最前沿的模拟策略，特别关注那些未在《The Finite Element Method for Fluid Dynamics, Sixth Edition》中深入探讨的特定湍流课题。 本书的叙事逻辑从流体力学的基本原理出发，逐步过渡到湍流的统计描述，随后深入探讨雷诺平均纳维-斯托克斯（RANS）模型、大涡模拟（LES）以及直接数值模拟（DNS）的最新进展及其在特定工程问题中的适用性。我们力求平衡理论的严谨性与应用的实用性。 第一部分：湍流的本质与统计描述 湍流，作为一种具有高度不确定性、多尺度耦合和非线性特征的复杂流动状态，其研究方法与层流存在显著差异。本部分将重点阐述描述湍流所需的新数学工具和物理洞察。 第一章：湍流的特征与历史回顾 本章首先界定湍流的几个关键特征：随机性、三维性、粘性耗散以及广泛的频率和长度尺度。我们将回顾湍流研究的经典里程碑，从雷诺的圆管实验到卡门的涡街理论。重点分析湍流脉动与平均流场的相互作用机制。我们将详细讨论普朗特长度尺度、时间尺度与能量级串（Kolmogorov 惯性子区）的概念，这些概念对于理解湍流能量的有效传递至关重要，并且往往是RANS模型校准的关键参数。 第二章：纳维-斯托克斯方程的湍流分解与雷诺应力 本章深入探讨如何将纳维-斯托克斯方程进行时间平均或空间平均，导出雷诺平均纳维-斯托克斯（RANS）方程。关键在于对未知雷诺应力项 $(overline{u'_i u'_j})$ 的处理。我们将详细分析雷诺应力张量的物理意义，特别是其对动量输运的影响。本章将明确区分湍流的动量扩散与分子粘性扩散的差异。我们还将引入湍流各向异性判据，为后续模型选择提供理论依据。 第三章：湍流的谱理论与尺度相互作用 相对于时间平均，谱空间分析提供了另一种理解湍流的有效途径。本章将介绍湍流的能量谱密度函数（如 $ ext{E}(k)$），并详细阐述科尔莫戈洛夫的 K41 理论在惯性子区中的应用。我们将讨论二阶和高阶矩的统计特性，如偏度（skewness）和峰度（flatness），这些是区分不同湍流区域的关键统计量。此外，我们还会引入涡旋动力学的概念，探讨大尺度涡旋如何将能量注入到小尺度涡旋中，强调能量级串的物理机制。 第二部分：湍流模型构建与计算策略 在建立了理论基础后，本部分将聚焦于如何通过数学模型来封闭RANS方程，以及在更精细的模拟方法（LES, DES）中如何处理亚网格尺度（SGS）的效应。 第四章：经典与现代 RANS 模型 本章是本书的核心部分之一，专门探讨如何构造封闭雷诺应力项的代数或偏微分方程模型。我们将系统地回顾和比较以下模型族： 1. 零方程模型 (Zero-Equation Models)： 如代数湍流模型，及其在简单几何中的局限性。 2. 一阶模型 (One-Equation Models)： 重点分析$k-epsilon$ 模型的优势、缺陷（如对逆压力梯度的敏感性）以及其改进版本（如$k-omega$模型）。 3. 二阶矩模型 (Two-Equation Models)： 深入探讨$k-omega$ 模型及其在近壁区域的处理能力。我们还将详细分析湍流粘性系数的各向异性处理方法，以及如何修正模型以更好地捕捉应力梯度输运效应。 本章还将讨论模型在处理流分离、再附着和强烈曲率效应时的特定挑战，特别是对于具有强流线弯曲的流动。 第五章：大涡模拟（LES）的理论基础与亚网格建模 当RANS模型不足以捕捉瞬态或非定常的湍流结构时，LES成为必要的工具。本章将详细解析LES的基本思想：过滤大尺度运动，并对被过滤掉的亚网格尺度（SGS）运动进行建模。 我们将详细推导SGS应力项，并系统介绍当前主流的SGS模型： Smagorinsky模型及其修正： 讨论其对粘性耗散的处理。 动态Smagorinsky模型： 强调其自适应性，即模型系数的计算依赖于流动本身的特征，而非经验常数。 Wale- বেগ尔模型： 分析其在处理壁面附近流动的优势与限制。 本章特别强调LES在燃烧、噪声生成和污染物输运等瞬态物理过程中的应用潜力，并讨论如何结合壁面函数处理边界层区域。 第六章：混合模型与混合 RANS/LES 方法 鉴于DNS计算成本过高，而纯粹的LES在处理壁面边界层时计算效率低下，混合模型应运而生。本章将聚焦于： 混合 RANS/LES（DES/IDDES）： 详细阐述分离涡模拟（DES）如何通过引入“混合长度”概念，在壁面附近自动切换到RANS模式，而在自由剪切层采用LES模拟。我们将分析IDDES（Improved Delayed Detached Eddy Simulation）如何解决标准DES中出现的“模型误用”问题，尤其是在低网格分辨率区域。 应用考量： 讨论选择混合模型时，网格划分策略（特别是边界层网格）对模拟结果准确性的决定性影响。 第三部分：特定应用中的高级湍流现象 本书的最后部分将深入探讨一些在传统教学中较少深入的、但对现代工程至关重要的特定湍流问题。 第七章：湍流边界层中的转捩（Transition）建模 湍流的起始——转捩过程——是高度依赖初始扰动和表面条件的复杂非线性过程。本章将探讨超越标准RANS模型来预测转捩的策略： 1. $ ext{Gamma}- ext{Theta}$ 模型： 讨论基于输入量（如局部层流长度、湍流长度）来预测局部转捩位置的方法。 2. 引入扰动方程： 介绍如何利用可压缩稳定性分析（Linear Stability Theory, LST）和伪谱方法来追踪不稳定波的增长，从而识别转捩区域。 第八章：可压缩湍流与高马赫数效应 对于高马赫数流动，密度脉动和声波效应变得不可忽略。本章将重点分析： 密度波动对湍流结构的影响： 讨论激波-湍流相互作用（Shock-Turbulence Interaction, STI）的物理机制，如激波的调制和对湍流脉动的压缩加热效应。 方程的修正： 如何修改标准的能量方程和状态方程来准确捕捉可压缩流中的热力学效应。 高精度格式的应用： 介绍在高马赫数LES/DNS中对激波俘获至关重要的有限体积法的高阶格式（如WENO格式）。 第九章：多相湍流与颗粒输运 许多工业过程涉及流体与固体颗粒的相互作用（如流化床、燃烧室喷雾）。本章将阐述如何将湍流模型与颗粒输运方程耦合： 欧拉-欧拉（Euler-Euler）方法： 描述如何使用RANS或LES来模拟连续相，并利用集中式方程描述分散相的平均运动。 欧拉-拉格朗日（Euler-Lagrange）方法： 详细讨论如何使用拉格朗日轨迹跟踪法来追踪单个颗粒，并解释湍流升力、压力梯度力和虚拟质量力在颗粒轨迹预测中的作用。 颗粒对湍流的反作用： 讨论高体积分数下，颗粒如何通过能量吸收来衰减湍流，以及如何修改连续相的湍流模型以反映这种耗散效应。 --- 本书的结构设计，从基础的统计描述到前沿的混合模拟技术，再到特定物理现象的深入剖析，旨在为读者提供一个清晰的、面向未来的湍流计算框架。它补充了基于有限元方法（FEM）的稳态流体动力学分析中常被视为次要的、高度瞬态和非线性的湍流核心议题。

评分☆☆☆☆☆

读此书，需要一定的CFD和FEM功底。此书主要介绍FEM求解CFD的若干发展。如果有初学者想只通过此书一步一步学习编程求解CFD，基本不可能。所以，需要参考其它的书籍，了解基本的步骤，然后再来看此书。 我最先收集的FEM-CFD书籍，就是这本。冲着监凯维奇的名字，还有第6版的印刷...

评分☆☆☆☆☆

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这本书的装帧设计真是令人印象深刻，书脊的触感、封面的材质，甚至到纸张的厚度和光泽度，都透露着一种专业和沉稳的气息。打开书页，那清晰的排版和恰到好处的字体大小，立刻就给人一种阅读的愉悦感。我特别喜欢它在关键公式和概念旁边标注的简洁注释，这一点对于像我这样在学习过程中需要反复查阅和理解细节的读者来说，简直是福音。而且，我注意到书中使用的插图和图表，都非常精美且具有信息量，不仅仅是简单的示意图，而是经过精心设计的，能够直观地展示复杂的物理现象和数值方法的原理。比如，在介绍流体动力学的一些基本守恒定律时，那些流线图和涡量分布的图示，简直是神来之笔，能够瞬间帮助我把握住抽象的概念。我还在想，如果书中能加入一些案例研究，比如在航空航天、生物医学工程等领域的实际应用，那就更好了，这能帮助我们更好地理解这些理论知识如何在现实世界中发挥作用，而不仅仅停留在书本的公式推导上。我也希望作者能在后续的版本中，考虑加入一些与现代计算工具和软件相关的介绍，比如如何使用ANSYS Fluent、COMSOL Multiphysics等软件来实现书中的有限元方法，这样理论与实践的结合会更加紧密，对我们这些希望将理论知识转化为实际技能的读者来说，价值会大大提升。这本书作为一本教材，其严谨性和系统性毋庸置疑，但如果能在这方面进行一些拓展，相信它的吸引力会进一步增强，能够吸引更广泛的读者群体。

评分☆☆☆☆☆

这本书在理论深度和广度上都达到了一个很高的水准，涵盖了有限元方法在流体动力学领域的几乎所有重要方面。从基本的势流理论到复杂的湍流模型，再到各种边界条件和数值技巧，作者都进行了系统性的梳理和介绍。我尤其赞赏作者在处理非线性问题时的讲解，他并没有回避其中的数学难度，而是通过清晰的推导和必要的近似，一步步引导读者理解求解非线性方程组的方法。我还在想，如果书中能在某些算法的介绍中，增加一些关于其计算复杂度和效率的对比分析，那就更好了。比如，对于某些求解非线性方程组的迭代方法，如果能提供它们在不同网格密度和问题规模下的计算时间、内存占用等方面的比较数据，将有助于我们更好地权衡各种方法的优劣。我也期待作者能在书中增加一些关于耦合问题的讨论，例如流固耦合、流热耦合等，这些在实际工程中非常常见，了解如何使用有限元方法处理这些耦合问题，将极大地扩展我们解决工程难题的能力。

评分☆☆☆☆☆

这本书在内容的编排上，充分考虑到了读者的学习曲线，从基础概念到高级应用，循序渐进，逻辑严密。每一个章节都像是为下一章打下坚实的基础，让我能够在一个坚实的地基上，逐步构建起对有限元方法的全面认识。我尤其欣赏作者在讲解“网格生成”和“网格质量”部分时的细致程度。他不仅仅列举了常见的网格生成技术，还深入分析了不同网格质量对数值解精度的影响，以及如何通过网格优化来提高计算效率。我还在思考，如果书中能增加一些关于自适应网格技术的详细介绍，比如其基本原理、实现方法以及在流体动力学问题中的应用案例，那就更完美了。毕竟，在处理复杂几何形状和高度非线性的流动问题时，自适应网格技术是提升计算精度和效率的关键。我也希望在未来的版本中，作者能够考虑增加一些关于并行计算和高性能计算在有限元方法中的应用的讨论，这对于解决大规模流体动力学问题至关重要。

评分☆☆☆☆☆

这本书的语言风格非常引人入胜，与其说是枯燥的学术著作，不如说更像是一位经验丰富的导师在娓娓道来。作者在解释那些稍显复杂的概念时，总能用非常形象的比喻和清晰的逻辑，将深奥的数学原理拆解得易于理解。我尤其欣赏他在引入有限元方法的基本思想时，那种循序渐进的讲解方式，从离散化到插值函数，再到弱形式的建立，每一步都衔接得天衣无缝，仿佛在引导读者一步步走向真理的殿堂。我记得在读到关于边界条件处理的部分时，作者并没有简单地给出公式，而是通过一系列的物理场景分析，解释了不同类型边界条件在有限元模型中是如何被精确地体现出来的，这种“知其然，更知其所以然”的讲解方式，让我受益匪浅。然而，我也有一个小小的不成熟的建议：书中对于一些高级话题，例如自适应网格技术、并行计算在有限元求解中的应用等，虽然有所提及，但篇幅似乎略显简略。如果能在这部分内容上有所充实，增加一些更具体的算法介绍和相关的伪代码，那就更加完美了。毕竟，在当今快速发展的计算流体动力学领域，这些高级技术是提升计算效率和精度的关键。我希望能在这本书的未来版本中，看到更多关于这些前沿内容的深入探讨，这将有助于读者跟上时代的步伐，更好地应对实际工程中的挑战。

评分☆☆☆☆☆

这本书的语言风格在严谨的学术表达中，又不失一定的可读性。作者善于运用类比和举例，将一些看似复杂的数学公式和算法，解释得更加生动和易于理解。我记得在阅读关于“离散化误差”的部分时，作者用了一个非常贴切的类比，将连续的物理量比作一条光滑的曲线，而离散化的节点则像是用直线段来逼近这条曲线，形象地说明了为什么会出现误差。这种讲解方式，极大地降低了学习门槛，让我能够更快地进入到有限元方法的学习状态。我也有一个小小的建议：在某些章节的开头，如果能简要地回顾一下前置知识，或者为新引入的概念提供一个更宏观的背景介绍，那将有助于读者更好地衔接上下文，形成完整的知识体系。同时，我也希望书中在介绍一些计算过程时，能提供更具体的步骤分解，尤其是对于那些涉及多重积分和矩阵运算的部分，如果能给出更详细的计算流程，将有助于读者理解每一步的意义，而不是仅仅看到最终的公式。

评分☆☆☆☆☆

这本书的数学推导过程严谨而详尽，几乎没有跳跃性的步骤，这对于我这样数学基础并非顶尖的读者来说，是极大的福音。每一条公式的推导都清晰地展示了其背后的逻辑和假设，让我能够追溯到每一个细节，而不是囫囵吞枣地接受结论。特别是在讲解如何从守恒方程推导出变分形式，以及如何在此基础上构建有限元方程组时，作者的讲解可谓是细致入微。我记得在看到关于“形函数”的介绍时，作者并没有仅仅给出几个常用的例子，而是深入分析了形函数选择的原则和对计算精度的影响，这让我对有限元方法的数值稳定性有了更深刻的认识。不过，在阅读过程中，我偶尔会觉得书中在某些章节的处理方式可以更加灵活一些。例如，在介绍某些复杂的数值算法时，如果能提供一些不同求解器（比如直接求解器和迭代求解器）的优缺点分析，以及它们在不同问题场景下的适用性，将会更有助于读者根据实际需求做出选择。此外，我也希望书中能增加一些关于误差分析和收敛性判定的更详细的讲解，这对于理解数值解的可靠性至关重要。虽然书中已经包含了一些基本概念，但如果能提供更具体的案例，展示如何通过误差分析来评估和改进模型的精度，那将非常有价值。

评分☆☆☆☆☆

这本书的案例分析部分，虽然点到即止，但却极富启发性。我尤其喜欢那些围绕实际工程问题展开的讨论，它们让我看到了有限元方法在解决真实世界挑战中的强大能力。例如，在介绍如何处理自由表面流问题时，书中提到的一些简化技巧和数值稳定性的考量，虽然没有给出详细的编程实现，但已经足够让我对整个问题的求解思路有一个清晰的认识。我还在思考，如果书中能将每一个案例都做得更深入一些，比如提供实际问题的数学模型、有限元模型的构建过程、关键参数的设置，甚至是仿真结果的讨论和验证，那将大大提升本书的实用价值。想象一下，如果书中能针对某一个特定的工程问题，比如飞机机翼上的气流模拟，或者水坝的结构稳定性分析，提供一个完整的有限元求解流程，从前处理到后处理，都附带代码示例或者详细步骤说明，那对我们这些希望将理论付诸实践的学习者来说，将是无价之宝。我希望在未来的版本中，作者能够考虑加入更多这样“接地气”的案例，让这本书不仅仅是一本理论参考书，更是一本操作指南。

评分☆☆☆☆☆

这本书的章节组织结构非常清晰，逻辑性强，让人能够循序渐进地掌握有限元方法的精髓。每个章节的开头都清晰地界定了本章的学习目标，结尾则通常会有一些思考题或者习题，用于巩固所学内容。我特别喜欢作者在引入新的概念时，总是会先给出其物理背景和必要性，然后再深入到数学推导。例如，在介绍“形函数”时，作者首先解释了为什么我们需要用插值函数来逼近真实的物理场，以及不同的形函数选择会对结果产生怎样的影响，这种方式让我更容易理解抽象的数学工具背后的物理意义。我也有一个建议：在一些章节的习题设置上，如果能有一些更具挑战性的、需要综合运用多个章节知识的综合性题目，那就更好了。这样的题目不仅能检验我们对单个知识点的掌握程度，更能培养我们解决复杂问题的能力。同时，我也希望书中能在某些章节的结尾，增加一些“拓展阅读”的推荐，列出一些相关的学术论文或者更深入的专著，引导我们进一步探索感兴趣的领域。

评分☆☆☆☆☆

这本书的图表质量极高，清晰、直观且信息量丰富，极大地辅助了对抽象概念的理解。我尤其欣赏书中那些能够动态展示流场变化的插图，它们仿佛将书页变成了流动的画布，让我能够直观地感受到各种物理现象的演变。例如，在介绍激波的形成和传播时，书中那些精美的可视化图，能够让我瞬间理解激波的本质和影响范围。我还在思考，如果书中能为一些关键的图表提供更详细的文字说明，或者在图表旁边标注出其对应的数学公式和物理意义，那将更加完善。有时候，虽然图表本身很美观，但缺乏足够的文字解释，可能会让读者在解读时产生一些困惑。我也希望在未来版本中，作者能考虑增加一些交互式的图表，虽然这在纸质书籍中实现有难度，但如果能以电子版的形式提供，那就太棒了。比如，允许读者通过鼠标拖拽来改变某些参数，从而直观地观察流场的变化，这将极大地提升学习的趣味性和效率。

评分☆☆☆☆☆

这本书的参考文献列表非常详尽，为读者提供了进一步深入研究的宝贵资源。我注意到作者引用了许多经典的文献，也包括一些近期的研究成果，这说明他在撰写本书时做了大量的文献调研，并力求内容的时效性。我经常会根据参考文献的指引，去查找相关的原始论文，这不仅加深了我对书中内容的理解，也让我有机会接触到更多前沿的研究思想。我还在想，如果书中能在某些关键的技术点或者算法背后，稍微提及一下其发展历程和主要贡献者，那将是一件非常有趣的事情。比如，当介绍某种特殊的有限元格式时，如果能简单说明一下它是如何被提出、解决了什么问题、有哪些主要的改进，这将有助于我们更全面地认识这些技术。我也希望在未来的版本中，作者能在书中增加一些关于不同有限元软件实现方式的比较，或者至少提供一些关于开源有限元框架（如FEniCS,deal.II等）的介绍，这将有助于读者在理论学习之余，能够更方便地进行编程实践。

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附有Fortran程序

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