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出版者:Springer

作者:Clive A. J. Fletcher

出品人:

页数:484

译者:

出版时间:1988-10-13

价格:GBP 42.00

装帧:Hardcover

isbn号码:9783540187592

丛书系列:

图书标签:

• 数值计算
• 经典
• CFD
• 计算流体力学
• 流体动力学
• 数值方法
• 有限差分法
• 有限体积法
• 有限元法
• 湍流模型
• CFD
• 传热学
• 计算物理

深入探索流体行为的精确表达与高效模拟 《流体动力学计算方法》是一本旨在为读者提供理解和掌握复杂流体现象的计算工具与理论基础的专业著作。本书并非对具体流体问题进行案例分析，而是聚焦于构建能够精确描述流体运动的数学模型，并阐述实现这些模型求解的高效数值算法。 全书的编写逻辑清晰，从最基础的流体动力学方程出发，逐步深入到各种先进的数值离散技术和求解策略。我们首先会回顾和梳理流体动力学的基本概念，包括连续性方程、动量方程（Navier-Stokes方程）、能量方程等，这些是所有后续计算方法的基础。作者将详细解析这些方程的物理意义，以及它们在不同流体流动场景下的适用性，例如不可压缩流、可压缩流、粘性流、无粘流等。 在建立好数学模型之后，本书将重点介绍将这些微分方程转化为计算机可执行的离散方程的各种技术。读者将接触到有限差分法（Finite Difference Method, FDM），学习如何将连续域内的导数用网格点上的函数值来近似。我们将深入探讨不同阶数的差分格式，分析它们的精度和稳定性。随后，书本会系统性地介绍有限体积法（Finite Volume Method, FVM），这种方法在处理守恒律方面表现出色，尤其适用于离散化动量和能量方程。读者将理解控制容积、通量计算等核心概念。此外，有限元法（Finite Element Method, FEM）也将被详细阐述，重点在于其基函数、单元划分以及如何构建和求解大型线性或非线性方程组。本书将辨析FDM、FVM和FEM各自的优缺点，以及它们在不同类型问题中的适用性。 为了有效求解离散化的代数方程组，特别是对于大型、非线性的问题，本书将深入探讨各种数值求解器。我们会从最基本的迭代方法开始，如高斯-赛德尔法（Gauss-Seidel）和雅可比法（Jacobi），并介绍它们的收敛性。在此基础上，本书将详细介绍更先进的迭代求解技术，包括预条件共轭梯度法（Preconditioned Conjugate Gradient, PCG）、广义最小残差法（Generalized Minimal Residual, GMRES）等，并会分析它们在处理不同矩阵特性（如对称性、正定性）时的效率。此外，直接求解法，如LU分解和Cholesky分解，也将得到讨论，重点是它们在小规模问题或作为迭代求解器预条件的应用。 本书还特别关注流体流动中的复杂现象，并介绍能够处理这些现象的特定数值技术。例如，对于包含激波、接触间断等强间断的流动，我们将探讨高分辨率重构方案（High-resolution Reconstruction Schemes），如MUSCL（Monotonic Upwind Splitting for Conservation Laws）方法、ENO（Essentially Non-Oscillatory）方法以及WENO（Weighted Essentially Non-Oscillatory）方法。这些方法能够在保证高阶精度的同时，有效抑制数值振荡。对于湍流流动，本书将介绍雷诺平均纳维-斯托克斯（Reynolds-Averaged Navier-Stokes, RANS）方程的数值求解方法，并概述各种湍流模型（如 Spalart-Allmaras、k-ε、k-ω 等）的原理及其在数值模拟中的应用。对于更精细的湍流模拟，如大涡模拟（Large Eddy Simulation, LES）和直接数值模拟（Direct Numerical Simulation, DNS），本书将提供必要的背景知识和相关的数值方法简介。 为了提高计算效率，本书还将探讨并行计算技术在流体动力学模拟中的应用。读者将了解如何将计算任务分解并分配到多个处理器上执行，从而加速大型模拟的进程。这包括域分解技术、并行通信策略以及常用的并行计算框架（如MPI）。 总而言之，《流体动力学计算方法》提供了一个全面而深入的视角，它不仅教授读者如何将流体动力学方程转化为数值模型，更重要的是，它武装了读者掌握实现高精度、高效率流体模拟所需的关键计算工具和算法。本书将帮助您理解从基本概念到前沿技术，为进行严谨的科学研究和工程应用奠定坚实的基础。

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坦白说，在拿到这本书之前，我对于如何将复杂的流体行为转化为精确的计算结果，一直感到一头雾水。但这本书彻底改变了我的认知。它仿佛是一本“葵花宝典”，将CFD的核心技术一一拆解，并以最清晰的方式呈现出来。从基础的离散化方法，到复杂的求解算法，书中每一个知识点都像是经过精心打磨的钻石，闪耀着智慧的光芒。我尤其对书中关于动量、能量和质量守恒方程离散化的讲解印象深刻，作者不仅详细推导了各种离散格式，还通过生动的图示和例子，帮助读者理解这些数学公式背后的物理意义。在讲解有限体积法时，作者特别强调了通量在控制体边界上的计算，以及这些通量如何保证守恒律的满足，这对于我理解CFD的物理基础至关重要。书中关于求解器类型的讨论，也让我对稳态求解和瞬态求解有了更深入的认识，以及如何根据问题选择合适的求解器。总而言之，这本书不仅是一本技术手册，更是一本能够激发思考、引导探索的启迪之作。

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这本书的封面设计就散发着一种沉静而又充满力量的气息，深蓝色的背景搭配银白色的字体，仿佛诉说着流体动力学那深邃而又迷人的本质。当我初次翻开它时，就被那扑面而来的学术严谨所震撼。作者并非简单地罗列公式和算法，而是以一种引导者的姿态，循序渐进地将读者带入计算流体动力学（CFD）的广阔世界。从最基础的离散化概念，到复杂的数值方法，每一个章节都像是一块精心雕琢的拼图，最终汇聚成一幅完整而精美的图景。书中对于有限差分法、有限体积法、有限元法的讲解尤为细致，不仅仅是理论的阐述，更有大量的实际算例和代码示例，让抽象的数学概念变得触手可及。我特别欣赏作者在解释每一种方法时，都深入剖析其背后的物理意义和数学原理，这使得我不仅学会了“怎么做”，更理解了“为什么这么做”。举个例子，在讲解 Navier-Stokes 方程的数值求解时，作者详细地阐述了压力-速度耦合问题，并介绍了 SIMPLE、PISO 等经典算法的演进过程，这对于理解 CFD 求解器的核心思想至关重要。而且，书中对各种数值方法的优缺点、适用范围以及在实际工程问题中的应用场景都进行了深入的探讨，这极大地拓展了我的视野，帮助我在面对具体问题时做出更明智的技术选择。读这本书的过程，与其说是学习，不如说是一次智力上的探险，每一次深入都让我对流体行为的理解更上一层楼。

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这本书为我打开了一扇全新的窗户，让我得以窥探计算流体动力学那深邃而迷人的世界。作者以其深厚的学识和精湛的文笔，将那些抽象的数学概念和复杂的数值算法，以一种极其清晰、直观的方式呈现出来。我尤其赞赏书中关于网格划分策略的讲解，它不仅仅是简单的网格生成，更是对网格质量、网格密度和网格结构对计算结果影响的深入分析。作者通过对不同网格类型（如结构化网格、非结构化网格）的比较，以及对局部网格加密技术（如自适应网格）的介绍，帮助我理解了如何根据流场的特点来优化网格，从而获得更精确、更可靠的计算结果。书中还详细阐述了各种数值方法的收敛性分析，以及如何诊断和解决收敛性问题，这对于确保CFD模拟的有效性至关重要。这本书的价值在于它提供了一个完整的CFD学习路径，从基础到进阶，层层递进，让读者能够系统地掌握CFD的核心技术。

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这本书的排版设计非常人性化，公式清晰，图表丰富，阅读起来非常舒适。作者在讲解过程中，始终保持着一种严谨而不失幽默的风格，使得枯燥的数学推导过程也变得生动有趣。我特别欣赏书中对物理量离散化处理的细致分析，例如如何将连续的偏微分方程转化为离散的代数方程组，以及各种离散化方法的精度和稳定性之间的权衡。书中对求解线性代数方程组的方法进行了详尽的介绍，包括直接法和迭代法，并分析了它们在CFD计算中的适用性。例如，作者详细讲解了高斯消元法、LU分解等直接法，以及雅可比迭代法、高斯-赛德尔迭代法、共轭梯度法等迭代法，并分析了它们在大规模方程组求解中的优缺点。书中还提到了预条件技术，以加速迭代法的收敛速度。这些内容对于我理解CFD求解器的性能瓶颈以及优化计算效率非常有帮助。

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这本书的叙事方式非常吸引人。作者并没有直接抛出复杂的公式，而是先从一些直观的物理现象入手，引导读者思考这些现象背后的数学原理。然后，再逐步引入计算方法，并解释这些方法是如何模拟这些物理现象的。我特别喜欢书中关于边界条件设置的章节，它详细阐述了壁面边界、入口边界、出口边界等不同类型边界条件的物理意义和数值处理方法，并给出了丰富的实际案例。这对于我在模拟实际工程问题时，正确设置边界条件起到了至关重要的作用。书中还对各种数值稳定性判据进行了深入的分析，例如CFL条件，以及如何通过调整网格密度和时间步长来满足这些判据，从而避免数值发散。我还发现书中关于湍流模型选择和应用的章节非常实用，作者对RANS模型、LES模型等进行了详细的介绍，并分析了它们在不同流场中的适用性。这本书的价值在于它不仅提供了技术手段，更重要的是它培养了我对CFD问题的深刻理解和分析能力。

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这本书的结构安排堪称典范。它从最基本的流体力学方程出发，逐步引导读者理解如何将这些方程转化为计算机可以理解的离散形式。作者在介绍每一种数值方法时，都会先阐述其核心思想，然后展示具体的推导过程，最后再讨论其优缺点和适用范围。这种循序渐进的方式，使得即便是对CFD完全陌生的读者，也能轻松地跟上学习的步伐。我尤其欣赏书中对数学概念的严谨性，但同时又能将这些概念与实际的工程应用紧密结合。比如，在讲解有限元方法时，作者不仅介绍了形函数、单元刚度矩阵等抽象概念，还通过具体的例子展示了如何构建和求解有限元方程组，并讨论了其在复杂几何形状模拟中的优势。书中对并行计算的介绍也是一个亮点，它让我了解了如何利用多核处理器和分布式计算来加速CFD模拟，这对于处理大规模、高精度的模拟任务至关重要。总而言之，这是一本集理论深度、实践指导和前沿技术于一体的优秀著作，强烈推荐给所有对CFD感兴趣的读者。

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我一直对计算流体动力学充满好奇，但许多相关的书籍要么过于理论化，要么过于工程导向，很难找到一本能够兼顾两者，并且深入浅出的作品。这本书无疑满足了我的需求。它并没有回避CFD中的复杂性，而是以一种非常清晰、有条理的方式，将这些复杂性一一剖析。书中的数学推导过程清晰明了，每一步都标注了关键点，即使是初学者也能跟随作者的思路进行理解。我尤其喜欢书中对网格生成技术的讨论，这是CFD流程中至关重要的一环，而这本书从结构化网格到非结构化网格，再到自适应网格，都进行了详尽的介绍，并附带了相关的算法原理。作者还特别强调了数值误差的分析和控制，这对于保证CFD结果的可靠性至关重要。他在书中提出的几种误差评估方法，对我日后的CFD项目评估起到了非常重要的指导作用。此外，书中还涉及了一些高级话题，如湍流模型、多相流模型等，虽然这些内容篇幅相对较少，但作者的介绍已经足以让我对这些复杂领域有一个初步的了解，并为我进一步深入学习打下了基础。我必须说，这本书的写作风格非常独特，它既有学术著作的严谨，又不失科普读物的趣味性，读起来一点也不枯燥乏味。

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在我过去参与的一些CFD项目中，我常常会遇到一些难以理解的数值现象，例如数值振荡、收敛困难等。我尝试了阅读大量的文献和论坛，但总是难以找到一个系统性的解释。直到我接触到这本书，我才恍然大悟。它非常细致地讲解了这些数值问题产生的原因，并提供了有效的解决方法。比如，在关于稳定性分析的部分，作者深入探讨了 CFL 条件、数值耗散以及人工粘性等概念，并展示了如何通过选择合适的数值格式和时间步长来避免这些问题。书中对于离散化误差的分析也是我受益匪浅的一部分，它让我明白了为什么相同的物理问题，使用不同的离散化方法，得到的结果会存在差异，以及如何通过网格细化和高阶格式来减小离散化误差。书中还提到了边界条件的处理，这是一个常常被忽视但又至关重要的环节，作者对此进行了详尽的阐述，包括不同类型边界条件的物理意义和数值实现方法。这本书真正做到了“授人以渔”，它不仅教我如何使用CFD工具，更让我理解了CFD工具背后的科学原理，这对于我独立解决复杂的流体问题起到了关键作用。

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这本书的价值不仅仅在于其丰富的技术内容，更在于其作者所传达出的那种对科学探索的热情和严谨态度。我在阅读过程中，时常能感受到作者在字里行间流露出的对流体动力学现象的好奇和钻研精神。书中对各种数值格式的比较分析，不是简单地罗列公式，而是深入探讨了它们在精度、稳定性和计算效率方面的权衡，以及在不同物理问题中的表现。例如，作者在讨论差分格式时，不仅介绍了中心差分、迎风差分等基本格式，还详细讲解了高阶精度格式，如龙格-库塔法和TVD格式，并分析了它们在抑制数值振荡方面的作用。书中还花了相当大的篇幅介绍耦合算法，如隐式求解与显式求解的区别，以及如何处理方程组的求解，这对于理解CFD求解器的内部工作机制非常有帮助。此外，书中还涉及了一些先进的CFD技术，如自适应网格加密、多尺度建模等，这些内容虽然复杂，但作者的讲解清晰易懂，让我对这些前沿领域有了初步的认识。

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在我学习CFD的过程中，一直有一个困扰我很久的问题：如何准确地捕捉流体中的瞬态现象，例如涡的形成和演化，以及边界层内的流动分离。这本书为我提供了极具价值的见解。它在瞬态模拟部分，详细介绍了各种时间推进格式，例如欧拉向前、向后和中心差分格式，以及更高级的龙格-库塔法，并分析了它们在精度和稳定性方面的权衡。书中还讨论了关于时间步长选择的准则，以及如何通过自适应时间步长来提高计算效率和精度。此外，作者对处理瞬态流中动量、能量和质量守恒的数值离散化方法进行了深入探讨，确保了计算结果的物理一致性。书中对湍流瞬态模拟的讨论，例如大涡模拟（LES）和直接数值模拟（DNS）的基本思想和实现方法，也让我对更复杂的流体现象有了初步的认识。这本书的实用性在于它不仅提供了理论知识，更重要的是它通过大量的算例和分析，帮助我理解如何在实际的CFD项目中应用这些技术来解决复杂问题。

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