Numerical Grid Generation in Computational Fluid Dynamics and Related Fields pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:North-Holland

作者:A. S. Arcilla

出品人:

页数:0

译者:

出版时间:1991-06

价格:USD 230.00

装帧:Hardcover

isbn号码:9780444889485

丛书系列:

图书标签:

• 数值网格生成
• 计算流体力学
• CFD
• 网格划分
• 有限元
• 有限体积
• 数值方法
• 科学计算
• 工程仿真
• 网格质量

气动热力学与飞行器设计：数值模拟的深度探索 本书深入探讨了气动热力学与飞行器设计的核心领域，旨在为读者提供一套全面、系统的理论框架与实践方法。它聚焦于如何利用先进的数值模拟技术，解决复杂的气动问题，并最终指导飞行器的高效、安全设计。 第一部分：基础理论与物理模型 我们将从流体力学和传热学最基本、最核心的概念入手。首先，读者将回顾纳维-斯托克斯方程组的推导与意义，理解其在描述流体运动中的不可替代性。我们将详细讲解不同雷诺数、马赫数下流动的物理特性，包括层流、湍流、可压缩性效应、激波现象等。 在传热学方面，本书将重点阐述热传导、对流和辐射这三种基本传热机制。针对飞行器在高速飞行过程中面临的极端热环境，我们将深入分析空气动力加热的物理过程，包括粘性耗散、化学反应（如空气电离）、辐射换热等。为了准确模拟这些复杂现象，本书将介绍一系列先进的物理模型，例如： 湍流模型： 从早期的雷诺平均纳维-斯托克斯（RANS）模型（如$k-epsilon$、$k-omega$）到更精细的涡模拟（VLES）和直接数值模拟（DNS），我们将详细分析各种模型的适用性、优缺点以及在不同流动条件下的选择策略。 化学反应模型： 针对高温高超声速流动中发生的空气化学反应，我们将介绍不同复杂程度的化学动力学模型，包括平衡流、非平衡流以及详细化学反应模型，并讨论其对气动力和气动加热的影响。 辐射模型： 在高超声速飞行条件下，辐射换热成为影响热负荷的重要因素。本书将介绍气体辐射模型（如窄带、宽带模型）以及固体表面辐射的特性，并讨论它们如何耦合到流场求解中。 第二部分：数值方法与算法 理论模型的建立离不开强大的数值计算工具。本书将系统介绍求解纳维-斯托克斯方程组及相关耦合方程的数值方法。我们将从离散化技术开始，重点讲解： 有限差分法（FDM）： 详细介绍不同阶数的差分格式，以及处理边界条件和激波的处理技术（如Lax-Friedrichs、Roe、AUSM等）。 有限体积法（FVM）： 作为计算流体力学（CFD）中最常用的方法之一，我们将深入讲解其守恒性原理、通量计算方法以及在高分辨率网格上的应用。 有限元法（FEM）： 探讨其在处理复杂几何形状和边界条件时的优势，以及其在某些特定问题中的应用。 在求解策略上，本书将深入探讨： 时间离散化： 从显式到隐式方法，包括前向欧拉、后向欧拉、Crank-Nicolson等格式，分析其稳定性、精度以及计算效率。 空间离散化： 详细讲解各种迎风格式、中心格式、高精度格式（如WENO、MUSCL）在捕捉高梯度、激波等流动特征时的性能。 迭代求解器： 介绍雅可比法、高斯-赛德尔法、SOR法以及更为先进的代数多重网格（AMG）等求解线性方程组的方法，以及求解非线性方程组的Newton-Raphson方法。 耦合算法： 重点讲解如何实现流场、温度场以及化学反应场的耦合求解，特别是在高超声速条件下，流固热耦合的重要性。 第三部分：网格生成技术 高质量的计算网格是获得精确数值解的关键前提。本书将详细介绍各类网格生成技术，并分析它们在气动模拟中的优劣势。 结构化网格： 介绍代数网格生成方法，如映射法、拉伸法、复合网格等，以及在简单几何形状上的应用。 非结构化网格： 重点讲解基于点的插入（Delaunay三角剖分）、体素化等生成方法，以及在复杂几何形状（如具有复杂细节的飞行器外形）上的优势。 混合网格： 探讨如何结合结构化和非结构化网格的优点，构建高效的计算网格，特别是在处理边界层、激波等流动区域时。 自适应网格加密（AMG）： 介绍如何在计算过程中根据流场信息自动加密网格，以提高计算精度，尤其是在流动不均匀或存在激波的区域。 网格质量控制与优化： 讨论网格畸变、纵横比等质量参数对数值解精度的影响，以及各种网格优化技术。 第四部分：应用案例与工程实践 理论与方法最终要回归实际应用。本书将通过丰富的案例研究，展示数值模拟在飞行器设计中的实际作用。 跨音速与超音速气动设计： 模拟飞机机翼、尾翼在不同马赫数下的气动性能，预测升力、阻力、力矩，以及激波对流动的影响。 高超声速飞行器设计： 重点关注高超声速飞行器（如高超声速滑翔器、空天飞机）的热耦合问题，包括气动加热、结构热响应、推进系统集成等。 推进系统模拟： 模拟火箭发动机、冲压发动机等推进装置内部的燃烧流动，优化燃烧效率，预测推力性能。 气动声学： 分析飞行器产生的气动噪声，为降低噪声污染提供设计依据。 航天器再入大气层模拟： 评估航天器再入过程中承受的巨大气动力和热负荷，确保安全返回。 第五部分：高性能计算与未来展望 随着计算能力的飞速发展，高性能计算（HPC）在气动热力学与飞行器设计领域的作用愈发重要。本书将探讨： 并行计算技术： 介绍MPI、OpenMP等并行编程模型，以及在CFD求解中的应用。 GPU加速计算： 探讨利用图形处理器（GPU）进行大规模CFD计算的潜力与挑战。 先进CFD软件介绍： 简要介绍一些广泛使用的商业和开源CFD软件，并分析其特点。 人工智能与机器学习在CFD中的应用： 展望如何利用AI和ML加速网格生成、模型构建、结果后处理等环节，以及在湍流建模等前沿领域的潜力。 通过对以上各个部分的系统梳理和深入剖析，本书旨在帮助读者建立起扎实的理论基础，掌握先进的数值模拟技术，并能够将这些知识有效地应用于解决实际的飞行器设计问题。无论是从事相关研究的学者，还是致力于航空航天工程的工程师，本书都将是他们不可或缺的参考宝典。

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这本书带给我的最大影响，或许是它拓宽了我对“网格生成”这个概念的理解边界。过去我总认为，网格生成不过是根据几何形状划分离散点的过程。但读完此书后，我意识到这是一个涉及几何、拓扑、数值分析乃至优化理论的交叉学科。作者在探讨如何处理高纵横比网格、如何保证网格质量不随域形状复杂化而急剧下降时，所展现出的那种跨学科的洞察力，令人印象深刻。它不仅仅是一本技术手册，更像是一部关于如何“优雅地”解决计算几何难题的哲学思考录。那些关于网格适应性与物理量分布耦合的章节，更是让我开始重新审视自己在进行CFD模拟时，对网格设置的随意性，这种自我反思的价值，是任何一本浮于表面的工具书都无法提供的。

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从阅读体验的角度来看，这本书的行文风格非常具有个人特色，透露出一种老派学者的严谨与一丝不苟。作者似乎非常注重逻辑的连贯性，章节之间的过渡自然流畅，如同一个精心编排的交响乐章，层层递进，绝不拖泥带水。不过，也正因为这种高度的逻辑性和深度，对于那些期望快速获取“即插即用”工具的读者来说，可能需要付出更多的时间去消化。我记得有一次，为了理解其中一个关于网格光滑化的特定迭代步骤，我不得不返回去复习前面关于最小化网格畸变度的章节。这种需要反复咀嚼才能品出味道的文本，恰恰证明了它内在的价值密度。它要求你慢下来，去尊重知识的形成过程，而不是囫囵吞枣地追求进度条的向前。

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坦白说，我当初购买这本书是冲着它的“应用性”去的，毕竟在计算流体力学领域，理论推导固然重要，但如何将之高效地落地到实际工程问题中，才是衡量一本好书的关键。这本书在这方面做得相当出色，它没有停留在纯粹的数学公式堆砌，而是花了大量的篇幅去讨论，在实际工程约束下，例如处理复杂几何体、边界层解析等问题时，应该如何权衡和选择合适的网格生成策略。我特别欣赏作者在处理边界层网格自适应细化那几章中的论述，那种基于物理现象反馈来动态调整网格精度的思路，简直是醍醐灌顶。这不仅仅是教你如何画网格，更是在培养你用CFD工程师的眼光去看待问题——即理解网格质量如何直接影响最终解的准确性和收敛速度。对我个人而言，这本书极大地提升了我对数值模拟鲁棒性的理解。

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这本书的封面设计简洁有力，那种深邃的蓝色调很容易抓住人的眼球，给人一种专业且严谨的学术氛围。我记得我第一次翻开它的时候，就被它清晰的章节划分和精美的插图所吸引。那些关于网格划分的细节图，看得出来作者在排版和视觉呈现上下了很大的功夫。它不像有些教科书那样枯燥乏味，而是通过大量的实例和清晰的逻辑链条，引导读者逐步深入复杂的数值方法。对于初学者来说，它就像一位耐心的向导，虽然主题本身很有挑战性，但作者的讲解方式却让人感到平易近人。特别是它对不同类型网格生成算法的分类和对比，做得非常到位，这对于我构建自己的CFD项目模型时，提供了极大的参考价值。我甚至会时不时地翻阅其中的一些图表，它们总能在我思路卡住的时候，提供一个新的视角。

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这本书的深度，对于有一定背景知识的读者来说，无疑是一种享受。我个人是偏向于理论研究的，这本书在数学基础的铺陈上，展现了作者深厚的学术功底。它不仅仅罗列了现有的成熟算法，更深入地探讨了这些算法背后的数学原理和局限性。例如，对于一些非结构化网格生成中涉及到的拓扑优化和锐化处理，书中的推导非常严谨，涉及到偏微分方程的求解和迭代过程，都给出了详尽的数学依据，这使得读者在面对前沿研究论文时，能够更快地抓住其核心思想。我甚至发现，书中的一些小注脚里提到的参考文献，本身就是该领域的经典之作，这为我后续的深入阅读指明了方向。总而言之，这本书为我搭建了一个坚实的理论框架，使我对数值方法的理解不再停留在“会用”的层面，而是达到了“知其所以然”的高度。

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