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出版者:清华大学

作者:温正//石良辰//任毅如

出品人:

页数:461

译者:

出版时间:2009-1

价格:49.80元

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isbn号码:9787302188858

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掌握流体动力学仿真：从理论到实践的深度解析 揭示看不见的能量流，洞察万物运动的本质。 本书并非一本简单的工具书，它是一次深入流体动力学（CFD）计算应用领域的探索之旅。我们旨在为您构建一个坚实的理论基础，并辅以详尽的应用案例，帮助您从根本上理解流体行为的规律，进而熟练运用先进的数值仿真技术，解决实际工程问题。流体，无处不在，从宏观的天体运动到微观的分子扩散，从庞大的航空航天器到精密的生物体内的血液流动，它们以千变万化的形态影响着我们的世界。理解和预测流体行为，是无数科学和工程领域突破的关键。 第一部分：流体动力学计算的基石——理论与方法 本部分将系统地梳理流体动力学计算的核心理论，为后续的应用打下坚实基础。我们不会仅仅罗列公式，而是深入剖析每一个概念的物理意义，以及它在数值计算中的转化过程。 流体力学基本原理回顾与深化： 连续性方程： 质量守恒是流体运动最基本的规律。我们将探讨其数学形式，以及在不同坐标系下的表达。理解其物理意义，能帮助我们辨别仿真结果的合理性。 动量方程（Navier-Stokes方程）： 这是流体动力学计算的灵魂。我们将详细解析动量方程的各项代表物理意义：惯性力、压力梯度力、粘性力、外力（如重力）等。重点在于理解这些力的相互作用如何驱动流体运动。我们将区分牛顿流体和非牛顿流体，并讨论粘性效应对流动的影响，例如边界层理论及其在数值计算中的体现。 能量方程： 对于涉及传热、相变等问题的流体流动，能量方程不可或缺。我们将讨论热传导、对流和辐射等传热机制，以及它们如何影响流体的温度分布和相态变化。 其他守恒方程： 根据具体问题，可能还需要考虑组分守恒方程（如化学反应、污染物扩散）、湍流模型方程等。我们将简要介绍它们的作用和应用场景。 数值离散方法：从连续方程到离散方程： 有限差分法（FDM）： 介绍基本概念，如泰勒展开，以及如何用差分近似代替偏导数。重点分析不同阶数的差分格式（向前、向后、中心差分）的精度和稳定性。 有限体积法（FVM）： 这是当前CFD软件中最常用的方法之一。我们将详细讲解控制体概念，以及如何对守恒方程在控制体内进行积分，得到离散的代数方程。深入理解通量计算、界面插值等关键步骤。 有限元法（FEM）： 介绍形函数、单元划分、弱形式等基本概念。分析其在复杂几何形状上的优势，以及与FVM的异同。 网格生成： 强调网格质量对仿真精度的决定性影响。介绍结构化网格和非结构化网格的特点，以及网格划分的策略，例如局部网格加密、边界层网格设置等。将讨论网格无关性验证的重要性。 求解算法与收敛性： 压力-速度耦合算法： 介绍SIMPLE、PISO等经典算法的原理，以及它们如何解决压力和速度场的耦合问题。理解迭代计算中的收敛判据和残差分析。 线性方程组求解器： 简要介绍直接法和迭代法（如Jacobi、Gauss-Seidel、SOR、共轭梯度法等），并讨论其在CFD中的适用性。 稳定性与精度： 讨论数值方法的局限性，例如截断误差、数值耗散、数值色散等。介绍CFL条件在时间推进中的作用。 湍流模型：模拟复杂流动现象： 湍流的本质与重要性： 解释湍流的无规则性、涡结构、能量级串等特点，以及其对工程应用的影响（混合、传热、阻力等）。 雷诺平均纳维-斯托克斯方程（RANS）： 介绍雷诺时均化的过程，以及湍流应力的引入。 常用RANS模型： 代数模型（如Baldwin-Lomax）： 适用于简单流动。 单方程模型（如Spalart-Allmaras）： 适用于边界层流动。 两方程模型（如k-ε模型、k-ω模型）： 重点讲解其基本方程、湍动能（k）和湍动能耗散率（ε）或比耗散率（ω）的物理意义，以及不同形式（标准、RNG、Realizable）的k-ε模型和k-ω模型（包括SST k-ω）的区别和适用范围。 混合RANS/LES模型： 简要介绍混合方法的概念，以及它们在应对不同尺度湍流时的优势。 大涡模拟（LES）与直接数值模拟（DNS）： 介绍这些更高级的湍流模拟方法，以及它们对计算资源的要求和适用场景。 第二部分：流体计算的应用实践——从模型到结果 本部分将带领读者将理论知识应用于实际工程问题。我们将重点关注如何构建仿真模型，设置仿真参数，进行仿真计算，并最终解读和评估仿真结果。 工程问题的CFD建模流程： 问题定义与目标确定： 清晰界定需要解决的工程问题，明确仿真目标（例如，评估压降、预测温度分布、分析气流组织效果等）。 几何建模： 介绍CAD软件在CFD中的应用，以及如何导入和处理几何模型。讲解如何简化复杂的几何形状，以降低计算成本。 网格生成策略： 结合具体的几何模型，讲解如何选择合适的网格类型（结构化/非结构化）、网格尺寸和密度，以及如何生成高质量的网格。强调边界层网格的重要性，以及在流动入口、出口、壁面等处的网格设置。 物理模型选择： 根据工程问题的特点，选择合适的流体模型（层流/湍流），选择合适的湍流模型，以及是否需要考虑传热、多相流、化学反应等。 边界条件设置： 这是仿真准确性的关键。详细讲解不同类型的边界条件，如速度入口、压力入口、质量流量入口、自由流边界、对称边界、壁面边界（无滑移/滑移/指定壁温/指定热流密度）、出口边界（压力出口/速度出口）等，以及如何根据实际情况进行设置。 材料属性定义： 介绍如何定义流体的密度、粘度、导热系数、比热容等物理属性，以及固体的属性。 求解器设置： 配置求解器参数，如时间步长（瞬态仿真）、收敛判据、迭代次数、精度要求等。 CFD仿真软件的通用操作流程（以通用软件框架为例）： 前处理（Pre-processing）： 几何建模、网格生成、物理模型定义、边界条件与初始条件设置。 求解（Solving）： 启动数值求解器，进行迭代计算，监控计算过程。 后处理（Post-processing）： 结果可视化（云图、矢量图、流线图、等值面图等），数据提取与分析（压降、流量、温度、力矩、效率等），以及误差分析。 经典CFD应用案例解析： 外部流场仿真： 汽车空气动力学： 分析车身表面的气流分布，预测风阻系数，评估下压力，优化车身设计。 航空器气动性能： 翼型绕流、机翼/机身组合流动，预测升力、阻力，分析失速特性。 建筑物绕流： 分析风荷载，研究通风效果，评估污染物扩散。 内部流场仿真： 管道流动： 计算压降，分析流速分布，模拟局部阻力。 换热器设计： 模拟流体在换热管内的流动与换热，优化传热效率。 风机/泵内部流道设计： 分析流体的加速、减速区域，预测效率和噪声。 HVAC系统： 室内空气流动组织，温度分布预测，新风引入效果评估，污染物扩散模拟。 电子设备散热： 仿真风扇散热、自然对流散热，优化散热方案。 多相流仿真（概念性介绍）： 液-气两相流： 喷雾、气泡流动、波浪模拟等。 固-液/固-气多相流： 颗粒输运、沉降、流化床等。 传热仿真： 自然对流与强制对流： 室内外温度场分析，设备散热。 辐射传热： 火灾模拟，高温设备周围温度场。 仿真结果的评估与验证： 网格独立性验证： 通过不同精度的网格进行仿真，分析关键结果参数的变化趋势，选择满足精度要求的网格。 物理模型敏感性分析： 评估不同物理模型（特别是湍流模型）对仿真结果的影响。 与实验数据的对比： 将仿真结果与实际实验数据进行对比，评估仿真的准确性。分析误差来源，并提出改进建议。 工程经验的融合： 强调CFD仿真是一个辅助工具，最终的工程判断还需要结合工程师的专业知识和经验。 第三部分：进阶议题与前沿展望 在本部分，我们将触及一些更高级的CFD话题，并展望其在未来发展中的潜力。 瞬态仿真与动态流动： 非定常流动的建模： 介绍瞬态仿真的必要性，例如周期性流动、流动分离、涡脱落等。 时间步长选择策略： 讨论瞬态仿真中时间步长的选择对精度和稳定性的影响。 燃烧与化学反应流： 化学反应动力学： 简要介绍化学反应模型，以及如何将其耦合到流体求解器中。 燃烧模型的应用： 火焰传播、锅炉燃烧、内燃机等。 多物理场耦合仿真： 流固耦合（FSI）： 介绍流体载荷对结构变形的影响，以及结构变形对流场的影响，例如桥梁风振、心脏瓣膜流动等。 电磁-流体耦合： 例如电磁搅拌、等离子体流动等。 高精度计算与高性能计算： GPU加速与并行计算： 介绍如何利用多核CPU和GPU提升计算效率。 高性能计算（HPC）在CFD中的作用： 解决大规模、高精度仿真需求。 数据驱动的CFD与人工智能： 机器学习在CFD中的应用： 例如湍流模型发展、代理模型构建、结果预测等。 数字孪生技术： 结合CFD与实际数据，构建动态仿真模型。 本书特色： 理论与实践的完美结合： 每一项理论都配以详尽的解释和应用说明，避免空泛的理论堆砌。 循序渐进的学习路径： 从基础理论到高级应用，清晰的学习脉络，适合不同层次的读者。 贴近工程实际的案例： 精选具有代表性的工程案例，帮助读者理解CFD在实际工作中的价值。 注重结果分析与评估： 强调如何解读仿真结果，如何验证仿真的准确性，培养科学严谨的工程思维。 无论您是初涉流体计算的学生，还是希望提升仿真能力的工程师，亦或是对流体世界充满好奇的研究者，本书都将是您宝贵的参考和学习伙伴。通过本书，您将能够更深入地理解流体的运动规律，更自信地运用CFD技术解决复杂的工程挑战，洞察那些肉眼不可见的能量流动，从而在您的领域内取得更大的突破。

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我对技术书籍的评价往往非常挑剔，尤其是涉及计算科学的题材，稍有不慎就会流于表面或陷入晦涩难懂的泥潭。幸运的是，这本教程成功地找到了一个完美的平衡点。它的语言风格兼具学术的严谨性与科普的易读性。作者在介绍复杂的控制方程时，采用了非常巧妙的比喻和类比，仿佛在和一位聪慧的学生对话，引导你一步步构建起对流体力学数值计算的整体认知框架。例如，在解释时间步长对收敛性的影响时，那种循序渐进的论述方式，让我这个在其他教材上屡屡受挫的读者豁然开朗。此外，书中的错误排查与调试章节，简直是救星般的存在。它没有回避计算中常见的陷阱，反而将其系统地罗列出来，并提供了行之有效的解决策略。这种坦诚和细致，体现了作者对读者学习路径的深刻理解和高度的责任感，使得学习过程中的挫败感大大降低。

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阅读这本书的过程，对我来说更像是一场酣畅淋漓的智力挑战。它并没有刻意降低难度来迎合初学者，而是以一种近乎挑战者的姿态，邀请有一定基础的读者一起攀登高峰。书中涉及的算法优化和高性能计算方面的讨论，显示出作者对前沿研究动态的敏锐把握。特别是关于并行计算效率的章节，不仅停留在理论介绍，还结合了具体的代码优化技巧和并行策略的取舍分析，这在很多同类书籍中是极其罕见的深度。我个人非常欣赏这种不满足于现状、力求突破的学术精神。读完后，我感觉自己的知识体系得到了极大的拓展，不再仅仅停留在“会用”的层面，而是开始思考“如何做得更好、更快”的深层问题。这本书绝对不是放在书架上装点门面的摆设，而是需要你投入时间、精力，并用笔记本去演算和思考的“实战手册”。

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从纯粹的教学设计角度来看，这本书的结构设计堪称典范。它似乎是为大学高年级或研究生课程量身定制的教材，它成功地将理论的深度、软件的应用与实际项目的需求无缝地编织在一起。每一章末尾设置的“拓展思考题”，往往需要读者综合运用前几章所学的多个知识点才能解答，这极大地培养了读者的独立分析和综合解决问题的能力。我特别喜欢它在引入新概念时所采用的“先现象后机理”的叙事手法，这种方式首先激起读者的好奇心和直观理解，随后再用严谨的数学工具来固化这种理解。这种“激发兴趣——建立直观认识——深化理论理解”的教学循环，使得知识的吸收率非常高。总而言之，这本书不仅是学习流体计算技术的优秀参考书，更是一本能激发读者对科学探索热情的、充满洞察力的优秀著作。

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作为一名在工程领域摸爬滚打了多年的资深工程师，我深知理论与实践之间那道难以逾越的鸿沟。然而，这本教材的出现，极大地弥补了这一缺憾。它不是那种高高在上、只谈理论的“空中楼阁”，而是脚踏实地，紧密结合实际工程问题的解决。书中对于软件操作流程的描述详尽到近乎苛刻的地步，每一个参数的设置、每一步网格划分的考量，都有清晰的解释和实际操作的截图辅助。我尝试着用书中的方法解决了一个困扰我许久的复杂流动模拟问题，结果令人惊喜，效率和准确性都得到了显著提升。更难得的是，作者没有满足于仅仅教会读者“如何操作软件”，而是深入探讨了不同数值方法在特定工况下的优缺点和适用性，这对于我们这些需要对模拟结果负责的专业人士来说，是至关重要的判断力来源。这本书无疑为我们提供了一把直插核心的“瑞士军刀”，是工具书与学术专著的完美结合体。

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这本书的排版设计简直是一场视觉盛宴，色彩的运用大胆又不失专业感，让人在长时间阅读中也能保持愉悦的心情。尤其是那些复杂的数学公式和物理原理的插图，绘制得清晰、直观，即便是初次接触这些概念的读者，也能迅速抓住核心要点。我特别欣赏作者在内容组织上的匠心独运，章节间的过渡流畅自然，逻辑层层递进，就像一位经验丰富的老师在引导我们逐步深入一个全新的领域。书中的案例分析部分，不仅提供了详尽的步骤说明，还对背后的理论基础做了深入浅出的剖析，让人在“知其然”的同时也“知其所以然”。这使得学习过程充满了探索的乐趣，而不是枯燥的机械记忆。随书附带的光盘或在线资源也是一个亮点，那些交互式的模拟和演示，极大地丰富了学习体验，让抽象的流体现象变得触手可及。这本书的装帧质量也十分考究，纸张手感厚实，印刷清晰，即便是经常翻阅和做笔记，也不会出现墨迹洇染或脱页的现象，完全称得上是一本值得珍藏的专业书籍。

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