Guidelines for Pc-Based Data Acquisition Systems for Hydraulic Engineering pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:

作者:Frizell, K. Warren/ Murthy, Prahlad/ Nakato, Tatsuaki (CON)

出品人:

页数:50

译者:

出版时间:

价格:109.00 元

装帧:

isbn号码:9780872629929

丛书系列:

图书标签:

• 水力工程
• 数据采集系统
• PC机
• 测量技术
• 自动化
• 传感器
• 数据处理
• 实验系统
• 仪器仪表
• 水文监测

计算流体力学在水利工程中的应用：理论、模型与实践 本书深入探讨了计算流体力学（CFD）在现代水利工程设计、分析与决策中的关键作用。随着计算能力的飞跃式发展以及CFD软件工具的日益成熟，CFD已成为解决复杂水力问题的强大而不可或缺的手段。本书旨在为水利工程师、科研人员以及相关领域学生提供一个全面而系统的CFD应用指南，从基础理论到高级应用，覆盖模型建立、网格划分、求解器选择、结果分析等全过程，并结合大量实际工程案例，展示CFD在提升水利工程效率、安全性和可持续性方面的巨大潜力。 第一部分：计算流体力学基础理论与发展 本部分首先回顾了流体力学的发展历程，并重点介绍CFD产生的时代背景和科学意义。随后，详细阐述了CFD的核心理论基础，包括： 流体力学基本方程组： 纳维-斯托克斯方程（Navier-Stokes Equations）的推导、含义及其在不同流态下的简化形式（如欧拉方程、伯努利方程等）。我们将深入解析这些方程所描述的流体运动的守恒律，包括质量守恒（连续性方程）、动量守恒（纳维-斯托克斯方程）和能量守恒。 湍流模型： 湍流是水利工程中最常见的流态，其复杂性对CFD模拟提出了巨大挑战。本书将系统介绍各类主流的湍流模型，包括： 雷诺平均纳维-斯托克斯（RANS）模型： 重点解析时均化方程的建立，以及零方程模型（如代数模型）、单方程模型（如Spalart-Allmaras模型）和双方程模型（如标准k-ε模型、RNG k-ε模型、Realizable k-ε模型、标准k-ω模型、SST k-ω模型）的原理、适用范围、优缺点以及在水利工程中的具体应用场景。 大涡模拟（LES）模型： 介绍LES的基本思想，即直接解析大尺度涡结构，而对小尺度涡进行亚格子模型（Subgrid-Scale Model）的建模。探讨LES在捕捉流动瞬态特性和高精度模拟中的优势。 直接数值模拟（DNS）： 解释DNS的定义，即直接求解纳维-斯托克斯方程而不使用任何模型，对所有尺度的涡都进行解析。阐述DNS在验证其他模型和研究基础湍流现象中的重要性，以及其对计算资源的极高要求。 数值离散方法： CFD的核心在于将连续的偏微分方程转化为离散的代数方程组进行求解。本书将详细介绍几种主要的数值离散方法： 有限差分法（Finite Difference Method, FDM）： 阐述其基本原理，适用于规则网格，以及在简单几何问题中的应用。 有限体积法（Finite Volume Method, FVM）： 重点介绍FVM在CFD领域的广泛应用，其守恒性特点，以及适用于非结构化网格的优势。 有限元法（Finite Element Method, FEM）： 介绍FEM的基本概念，其在处理复杂几何和边界条件方面的灵活性。 求解器技术： 介绍不同求解器的类型，包括压力-速度耦合算法（如SIMPLE系列算法）、隐式与显式求解方法，以及它们的特点和适用场景。 第二部分：CFD模型建立与前处理 本部分将指导工程师如何从实际工程问题出发，有效地建立CFD仿真模型。 几何建模： 详细介绍从CAD模型导入、几何清理、简化以及三维几何建模的各种技巧。重点讲解如何根据模拟需求对几何进行适当的简化，以减少计算量而不影响关键流动特性的准确性。 网格划分（Meshing）： 网格是CFD仿真的基础，其质量直接影响计算结果的精度和稳定性。本节将深入探讨： 网格类型： 结构网格、非结构网格（四面体、六面体、混合网格）的优缺点及适用性。 网格质量评估： 介绍网格正交性、纵横比、单元大小偏差等关键指标，以及如何进行网格质量检查和优化。 网格生成策略： 针对不同水利工程的几何特点，如河流、水库、渠道、管道、建筑物等，介绍相应的网格生成技术，包括局部网格加密、边界层网格的构建（以捕捉近壁面流动特性）、适应性网格等。 网格无关性研究： 强调进行网格无关性检验的重要性，以确保模拟结果不依赖于网格密度。 边界条件设定： 合理的边界条件是获得准确模拟结果的关键。本节将详细讲解在水利工程中常用的各类边界条件： 入口边界条件： 速度入口、流量入口、压力入口、自由液面等。 出口边界条件： 压力出口、出流边界、零梯度出口等。 壁面边界条件： 无滑移壁面、滑移壁面、光滑壁面、粗糙壁面等。 对称边界条件、周期性边界条件。 自由液面处理： 介绍VOF（Volume of Fluid）、Level Set等自由液面追踪方法，及其在模拟波浪、溢流、溃坝等现象中的应用。 第三部分：CFD求解与后处理 本部分聚焦于CFD仿真的求解过程以及对模拟结果的有效分析。 求解器配置与参数设置： 流体属性定义： 密度、粘度、表面张力等参数的设定。 求解器选择： 根据问题特点选择合适的求解器类型（瞬态/稳态、可压缩/不可压缩）。 收敛性标准： 解释残差、物理量监测等收敛判断依据，以及如何确保计算的收敛性。 时间步长选择（瞬态模拟）： C F L条件、自适应时间步等概念。 结果可视化与分析： 云图（Contour Plots）： 压力、速度、湍动能、涡量等标量和矢量场的可视化。 流线（Streamlines）与迹线（Pathlines）： 追踪流体质点的运动轨迹，直观展示流动形态。 矢量图（Vector Plots）： 展示速度场的方向和大小。 截面分析： 在关键位置提取剖面数据，分析流场分布。 数据提取与统计： 提取特定点的数值、线上的数值、面的平均值和积分量（如流量、力、力矩、能量损耗等）。 误差分析与验证： 将CFD模拟结果与实验数据、解析解或工程经验进行对比，评估模拟的准确性，并进行必要的修正。 CFD在水利工程中的典型应用案例 本部分将通过详实的案例研究，展示CFD在解决各类水利工程实际问题中的强大能力。 河流与河道工程： 河道冲刷与淤积预测： 模拟流速、床层剪切应力分布，预测冲刷和淤积区域，为河道整治、防洪减灾提供依据。 桥梁、涵洞等过水建筑物水力学分析： 模拟水流绕行产生的局部冲刷、壅水、回水等现象，优化建筑物设计。 水流与岸坡相互作用： 分析水流对堤防、边坡的侵蚀作用，为边坡防护工程提供设计参数。 洪水传播模拟： 结合地形数据，进行大范围洪水漫滩模拟，评估洪泛区范围和深度。 水库与大坝工程： 大坝泄洪洞、溢洪道水流模拟： 分析泄洪过程中的流速分布、压力变化、空化现象，优化泄洪建筑物设计，确保安全运行。 水库溃坝模拟： 模拟溃坝过程中的洪水演进，预测下游影响范围，为应急预案提供支持。 水库水体混合与分层模拟： 分析水库内部的水流混合情况，研究污染物扩散，优化取水口位置。 水力发电厂引水发电系统优化： 模拟水轮机进水流态，提高发电效率，减小能量损失。 海岸与海洋工程： 波浪与结构物相互作用： 模拟波浪对海上平台、防波堤、海堤的冲击力，分析结构稳定性。 潮流与泥沙输运模拟： 分析潮流作用下的泥沙运动，预测海岸侵蚀和港口淤积。 海洋工程结构物的流体动力学载荷分析。 供水与排水系统： 城市给排水管网水力学分析： 模拟复杂管网中的水流速度、压力分布，优化管网布局，解决水锤现象。 泵站与水处理构筑物设计： 模拟泵站流态，优化叶轮设计；分析沉砂池、曝气池等构筑物内的水流特性，提高处理效率。 地下水流模拟（与地表水耦合）： 介绍如何在CFD框架下或与其他地下水模型耦合，模拟地下水流动、污染物迁移等过程，与地表水文过程相结合，实现更全面的水系统模拟。 第四部分：CFD的高级应用与发展趋势 多相流模拟： 介绍气液、气固、液液、液固等复杂多相流在水利工程中的应用，如气液两相流在曝气过程中的应用，泥沙颗粒在水流中的输运模拟。 耦合模拟： 探讨CFD与其他学科模型（如结构动力学、热传递、电化学等）的耦合，实现更全面的工程分析。例如，CFD与结构有限元方法的耦合，分析水流对水工结构的作用力及其变形。 开源CFD软件的应用： 介绍OpenFOAM等开源CFD软件在水利工程中的应用潜力，其灵活性和可扩展性。 人工智能（AI）与机器学习（ML）在CFD中的融合： 探讨AI/ML如何辅助CFD进行模型降阶、参数优化、数据驱动的预测以及加速计算过程。 高性能计算（HPC）在CFD中的应用： 介绍并行计算、GPU加速等技术如何突破CFD计算瓶颈，实现更精细、更大规模的模拟。 本书力求理论与实践相结合，不仅提供必要的理论支撑，更注重实际操作指导。通过本书的学习，读者将能够熟练掌握CFD技术，并将其有效应用于解决各种水利工程中的复杂挑战，从而提升工程设计水平、优化工程运行管理、保障水资源的可持续利用。

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