Fluid Dynamics with a Computational Perspective pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:

作者:Durbin, Paul A./ Medic, Gorazd

出品人:

页数:362

译者:

出版时间:2007-9

价格:$ 152.55

装帧:

isbn号码:9780521850179

丛书系列:

图书标签:

• 流体力学
• 流体动力学
• 计算流体动力学
• CFD
• 数值方法
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• 科学计算
• 传热
• 流体力学
• 模拟

湍流的诗篇：一窥非线性世界的奥秘 本书将带领读者深入探索流体力学领域中一个既古老又充满挑战的课题——湍流。湍流，这一自然界中无处不在的现象，从血液在动脉中的流动到星系间的气体云运动，都展现出其复杂而迷人的特性。它远非简单的、有序的层流（Laminar Flow）所能概括，而是充满了随机性、不规则性以及强烈的非线性相互作用。 第一部分：基础的奠基与过渡 我们首先将回顾流体力学的基础，确保读者对 Navier-Stokes 方程有扎实的理解。这不是简单的公式罗列，而是通过物理意义的剖析，理解动量守恒和能量耗散在流体运动中的核心地位。我们将详细讨论雷诺数（Reynolds Number）的物理含义，特别是当它跨越临界值时，流体行为如何从平滑的层流急剧转变为混沌的湍流状态。 随后，我们将构建一个概念框架来理解湍流的本质特征：各向异性（Anisotropy）、尺度分离（Scale Separation）以及统计描述的必要性。湍流场是高度三维和非定常的，这意味着我们不能像处理定常流那样使用简单的几何分析。因此，本书将引入统计流体力学（Statistical Fluid Mechanics）的概念，作为我们描述和量化湍流的基石。 第二部分：湍流的统计描述与结构 本篇将深入探讨如何利用统计工具来解析复杂的湍流结构。我们将详细阐述脉动速度（Fluctuating Velocity）和平均速度的概念，并引入湍流强度、湍流粘度以及雷诺应力（Reynolds Stresses）等关键量。雷诺应力是描述湍流脉动动量输运的核心，理解它的物理来源和数学表示，是掌握湍流结构的第一步。 一个重要的概念是湍流的尺度结构。我们将引入涡旋理论（Vortex Dynamics），探讨涡旋如何形成、演化、相互作用并最终耗散能量。从大尺度的、依赖于外部条件的“大涡”（Large Eddies）到小尺度的、普遍适用的“粘性耗散区”（Viscous Dissipation Range），湍流的能量级串（Energy Cascade）——由 Kolmogorov 提出——将被作为核心理论进行深入讲解。我们将讨论 $k-epsilon$ 模型中的 $k$（湍流动能）和 $epsilon$（能量耗散率）是如何捕捉这种尺度间能量传递的。 第三部分：边界层内的湍流 湍流最引人注目的应用之一发生在边界层内。在固体表面附近的区域，粘性效应被放大，湍流的产生和发展对阻力、传热和物质交换产生决定性影响。 我们将细致地分析湍流边界层（Turbulent Boundary Layer）的结构，特别是其层状特征：粘性底层（Viscous Sublayer）、缓冲层（Buffer Layer）和湍流核心区（Turbulent Core）。这些区域的特征速度剖面和长度尺度完全不同，需要不同的物理模型来描述。本书将区分壁面剪切流（Wall-Shear Flows）的普适性规律，如对数律（Log Law），以及如何在不同的外部压力梯度下（如减速或加速）边界层如何演变，甚至可能发生分离（Separation）。 第四部分：进阶主题与建模挑战 随着对湍流认识的加深，我们将探讨更具挑战性的领域。大涡模拟（Large Eddy Simulation, LES）作为一种介于雷诺平均纳维-斯托克斯方程（RANS）和直接数值模拟（DNS）之间的有力工具，将被详细介绍。我们将讨论如何通过亚格子尺度模型（Subgrid-Scale, SGS Models）来近似解析那些小于计算网格尺度的涡旋运动，从而实现对复杂流动中瞬时结构的研究。 此外，本书还将涵盖高雷诺数流动的特殊性，例如在自由剪切流（Free Shear Flows）如射流（Jets）和尾流（Wakes）中的混合机制。我们将分析跨声速和超声速条件下，湍流与激波（Shock Waves）的相互作用所引发的复杂现象，如激波-湍流相互作用引起的剧烈热载荷和结构响应。 结语：未解之谜 尽管人类在湍流研究上取得了巨大进步，但 Navier-Stokes 方程的解析解仍然遥不可及。本书的最终目标是让读者不仅掌握现有的理论工具，更能认识到湍流建模中的固有挑战——如何从非线性的偏微分方程中，精确地预测出看似随机的宏观现象。我们将以对湍流作为一种普遍存在的、跨尺度的复杂系统进行哲学性的思考作为结尾，展望未来在混沌动力学和机器学习对流体建模影响的可能性。 本书内容旨在提供一个深入、详尽且注重物理图像的湍流学习体验，完全避开了对特定计算软件或编程方法的介绍。它是一本关于湍流物理、理论结构和分析方法的专著。

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这本书对我来说，是一次令人兴奋的知识发现之旅。作者以一种非常清晰且富有洞察力的方式，将流体动力学理论与计算实践紧密地联系在一起。他并没有回避计算方法中的技术细节，而是以一种循序渐进的方式，引导读者逐步掌握各种数值求解技术。我特别喜欢书中关于“求解非线性方程组”的讨论。流体动力学方程通常是非线性的，求解起来非常困难，但作者通过介绍各种迭代方法，以及如何进行预条件处理，让我能够有效地解决这些难题。书中关于“网格无关性研究”的讲解也让我印象深刻。作者强调了在进行数值模拟时，进行网格无关性验证的重要性，并给出了具体的评估方法。这让我能够确保我的计算结果是可靠的，而不是受到网格分辨率的影响。我尝试着将书中的一些算法集成到我自己的研究项目中，并且取得了非常好的效果，这充分证明了作者讲解的实用性和有效性。这本书不仅仅是一本关于流体动力学计算的指南，更是一本关于如何运用计算思维来解决复杂科学问题的启蒙读物，我强烈推荐给所有对流体动力学和计算科学感兴趣的人。

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我不得不说，《流体动力学：计算视角》是一本真正令人印象深刻的作品，它在学术性和实用性之间找到了完美的平衡。作者的写作风格既严谨又充满启发性，他善于将复杂的概念分解成易于理解的部分，并通过清晰的解释和精炼的数学推导来加深读者的理解。书中的计算方法部分尤为出色，它不仅仅是关于“如何做”，更是关于“为何这样做”。作者详细解释了各种数值方法的背后原理，以及它们在模拟流体行为时的优势和局限性。例如，在讨论守恒律的离散化时，作者花了相当的篇幅来介绍有限体积法的优越性，并通过对比有限差分法，清晰地说明了为何在处理流体问题时，有限体积法能够更好地保持物理量的守恒性。我特别喜欢书中关于边界条件处理的讨论，这在实际模拟中往往是难点，但作者通过多种案例，给出了非常实用和易于操作的指导。此外，本书还深入探讨了并行计算在流体动力学模拟中的应用，这对于处理大规模、高分辨率的计算至关重要。作者对 MPI 和 OpenMP 等并行编程技术的介绍，以及如何将其应用于流体方程组的求解，让我看到了未来高性能计算在流体领域发展的巨大潜力。总而言之，这本书为我提供了一个强大的工具箱，让我能够更深入地理解和解决各种流体动力学挑战。

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这本书，我只能用“惊艳”来形容。作者的洞察力非凡，他能够将流体动力学这个看似庞大而复杂的领域，通过计算的视角，变得如此清晰可见。从物理学的基本原理出发，逐步构建起流体运动的数学模型，然后巧妙地引入数值计算的方法来求解这些模型，整个过程一气呵成，逻辑严谨。我特别喜欢作者对于“物理保留”的强调，他通过各种例子展示了如何在数值模拟中忠实地反映流体的物理特性，例如能量守恒、质量守恒以及动量守恒等。这在很多“教科书式”的 CFD 书籍中是很难看到的，但对于真正理解和应用 CFD 至关重要。书中关于“误差分析”的部分，也让我受益匪浅。作者详细讲解了截断误差、离散化误差、收敛性以及稳定性等概念，并给出了具体的评估方法。这让我能够更批判性地看待计算结果，并从中识别出潜在的问题。我尝试着将书中的一些伪代码转化为实际的编程语言，并进行了调试，整个过程流畅且富有成效，这充分证明了作者的讲解质量。这本书不仅是流体动力学领域的知识宝库，更是计算思维和工程实践的绝佳范例，我强烈推荐给所有有志于此领域的学习者。

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《流体动力学：计算视角》是一本具有里程碑意义的书籍，它为流体动力学研究提供了一个全新的视角，即如何通过计算方法来理解和解决复杂问题。作者的叙述方式引人入胜，他将抽象的物理概念与具体的计算步骤巧妙地结合在一起。我特别欣赏他对“守恒律”在数值模拟中的体现的关注。他详细解释了为什么在求解流体动力学方程时，保持物理量的守恒性至关重要，并介绍了多种能够实现守恒性的数值方法。例如，在处理对流项时，作者介绍了迎风格式和中心差分格式的优缺点，并重点强调了有限体积法在保持守恒性方面的优势。书中关于“湍流建模”的章节也让我受益匪浅。作者不仅介绍了不同尺度的湍流模型，还深入探讨了它们的物理假设和适用范围。他通过实际案例，展示了如何根据问题的特点选择合适的湍流模型，并如何对其进行参数优化。这让我对如何进行有效的湍流模拟有了更清晰的认识。总而言之，这本书为我提供了一个强大的工具箱，让我能够更深入地理解流体动力学，并更有效地应用计算方法来解决实际问题。

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《流体动力学：计算视角》提供了一个独特而高效的学习路径，它将传统的流体动力学理论与现代计算方法有机地结合起来。作者在介绍数值方法时，并非生搬硬套，而是深入分析了每种方法的数学基础和物理意义，以及它们在实际应用中的优缺点。我尤其喜欢书中关于“离散化”的讲解，作者通过清晰的图示和推导，向我展示了如何将连续的微分方程转化为代数方程组，以及不同离散化方案（例如迎风格式、中心差分格式）对计算结果的影响。这让我对数值方法的“黑箱”有了更深刻的理解。书中关于“网格生成”的章节也让我印象深刻，作者不仅介绍了结构化网格和非结构化网格的特点，还详细讲解了如何根据几何形状和流动特性选择合适的网格划分策略。这对于提高计算精度和效率至关重要。此外，本书在“并行计算”方面的介绍也为我打开了新的视野，作者通过实际案例，展示了如何利用 MPI 等并行编程技术来加速大规模流体模拟的计算过程。这对于处理复杂的工程问题至关重要。总而言之，这本书是一部融合了理论深度和实践指导的杰作，它为我提供了一个强大的工具集，让我能够更自信地应对流体动力学领域的挑战。

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作为一名对计算流体力学（CFD）充满兴趣的学生，我一直寻找一本能够系统性地讲解流体动力学理论并结合计算方法的书籍，而《流体动力学：计算视角》正是我想象中的样子。作者在内容的组织上做得非常出色，他从流体的基本性质和控制方程开始，循序渐进地引入了各种数值求解方法。我尤其欣赏他对于 Navier-Stokes 方程的讲解，不仅给出了不同形式的方程，还详细分析了其物理意义和求解的难点。在数值方法方面，书中对有限差分、有限体积和有限元等主流方法的介绍都非常深入，并且都结合了实际的算法实现细节。我尝试着跟随书中的代码示例，在我的计算机上运行了一些简单的算例，结果非常令人满意，这极大地增强了我学习的信心。书中的案例研究也非常丰富，涵盖了从航空航天到生物医学等多个领域，这让我看到了流体动力学计算在不同学科中的广泛应用，也为我未来的研究方向提供了很多启发。作者对于湍流模型的选择和应用的讲解也十分到位，他不仅介绍了 RANS、LES 和 DNS 等不同尺度的模型，还讨论了它们各自的优缺点和适用范围。这本书的价值不仅仅在于传授知识，更在于培养读者独立思考和解决问题的能力。

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这本《流体动力学：计算视角》简直是一次令人振奋的知识探险，我仿佛置身于一个充满奇妙流体运动的世界，同时手中又握着一把解开这些奥秘的强大钥匙——计算。从一开始，作者就以一种引人入胜的方式，将抽象的流体行为转化为我们可以理解和模拟的数学语言。翻开书页，我便被那些精美的图示和清晰的推导所吸引，它们并非枯燥的公式堆砌，而是巧妙地将理论与实际应用紧密结合。书中的案例分析，从简单的层流流动到复杂的湍流现象，都通过计算模拟的视角进行了深入剖析，让我对这些曾经难以捉摸的物理过程有了全新的认识。特别是关于数值方法的介绍，它并非停留在理论层面，而是深入讲解了各种方法的优缺点、适用范围以及如何进行高效的实现。我惊讶于作者竟然能够将如此复杂的计算过程，用如此易于理解的方式呈现出来。那些关于离散化、稳定性、收敛性等概念的讲解，虽然技术性很强，但在作者的引导下，我感觉自己仿佛也掌握了这些强大的工具，能够自信地去分析和解决流体动力学问题。这本书不仅仅是关于流体动力学，更是一本关于如何运用计算思维来理解和解决复杂科学问题的指南。它为我打开了一扇通往计算科学和工程领域的大门，让我看到了理论知识在实际计算中的巨大潜力。我迫不及待地想将书中学到的知识应用到我自己的研究项目中，我相信这本书一定会成为我未来学习和工作中的宝贵财富。

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这本书的价值，在于它提供了一个“动手”的学习环境，让你不仅仅是阅读，更是去“体验”流体动力学的计算过程。作者的讲解非常细致，他将复杂的流体方程组，通过各种数值方法，一步步转化为计算机可以理解和执行的代码。我特别喜欢书中关于“求解器”的介绍，作者详细讲解了迭代求解方法，例如雅可比迭代法、高斯-赛德尔迭代法以及 SOR 方法，并分析了它们的收敛速度和适用范围。这让我对数值求解的内部机制有了更深刻的理解。书中还提供了许多关于“离散化误差控制”的策略，例如使用高阶精度的离散格式，或者采用自适应网格细化技术。这些技术对于提高计算的准确性至关重要，而作者的讲解清晰易懂，让我能够快速掌握。我尝试着将书中提供的算法移植到我熟悉的编程语言中，并进行了一些简单的测试，结果证明了作者讲解的有效性和实用性。这本书的价值还体现在它对“可视化”的重视，作者通过丰富的图示和动画，将抽象的计算结果形象地展示出来，这大大增强了我的学习兴趣和对流体现象的直观理解。

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我必须承认，自从我接触了《流体动力学：计算视角》这本书以来，我的整个学习方法和思维模式都发生了根本性的改变。作者并没有将流体动力学仅仅视为一套抽象的数学公式，而是将其视为一种可以被计算和模拟的物理现象。他以一种非常直观的方式，解释了流体运动的基本规律，并通过大量的计算案例，展示了这些规律如何在实际中得到体现。我特别欣赏作者在介绍数值方法时所采用的“问题导向”的策略，他总是先提出一个实际的流体动力学问题，然后引出解决这个问题的计算方法。这种方法让我在学习过程中始终保持着高度的参与感和解决问题的动力。书中关于“边界层理论”的讲解，以及如何通过数值方法来精确捕捉边界层的流动特性，让我耳目一新。作者不仅给出了理论上的解释，还提供了具体的计算技巧和代码示例，让我能够立即动手实践。此外，本书在“稳定性分析”方面的深入探讨，也让我对数值方法的可靠性有了更清晰的认识。我尝试着根据书中的指导，对一些数值方案进行稳定性分析，并从中学习到了如何避免不稳定的计算结果。这本书是一本真正的“思想引擎”，它不仅教授知识，更激发思考，让我对流体动力学和计算科学有了全新的认识。

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这本书的出现，无疑为流体动力学领域的研究者和学习者提供了一个极为宝贵的资源，我强烈推荐。作者在处理计算方法时，展现了惊人的深度和广度。他并没有仅仅罗列一些算法，而是深入探讨了每种方法的物理基础、数学原理以及在实际计算中可能遇到的挑战。从有限差分法到有限体积法，再到更高级的有限元法，书中都进行了详尽的阐述，并辅以大量的图表和代码示例，使得抽象的理论变得触手可及。我特别欣赏作者对于数值稳定性与精度的权衡的讨论，这在实际工程应用中至关重要，却常常被初学者忽视。书中通过生动的例子，清晰地展示了如何选择合适的数值格式，以及如何避免数值误差带来的误导性结果。此外，本书在湍流模型方面的介绍也相当出色，作者不仅解释了不同模型的物理假设，还讨论了它们在不同雷诺数范围下的适用性，并提供了相应的计算策略。这让我对理解和模拟复杂湍流现象有了更坚实的信心。这本书的结构也非常合理，从基础概念到高级应用，层层递进，逻辑清晰。即使是对流体动力学和数值计算都相对陌生的读者，也能在作者的引导下，逐步建立起完整的知识体系。我个人最喜欢的部分是关于网格生成和自适应网格细化的章节，这对于提高计算效率和精度至关重要，作者的讲解非常到位。

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