具体描述
《计算流体动力学导论:有限体积法(第2版)(英文版)》内容简介:We were pleasantly surprised by the ready acceptance of the first edition of our book by the CFD community and by the amount of positive feedback received over a period of 10 years. To us this has provided justification of our original plan, which was to provide an accessible introduction to this fast-growing topic to support teaching at senior undergraduate level, post- graduate research and new industrial users of commercial CFD codes. Our second edition seeks to enhance and update. The structure and didactic approach of the first edition have been retained without change, but aug- mented by a selection of the most important developments in CFD.
作者简介
H K Versteeg and W Malalasekera are both senior lecturers in Thermo-Fluids, at Loughborough University
目录信息
Acknowledgements
1 Introduction
1.1 What is CFD?
1.2 How does a CFD code work?
1.3 Problem solving with CFD
1.4 Scope of this book
2 Conservation laws of fluid motion and boundary conditions
2.1 Governing equations of fluid flow and heat transfer
2.2 Equations of state
2.3 Navier-Stokes equations for a Newtonian fluid
2.4 Conservative form of the governing equations of fluid flow
2.5 Differential and integral forms of the general transport equations
2.6 Classification of physical behaviours
2.7 The role of characteristics in hyperbolic equations
2.8 Classification method for simple PDEs
2.9 Classification of fluid flow equations
2.10 Auxiliary conditions for viscous fluid flow equations
2.11 Problems in transonic and supersonic compressible flows
2.12 Summary
3 Turbulence and its modelling
3.1 What is turbulence?
3.2 Transition from laminar to turbulent }low
3.3 Descriptors of turbulent flow
3.4 Characteristics of simple turbulent flows
3.5 The effect of turbulent fluctuations on properties of the mean flow
3.6 Turbulent flow calculations
3.7 Reynolds-averaged Navier-Stokes equations and classical turbulence models
3.8 Large eddy simulation
3.9 Direct numerical simulation
3.10 Summary
4 The finite volume method for diffusion problems
4.1 Introduction
4.2 Finite volume method for one-dimensional steady state diffusion
4.3 Worked examples： one-dimensional steady state diffusion
4.4 Finite volume method for two-dimensional diffusion problems
4.5 Finite volume method for three-dimensional diffusion problems
4.6 Summary
5 The finite volume method for convection-diffusion problems
5.1 Introduction
5.2 Steady one-dimensional convection and diffusion
5.3 The central differencing scheme
5.4 Properties of discretisation schemes
5.5 Assessment of the central differencing scheme for convectiondiffusion problems
5.6 The upwind differencing scheme
5.7 The hybrid differencing scheme
5.8 The power-law scheme
5.9 Higher-order differencing schemes for convection-diffusion problems
5.10 TVD schemes
5.11 Summary
6 Solution algorithms for pressure-velocity
6.1 Introduction
6.2 The staggered grid
6.3 The momentum equations
6.4 The SIMPLE algorithm
6.5 Assembly ora complete method
6.6 The SIMPLER algorithm
6.7 The SIMPLEC algorithm
6.8 The PISO algorithm
6.9 General comments on SIMPLE， SIMPLER， SIMPLEC and PISO
6.10 Worked examples of the SIMPLE algorithm
6.11 Summary
7 Solution of discretised equations
7.1 Introduction
7.2 The TDMA
7.3 Application of the TDMA to two-dimensional problems
7.4 Application of the TDMA to three-dimensional problems
7.5 Examples
7.6 Point4terative methods
7.7 Multigrid techniques
7.8 Summary
8 the finite volume method for unsteady flows
8.1 Introduction
8.2 One-dimensional unsteady heat conduction
8.3 Illustrative examples
8.4 Implicit method for two- and three-dimensional problems
8.5 Discretisation of transient convection-diffusion equation
8.6 Worked example of transient convection-diffusion using QUICK differencing
8.7 Solution procedures for unsteady flow calculations
8.8 Steady state calculations using the pseudo-transient approach
8.9 A brief note on other transient schemes
8.10 Summary
9 Implementation of boomfary confftions
9.1 Introduction
9.2 Inlet boundary conditions
9.3 Outlet boundary conditions
9.4 Wall boundary conditions
9.5 The constant pressure boundary condition
9.6 Symmetry boundary condition
9.7 Periodic or cyclic boundary condition
9.8 Potential pitfalls and final remarks
10 Errors and uncertainty in CFD modelling
10.1 Errors and uncertainty in CFD
10.2 Numerical errors
10.3 Input uncertainty
10.4 Physical model uncertainty
10.5 Verification and validation
10，6 Guidelines for best practice in CFD
10.7 Reporting/documentation of CFD simulation inputs and results
10.8 Summary
11 Methods for dealing with complex geometries
11.1 Introduction
11.2 Body-fitted co.ordinate grids for complex geometries
11.3 Catesian vs. curvilinear grids - an example
11.4 Curvilinear grids - difficulties
11.5 Block-structured grids
11.6 Unstructured grids
11.7 Discretisation in unstructured grids
11.8 Discretisafion of the diffusion term
11.9 Discretisafion of the convective term
11.10 Treatment of source terms
11.11 Assembly of discretised equations
11.12 Example calculations with unstructured grids
11.13 Pressure-velocity coupling in unstructured meshes
11.14 Staggered vs. co-located grid arrangements
11.15 Extension of the face velocity interpolation method to unstructured meshes
11.16 Summary
12 CFD modelling of combustion
12.1 Introduction
12.2 Application of the first law of thermodynamics to a combustion system
12.3 Enthalpy of formation
12.4 Some important relationships and properties of gaseous mixtures
12.5 Stoichiometry
12.6 Equivalence ratio
12.7 Adiabatic flame temperature
12.8 Equilibrium and dissociation
12.9 Mechanisms of combustion and chemical kinetics
12.10 Overall reactions and intermediate reactions
12.11 Reaction rate
12.12 Detailed mechanisms
12.13 Reduced mechanisms
12.14 Governing equations for combusting flows
12.15 The simple chemical reacting system (SCRS)
12.16 Modelling of a laminar diffusion flame - an example
12.17 CFD calculation of turbulent non-premixed combustion
12.18 SCRS model for turbulent combustion
12.19 Probability density function approach
12.20 Beta pdf
12.21 The chemical equilibrium model
12.22 Eddy break-up model of combustion
12.23 Eddy dissipation concept
12.24 Laminar flamelet model
12.25 Generation oflaminar， flamelet libraries
12.26 Statistics of the non-equilibrium parameter
12.27 Pollutant formation in combustion
12.28 Modelling of thermal NO formation in combustion
12.29 Flamelet-based NO modelling
12.30 An example to illustrate laminar flamelet modelling and NO modelling of a turbulent flame
12.31 Other models for non-premixed combustion
12.32 Modelling ofpremixed combustion
12.33 Summary
13 Numedcal calculation of radiative heat transfer
13.1 Introduction
13.2 Governing equations of radiative heat transfer
13.3 Solution methods
13.4 Four popular radiation calculation techniques suitable for CFD
13.5 Illustrative examples
13.6 Calculation of radiative properties in gaseous mixtures
13.7 Summary
Appendix A Accuracy of a flow simulation
Appendix B Non-uniform grids
Appendix C Calculation of source terms
Appendix D Limiter functions used in Chapter 5
Appendix E Derivation of one-dimensional governing equations for steady， incompressible flow through a planar nozzle
Appendix F Alternative derivation for the term (n . grad Ai) in Chapter 11
Appendix G Some examples
Bibliography
Index
· · · · · · (收起)
读后感
评分
评分
评分
评分
用户评价
本书在介绍CFD软件应用和后处理方面，提供了非常实用的指导。作者并非仅仅停留在理论层面，而是将理论与实际操作相结合，为读者指明了学习方向。书中详细介绍了市面上一些主流的CFD软件，如 ANSYS Fluent、OpenFOAM 等，并对它们的功能、优缺点以及适用范围进行了简要的比较。对于初学者而言，这种介绍能够帮助他们快速了解 CFD 软件生态，并选择适合自己的入门工具。在网格生成部分，作者也提供了一些常用的网格生成软件的介绍，并解释了不同网格类型在软件中的实现方式。我特别关注了后处理部分的讲解，作者深入浅出地介绍了如何从 CFD 软件中提取有用的信息，如速度云图、压力分布图、流线图等。他不仅讲解了如何生成这些可视化结果，还引导读者如何从这些结果中分析流动特性，例如识别分离区域、预测流动稳定性等。书中还提及了一些高级的后处理技术，如数据统计分析、耦合多物理场可视化等，这让我对 CFD 在工程应用中的强大潜力有了更深的认识。
评分本书在处理边界条件和初始条件方面的讲解，可以说为我打开了新的视角。作者并没有将它们视为简单的输入参数，而是深入探讨了它们对数值模拟结果的影响。对于边界条件，书中详细列举了各种常见的边界类型，如入口边界、出口边界、壁面边界、对称边界等，并提供了相应的数学表达和数值实现方法。我特别关注了关于周期性边界条件和开域边界条件的讨论，这对于模拟无限域流动或周期性结构流动至关重要。作者通过图示清晰地展示了这些边界条件的应用场景，比如在模拟风洞实验时，如何处理进出口的速度和压力分布；在模拟管道内的流动时，如何设置壁面上的速度和温度条件。对于初始条件，书中也强调了其对收敛速度和最终解的影响。作者并非简单地要求读者设定一个初始状态，而是引导读者去思考，一个合理的初始条件能够加速计算的收敛，甚至避免数值不稳定的发生。例如，在模拟一个复杂的流动演化过程时，一个过于“粗糙”的初始条件可能会导致初期出现大量的振荡，而一个基于经验或简化模型的初始状态，则可能更快地引导计算向稳定状态发展。
评分这本书对于流体力学基本概念的阐述，可以说是鞭辟入里，让我这个对流体动力学仅有初步了解的人，也能迅速掌握核心要义。作者在讲解 Navier-Stokes 方程组时，没有仅仅停留在数学形式的罗列，而是深入剖析了方程中各项物理意义的来源，例如惯性力、压力梯度、粘性力以及外力等，并详细解释了它们在不同流体运动状态下的相对重要性。书中对边界条件的处理也格外细致，无论是壁面上的无滑移条件，还是自由表面的自由度，都给出了清晰的解释和相应的数学模型。我特别喜欢作者通过图示来辅助讲解，那些精美的流线图、涡结构示意图，以及速度场分布图，都极大地增强了理解的直观性。对于一些复杂的流动现象，比如湍流，作者也给出了不同模型的介绍，如雷诺平均 Navier-Stokes (RANS) 模型、大涡模拟 (LES) 以及直接数值模拟 (DNS)，并阐述了它们各自的适用范围和计算成本，这让我对如何选择合适的湍流模型有了初步的认识。在讲解数值方法的部分，作者巧妙地将数学理论与实际计算联系起来，例如在介绍离散化技术时，他详细分析了迎风格式、中心差分等方法的数值耗散和稳定性问题，并给出了如何通过改进格式来提高计算精度的具体思路。
评分在数值离散方法方面，这本书的讲解深度和广度都令人称道。作者并没有满足于对常见方法的简单介绍，而是深入探讨了不同离散格式的数学原理和物理含义。例如，在讨论有限体积法时，书中详细阐述了通量求积、界面重构等关键概念，并解释了如何通过对守恒律在控制体内进行积分来实现离散方程的建立，这使得我对流体守恒的数值实现有了更深的理解。同时，作者也强调了网格生成的重要性，从结构化网格到非结构化网格，再到自适应网格技术，都进行了详尽的介绍，并分析了不同网格类型对计算精度和效率的影响。我特别欣赏作者在讲解时间离散方法时，对显式和隐式方法的权衡分析。他不仅解释了它们各自的稳定性条件和计算效率差异，还通过具体的算例，展示了在处理不同时间尺度问题时，哪种方法更为合适。例如，在模拟激波传播这类快速瞬态过程时，选择合适的显式方法配合小时间步长是关键；而在模拟稳态流动时，隐式方法能够允许更大的时间步长，显著提高计算效率。书中对求解器的选择也有深入的讨论，从迭代求解器如雅可比法、高斯-赛德尔法，到预条件共轭梯度法等，都给出了详细的数学推导和适用性分析。
评分从整体阅读体验来看，这本书的结构清晰，逻辑严谨，语言流畅。作者在讲解复杂的数学概念时，能够做到深入浅出，配合大量的图表和实例，使得阅读过程充满乐趣，而非枯燥的理论灌输。我尤其欣赏作者在每个章节末尾设置的“总结”部分，它能够帮助我快速回顾本章的核心内容，加深理解。此外，书中还附带了详细的参考文献列表，这对于那些想要深入研究某个特定主题的读者来说，提供了宝贵的线索。在翻译方面，这本书的中文译本也非常出色，术语翻译准确，表达清晰，没有出现令人费解的生硬翻译。我个人认为，这本书非常适合作为计算流体动力学领域的入门教材，无论是对于在校学生，还是对于已经从事相关工作的工程师，都能从中受益匪浅。这本书不仅仅是传授知识，更是激发了我对CFD领域进一步探索的热情，让我意识到这个学科的博大精深和无穷魅力。它为我打开了一扇通往更加广阔的工程技术世界的大门。
评分这本书的装帧设计相当令人印象深刻，封面采用了深邃的蓝色作为主色调，搭配着银色流动的线条，仿佛描绘着空气或流体在复杂空间中穿梭的轨迹。纸张的质感也很考究，触感温润，翻页时没有刺耳的沙沙声，这对于长时间阅读来说，无疑是一种舒适的体验。开篇的文字就以一种直观的方式引入了计算流体动力学（CFD）的魅力，没有上来就堆砌枯燥的公式和理论，而是通过一些宏大的应用场景，比如航空航天领域的飞机设计、汽车工业的空气动力学优化，甚至是气象预报和生物医学的流体模拟，让我对CFD这门学科产生了浓厚的兴趣。作者在介绍CFD的起源和发展时，也相当详尽，从早期简陋的计算机模拟到如今高性能计算带来的巨大突破，历史的脉络清晰可见。对于初学者而言，这种循序渐进的引导方式，能够有效地降低学习门槛，让我意识到CFD并非遥不可及的理论，而是解决实际问题的重要工具。我尤其欣赏作者在章节开头设置的“思考题”，这些问题并非简单地考察记忆，而是引导读者去理解概念背后的逻辑和原理，激发主动探索的欲望。例如，关于离散化方法的选择，作者并没有直接给出“最优解”，而是列举了有限差分、有限体积和有限元等方法的优缺点，并结合不同的问题类型，让读者自行权衡，这种教学方式远比直接灌输要深刻得多。
评分本书对求解器算法的深入剖析，是我认为其最核心的价值之一。作者在讲解线性方程组的求解时，不仅仅是列出各种迭代算法的公式，更是深入探讨了它们的收敛性、稳定性和计算复杂度。对于简单的迭代方法，如雅可比迭代和高斯-赛德尔迭代，作者给出了详细的矩阵谱半径分析，解释了为何它们在某些情况下会收敛缓慢，而在另一些情况下则失效。我特别欣赏书中对预条件技术的介绍，这对于加速大型稀疏线性方程组的求解至关重要。作者详细解释了预条件的物理意义，即通过变换原方程组，使其系数矩阵的条件数降低，从而加速迭代求解器的收敛。书中列举了多种预条件子，如对角预条件子、ILU分解预条件子等，并分析了它们各自的优缺点以及在不同问题中的适用性。对于非线性方程组的求解，书中也给出了详细的分析，特别是对牛顿迭代法及其变种的讲解，让我理解了如何通过线性化和迭代来逼近非线性解。作者也讨论了求解器的选择策略，指出在实际应用中，需要根据问题的规模、系数矩阵的特性以及对精度的要求来选择最合适的求解器。
评分本书在关于CFD的未来发展趋势方面的探讨，极具启发性。作者并没有将CFD仅仅停留在现有的技术水平，而是敏锐地洞察了行业的发展方向，并对未来可能的技术突破进行了展望。他详细讨论了人工智能和机器学习在CFD领域的融合应用，例如如何利用机器学习来加速 CFD 求解器的收敛速度，或者如何通过机器学习来构建更精确的湍流模型。书中也提及了高性能计算（HPC）的不断发展对 CFD 的推动作用，例如更大规模的模拟、更高精度的计算，以及更复杂的物理过程的模拟。我特别关注了关于“数字孪生”和“集成模拟”的讨论，作者认为，未来的CFD将不仅仅是孤立的数值模拟，而是会与其他工程仿真技术相结合，形成一个更加全面的虚拟仿真平台，从而实现对产品全生命周期的优化和管理。他还对CFD在新兴领域的应用进行了预测，比如在量子计算和生物计算等前沿科技中的潜力。总而言之，本书让我对CFD的未来充满期待，也意识到了持续学习和拥抱新技术的重要性。
评分本书在探讨CFD在具体工程领域的应用时，展现了其深厚的底蕴和前瞻性。作者通过一系列精心挑选的案例研究，生动地展现了CFD技术如何解决实际工程问题。例如，在航空航天领域，书中详细阐述了如何利用CFD技术对飞机机翼进行气动优化，降低阻力，提高升力，以及模拟飞行器在高超声速下的流动特性。在汽车工业方面，则重点介绍了CFD在汽车外形设计中的应用，如何优化车身流线，减少风阻，降低油耗，同时还涉及了发动机内部的燃烧模拟和冷却系统设计。我印象特别深刻的是书中关于绿色能源应用的章节，例如如何利用CFD模拟风力涡轮机的叶片气动性能，优化其发电效率，以及在太阳能电池板上的流体流动和传热模拟。作者在分析这些案例时，不仅仅是罗列结果，而是深入剖析了CFD在其中扮演的角色，以及数值模拟如何指导工程设计和改进。他还在书中提及了CFD在生物医学领域的应用，例如模拟血液在血管中的流动，以及药物在人体内的输运过程，这让我看到了CFD更广泛的社会价值。
评分本书对于物理模型选择和验证的讲解，可以说非常具有实践指导意义。作者没有将CFD仅仅看作是数值方法的堆砌，而是强调了模型选择的重要性，以及验证工作的必要性。在介绍湍流模型时，作者详细阐述了 RANS、LES 和 DNS 各自的物理基础和应用场景，并分析了它们在预测不同流动现象时的优缺点。例如，他举例说明了在设计飞机机翼时，RANS 模型可能足以满足初步设计需求，但如果要精确模拟翼尖涡结构，可能就需要更高级的 LES 或 DNS 方法。书中也强调了模型验证的重要性，鼓励读者将数值模拟结果与实验数据或解析解进行对比，以评估模型的准确性。作者提供了一些基本的验证方法，如网格收敛性研究、几何相似性分析等，并解释了如何通过这些方法来判断数值结果的可靠性。我尤其赞赏书中对“模拟的局限性”的坦诚讨论，作者并没有将CFD描述成万能的工具，而是提醒读者，任何模型都有其适用范围，过度依赖数值模拟而忽视物理原理和实验验证，可能会导致错误的结论。
评分计流老师力荐
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