計(jì)算流體力學(xué)基礎(chǔ)

譯者序

原書(shū)序

第1部分　基本思想和基本方程

第1章　計(jì)算流體力學(xué)的基本原理

1.1　為什么要學(xué)習(xí)計(jì)算流體力學(xué)

1.2　作為研究工具的計(jì)算流體力學(xué)

1.3　作為設(shè)計(jì)工具的計(jì)算流體力學(xué)

1.4　計(jì)算流體力學(xué)的應(yīng)用實(shí)例

1.4.1　汽車和發(fā)動(dòng)機(jī)

1.4.2　工業(yè)制造

1.4.3　土木工程

1.4.4　環(huán)境工程

1.4.5　造船(潛水艇)

1.5　計(jì)算流體力學(xué)的研究范疇

1.6　學(xué)習(xí)本書(shū)的目的

第2章　流體力學(xué)的控制方程組

2.1　引言

2.2　流動(dòng)模型

2.2.1　有限控制體

2.2.2　無(wú)窮小流體微團(tuán)

2.2.3　注釋

2.3　物質(zhì)導(dǎo)數(shù)(運(yùn)動(dòng)流體微團(tuán)的時(shí)間變化率)

2.4　速度散度及其物理意義

2.5　連續(xù)性方程

2.5.1　空間位置固定的有限控制體模型

2.5.2　隨流體運(yùn)動(dòng)的有限控制體模型

2.5.3　空間位置固定的無(wú)窮小微團(tuán)模型

2.5.4　隨流體運(yùn)動(dòng)的無(wú)窮小微團(tuán)模型

2.5.5　方程不同形式之間的轉(zhuǎn)化

2.5.6　積分形式與微分形式的重要注釋

2.6　動(dòng)量方程

2.7　能量方程

2.8　流體力學(xué)控制方程的總結(jié)與注釋

2.8.1　粘性流動(dòng)的納維一斯托克斯(Navier-Stokes)方程

2.8.2　無(wú)粘流歐拉(Euler)方程

2.8.3　關(guān)于控制方程的注釋

2.9　物理邊界條件

2.10　適合CFD使用的控制方程

2.11　小結(jié)

習(xí)題

第3章　偏微分方程的數(shù)學(xué)性質(zhì)對(duì)CFD的影響

3.1　引言

3.2　擬線性偏微分方程的分類

3.3　確定偏微分方程類型的一般方法——特征值法

3.4　不同類型偏微分方程的一般性質(zhì)

3.4.1　雙曲型方程

3.4.2　拋物型方程

3.4.3　橢圓型方程

3.4.4　注釋

3.5　定解問(wèn)題的適定性

3.6　小結(jié)

習(xí)題

第2部分　基本的數(shù)值方法

第4章　離散化的基本方法

4.1　引言

4.2　有限差分基礎(chǔ)

4.3　差分方程

4.4　顯式方法與隱式方法

4.5　誤差與穩(wěn)定性分析

4.6　小結(jié)

習(xí)題

第5章　網(wǎng)格生成與坐標(biāo)變換

5.1　引言

5.2　方程的一般變換

5.3　度量和雅可比行列式

5.4　再論適合CFD使用的控制方程

5.5　注釋

5.6　拉伸(壓縮)網(wǎng)格

5.7　貼體坐標(biāo)系：橢圓型網(wǎng)格生成

5.8　自適應(yīng)網(wǎng)格

5.9　網(wǎng)格生成的進(jìn)展

5.10　有限體積網(wǎng)格生成的進(jìn)展

5.11　小結(jié)

習(xí)題

第6章　計(jì)算流體力學(xué)的基本方法

6.1　引言

6.2　拉克斯-溫德羅夫(Lax-Wendroff)方法

6.3　麥考馬克(MacCormack)方法

6.4　粘性流動(dòng)、守恒形式和空間推進(jìn)

6.4.1　粘性流動(dòng)

6.4.2　守恒形式

6.4.3　空間推進(jìn)

6.5　松弛法及其在低速無(wú)粘流動(dòng)中的應(yīng)用

6.6　數(shù)值耗散、色散及人工粘性

6.7　交替方向隱式(ADI)方法

6.8　壓力修正法及其在不可壓粘性流動(dòng)中的應(yīng)用

6.8.1　關(guān)于不可壓納雛一斯托克斯(Navier-Stokes)方程的注釋

6.8.2　交錯(cuò)網(wǎng)格的應(yīng)用

6.8.3　壓力修正法的基本原理

6.8.4　壓力修正公式

6.8.5　數(shù)值方法：SIMPLE算法

6.8.6　壓力修正法的邊界條件

6.9　用于CFD的計(jì)算機(jī)繪圖技術(shù)

6.9.1　xy圖

6.9.2　等值線圖

6.9.3　向量圖和流線圖

6.9.4　散布圖

6.9.5　網(wǎng)格圖

6.9.6　組合圖

6.9.7　關(guān)于計(jì)算機(jī)繪圖的總結(jié)

6.10　小結(jié)

習(xí)題

第3部分　計(jì)算流體力學(xué)的應(yīng)用

第7章　擬一維噴管流動(dòng)的數(shù)值解

7.1　引言

7.2　物理問(wèn)題簡(jiǎn)介

7.3　亞聲速—超聲速等熵噴管流動(dòng)的CFD解法

7.3.1　問(wèn)題的提法

7.3.2　最初幾步的中間結(jié)果

7.3.3　最終的數(shù)值結(jié)果——定常解

7.4　全亞聲速等熵噴管流動(dòng)的CFD解法

7.4.1　問(wèn)題的提法：邊界條件和初始條件

7.4.2　最終的數(shù)值結(jié)果——麥考馬克(MacCormack)方法

7.4.3　求解失敗的原因

7.5　再論亞聲速—超聲速等熵噴管流動(dòng)的CFD解法

7.5.1　守恒型基本控制方程

7.5.2　問(wèn)題的提法

7.5.3　第一個(gè)時(shí)間步的計(jì)算結(jié)果

7.5.4　最終的數(shù)值結(jié)果——定常解

7.6　激波捕捉

7.6.1　問(wèn)題的提法

7.6.2　時(shí)間推進(jìn)過(guò)程——人工粘性

7.6.3　數(shù)值結(jié)果

7.7　小結(jié)

第8章　二維超聲速流動(dòng)的數(shù)值解——普朗特—邁耶稀疏波

8.1　引言

8.2　物理問(wèn)題簡(jiǎn)介：普朗特—邁耶(Prandtl-Meyer)稀疏波的解析解

8.3　普朗特一邁耶(Prandtl-Meyer)稀疏波流場(chǎng)的數(shù)值解

8.3.1　控制方程

8.3.2　問(wèn)題的提法

8.3.3　中間結(jié)果

8.3.4　最終結(jié)果

8.4　小結(jié)

第9章　不可壓庫(kù)埃特(Couette)流的數(shù)值解

9.1　引言

9.2　物理問(wèn)題及其解析解

9.3　數(shù)值方法：隱式克蘭克—尼科爾森(Crank-Nico1son)方法

9.3.1　數(shù)值方法

9.3.2　問(wèn)題的提法

9.3.3　中間結(jié)果

9.3.4　最終結(jié)果

9.4　另一種數(shù)值方法：壓力修正法

9.4.1　問(wèn)題的提法

9.4.2　結(jié)果

9.5　小結(jié)

習(xí)題

第10章　流過(guò)平板的超聲速流動(dòng)

10.1　引言

10.2　物理問(wèn)題

10.3　數(shù)值方法：二維完全納維—斯托克斯(Navier-Stokes)方程的顯式有限差分解法

10.3.1　流動(dòng)控制方程

10.3.2　問(wèn)題的提法

10.3.3　有限差分方程

10.3.4　空間步長(zhǎng)和時(shí)間步長(zhǎng)的計(jì)算

10.3.5　初始條件和邊界條件

10.4　納維-斯托克斯(Navier-Stokes)方程計(jì)算程序的組織

1O.4.1　概論

10.4.2　主程序

10.4.3　麥考馬克(MacCormack)方法子程序

10.4.4　最后的注釋

10.5　最終的數(shù)值結(jié)果——定常解

10.6　小結(jié)

第4部分　現(xiàn)代計(jì)算流體力學(xué)概述

第11章　現(xiàn)代計(jì)算流體力學(xué)中的某些高級(jí)問(wèn)題

11.1　引言

11.2　再論守恒型流動(dòng)控制方程

11.2.1　一維流動(dòng)

11.2.2　小結(jié)

11.3　隱式方法的其他處理技巧

11.3.1　方程的線性化——比姆-沃明(Beam-Warming)方法

11.3.2　多維問(wèn)題——近似因子分解法

11.3.3　分塊三對(duì)角矩陣

11.3.4　小結(jié)

11.4　迎風(fēng)格式

11.4.1　矢通量分裂法

11.4.2　戈杜諾夫(Godunov)方法

11.4.3　注釋

11.5　二階迎風(fēng)格式

11.6　高分辨率格式——TVD與通量限制器

11.7　一些結(jié)果

11.8　多重網(wǎng)格法

11.9　小結(jié)

習(xí)題

第12章　計(jì)算流體力學(xué)的未來(lái)

12.1　再論CFD的重要性

12.2　CFD中的計(jì)算機(jī)圖形學(xué)

12.3　CFD對(duì)飛行器設(shè)計(jì)的影響

12.4　CFD對(duì)流體力學(xué)基礎(chǔ)研究的影響

12.5　總結(jié)

附錄

附錄A　解三對(duì)角方程組的托馬斯算法

附錄B　主要人名的中英文對(duì)照表 2100433B

本書(shū)內(nèi)容包括：計(jì)算流體力學(xué)的特點(diǎn)和意義，流體力學(xué)基本方程及其分類，發(fā)展型偏微分方程有限差分和有限體積方法的基本概念、重要性質(zhì)和典型算法，貼體網(wǎng)格生成基礎(chǔ)，激波的數(shù)值計(jì)算理論，可壓縮流動(dòng)的典型計(jì)算方法，不可壓縮流動(dòng)的數(shù)值計(jì)算方法初步。

本書(shū)首先介紹了計(jì)算流體力學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)，然后通過(guò)四個(gè)精心挑選的例子介紹了計(jì)算流體力學(xué)中的重要方法和處理技巧。這些例子都有理論上的解析解，讀者可以將CFD計(jì)算的結(jié)果與解析解進(jìn)行對(duì)比，從而更深入地了解CFD的基本概念、思路、方法、用途和優(yōu)缺點(diǎn)。在此基礎(chǔ)上，本書(shū)的最后一部分介紹了計(jì)算流體力學(xué)中的幾個(gè)前沿問(wèn)題。本書(shū)選擇和編排內(nèi)容的這種方式非常適合沒(méi)有接觸或者很少接觸計(jì)算流體力學(xué)的讀者。無(wú)論是各專業(yè)的學(xué)生，還是不同領(lǐng)域的科研和工程技術(shù)人員，本書(shū)都能夠使讀者從基本概念出發(fā)，一步一步地進(jìn)入到計(jì)算流體力學(xué)的整個(gè)領(lǐng)域，掌握其中的概念、方法和應(yīng)用技巧。

本書(shū)是計(jì)算流體力學(xué)(CFD)方面的入門書(shū)。這些例子都有理論上的解析解，讀者可以將CFD計(jì)算的結(jié)果與解析解進(jìn)行對(duì)比，從而更深入地了解CFD的基本概念、思路、方法、用途和優(yōu)缺點(diǎn)。在此基礎(chǔ)上，本書(shū)的最后一部分介紹了計(jì)算流體力學(xué)中的幾個(gè)前沿問(wèn)題。本書(shū)選擇和編排內(nèi)容的這種方式非常適合沒(méi)有接觸或者很少接觸計(jì)算流體力學(xué)的讀者。無(wú)論是各專業(yè)的學(xué)生，還是不同領(lǐng)域的科研和工程技術(shù)人員，本書(shū)都能夠使讀者從基本概念出發(fā)，一步一步地進(jìn)入到計(jì)算流體力學(xué)的整個(gè)領(lǐng)域，掌握其中的概念、方法和應(yīng)用技巧。 本書(shū)既可作為力學(xué)專業(yè)高年級(jí)本科生和非力學(xué)專業(yè)研究生教材，也可作為航空航天、動(dòng)力工程、建筑、水利、環(huán)境等專業(yè)科研和工程技術(shù)人員的參考讀物。

譯者序

原書(shū)序

第1部分 基本思想和基本方程

第1章 計(jì)算流體力學(xué)的基本原理

第2章 偏微分方程的數(shù)學(xué)性質(zhì)對(duì)CFD的影響

第2部分 基本的數(shù)值方法

第4章 離散化的基本方法

第5章 網(wǎng)格生成與坐標(biāo)變換

第6章 計(jì)算流體力學(xué)的基本方法

第3部分 計(jì)算流體力學(xué)的應(yīng)用

第7章 擬一維噴管流動(dòng)的數(shù)值解

第8章 二維超聲速流動(dòng)的數(shù)值解——普朗特—邁耶稀疏波

第9章 不可壓庫(kù)埃特流的數(shù)值解

第10章 流過(guò)平板的超聲速流動(dòng)

第4部分 現(xiàn)代計(jì)算流體力學(xué)概述

第11章 現(xiàn)代計(jì)算流體力學(xué)中的某些高級(jí)問(wèn)題

第12章 計(jì)算流體力學(xué)的未來(lái)

附錄2100433B