Computational Fluid Dynamics

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具体描述

The Beginner's guide to Computational Fluid Dynamics From aerospace design to applications in civil, mechanical, and chemical engineering, computational fluid dynamics (CFD) is as essential as it is complex. The most accessible introduction of its kind, Computational Fluid Dynamics: The Basics With Applications, by experienced aerospace engineer John D. Anderson, Jr., gives you a thorough grounding in: the governing equations of fluid dynamics--their derivation, physical meaning, and most relevant forms; numerical discretization of the governing equations--including grids with appropriate transformations and popular techniques for solving flow problems; common CFD computer graphic techiniques; applications of CFD to 4 classic fluid dynamics problems--quasi-one-dimensional nozzle flows, two-dimensional supersonic flow, incompressible couette flow, and supersonic flow over a flat plate; state-of-the-art algorithms and applications in CFD--from the Beam and Warming Method to Second-Order Upwind Schemes and beyond.
湍流模拟中的先进数值方法与应用 书籍简介 本书深入探讨了湍流流动模拟领域中一系列尖端数值方法及其在复杂工程和科学问题中的实际应用。全书结构严谨,内容兼顾理论深度与工程实用性,旨在为研究生、科研人员以及从事计算流体力学(CFD)工作的工程师提供一本权威的参考资料。 第一部分:湍流模型与基础理论的再审视 本部分首先对现有主流湍流模型进行了批判性回顾,重点关注了它们在处理高雷诺数、壁面边界层分离以及复杂非定常流动时的局限性。 第1章:雷诺平均纳维-斯托克斯(RANS)模型的局限性与模型选择 本章详细分析了标准 $k-epsilon$ 模型和 $k-omega$ SST 模型在预测剪切流、近壁区流动及压力梯度影响下的流动分离问题时的内在缺陷。我们着重讨论了各向异性湍流效应的建模挑战,例如,在非均匀应力场中,传统线性涡粘性假设的失效点。此外,本章还引入了新的 Reynolds Stress Model (RSM) 的高级变体,如各向异性修正 RSM,并探讨了其计算成本与精度之间的权衡。特别地,我们深入探讨了如何利用实验数据校准模型的特定系数,以适应特定工业场景(如燃气轮机叶片冷却或航空器外形阻力)的需求。 第2章:大涡模拟(LES)的进展与亚格子尺度(SGS)建模 LES 作为捕捉瞬态湍流结构的关键工具,其性能高度依赖于有效的SGS模型。本章聚焦于非结构网格下SGS模型的鲁棒性。我们不仅回顾了经典的Smagorinsky模型及其修正形式(如动态Smagorinsky模型),更详细阐述了基于能量守恒和尺度分离原理的新型SGS模型,例如基于局部拉格朗日轨迹的SGS模型。对于近壁区的处理,我们比较了壁面约束LES (WALE) 和混合RANS/LES方法的优劣,特别是在处理需要高分辨率边界层网格的工况下的实施细节与误差源分析。 第3章:混合方法与混合精度模拟的策略 鉴于全精细尺度模拟(FSD)在工程中的高昂成本,本部分重点分析了混合方法的最新发展。我们深入探讨了如何有效地在流动区域内部署不同精度的模型:例如,在边界层使用RANS,在主流分离区使用LES。本章详细介绍了界面处理技术,包括动量和湍流变量的无缝传递方案,以及如何利用信息论指标评估混合区域的误差积累。我们还讨论了基于误差估计的自适应网格加密与模型切换策略,旨在实现计算效率和预测准确性的最优平衡。 第二部分:先进的数值求解技术 本部分聚焦于支撑高精度、高保真度模拟的底层数值算法,强调了时间离散化和空间离散化的最新进展。 第4章:高阶空间离散化方法 超越传统的二阶迎风格式,本章全面介绍了在高保真CFD中日益重要的空间离散技术。我们详细阐述了如加权本质无振荡 (WENO) 格式在处理激波和强梯度区域的优越性,以及如何将其与基于有限体积法框架有效地结合。对于处理复杂几何,我们探讨了离散几何方法 (DGM) 和科罗克模型 (Kronecker Product Model) 在提高高阶精度网格适配性方面的优势,特别是在处理移动边界问题时的鲁棒性。本章包含了对离散化误差分析的严格数学推导。 第5章:高效的时间积分方案与隐式/显式耦合 本章着重于非定常流动的求解效率。我们比较了具有不同稳定性和色散特性的隐式和显式时间积分方案,包括LSERK (Linear Scaling Explicit Runge-Kutta) 和BDF (Backward Differentiation Formulas) 系列。核心内容在于迭代解算器的选择与预处理技术。对于大规模非线性系统,我们详细分析了基于代数多重网格 (AMG) 的预条件子在加速求解大型稀疏线性系统中的性能优化。此外,我们还探讨了如何利用亚迭代策略 (Sub-Iteration Schemes) 来控制时间步长与内部迭代次数之间的平衡,以维持时间精度。 第6章:处理可压缩流动与非结构化网格上的耦合求解 在高速流动模拟中,声波对时间步长的严格限制是主要的挑战。本章介绍了压力修正法 (Pressure Correction Method) 的高级变体,如SIMPLEC 和 PISO 算法在处理大时间步长下的非拟合特性。对于高度非结构化的三维网格,本章提供了关于如何构造高阶导数近似(如基于梯度重构的有限体积方法)的详细指南,以及如何量化和控制由于网格畸形引起的数值耗散和色散误差。 第三部分:复杂流动现象的专门化模拟 本部分将前述的理论和数值方法应用于需要特殊处理的复杂物理现象。 第7章:多相流与界面追踪技术 本书专门为液-气或固-液界面流动提供了详细的建模方案。我们深入比较了水平集方法 (Level Set)、体积平均法 (VOF) 和相场模型 (Phase Field) 在追踪、平滑以及能量守恒方面的差异。针对自由表面流动(如波浪破碎、喷雾雾化),本章提出了结合高阶VOF与网格重构的混合界面追踪方案,并探讨了界面处的相间质量/动量传递的数值处理,特别是处理接触线移动时的奇点问题。 第8章:燃烧与化学反应流的模拟 本章侧重于高马赫数、高化学反应速率流动(如超燃冲压发动机、火焰稳定器)的耦合模拟。我们分析了反应流前沿 (Flame Front Tracking) 方法与有限速率化学 (Finite-Rate Chemistry) 模型的结合策略。对于化学反应源项的处理,我们详细介绍了负梯度限制器 (Negative Gradient Limiter) 在保证化学平衡和动力学计算稳定性的关键作用,并讨论了如何利用高效率的稀疏矩阵求解器来处理由大量化学组分引起的巨大线性系统。 第9章:辐射传热与多尺度耦合 在涉及高温工程(如火箭喷管、核反应堆)时,辐射对流动的耦合至关重要。本章详细介绍了离散坐标法 (Discrete Ordinates Method, DOM) 和蒙特卡洛法 (Monte Carlo) 在求解辐射传输方程中的应用。更进一步,我们探讨了如何耦合宏观(CFD)与微观(分子动力学或玻尔兹曼方程)尺度的信息,以解决稀疏气体效应或化学吸附/解吸等边界层微观过程对整体流场的影响。 结论 本书的最终目标是提供一套全面的工具箱,使用户能够根据特定的物理问题、计算资源和所需的精度水平,设计和实施稳健且高效的CFD求解器。所介绍的方法均侧重于提升数值解的保真度 (Fidelity) 和可信度 (Credibility)。

著者信息

图书目录

图书序言

图书试读

用户评价

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我對於《Computational Fluid Dynamics》這本書的閱讀體驗,可以用“沉浸式學習”來形容。我是一位對科學研究充滿熱情的博士生,研究方向涉及到新型材料的開發和應用,而流體力學的模擬在其中扮演著至關重要的角色。這本書的內容深度和廣度都遠超我的預期。首先,作者在引言部分就清晰地闡述了CFD的發展歷程、重要性以及其在現代科學研究中的地位,這為我建立了一個宏觀的認識。隨後,在介紹流體力學的守恆定律時,作者不僅給出了嚴謹的數學表述,還結合了物理意義的解釋,讓我對這些基本方程有了更深刻的理解。書中對於數值方法的介紹,尤其是偏微分方程的離散化技術,我認為是其最大的亮點之一。作者詳細講解了有限差分、有限體積和有限元素方法的原理,並通過具體的例子展示了如何在離散網格上近似求解偏微分方程。這部分內容非常紮實,需要一定的數學基礎,但作者的講解清晰易懂,即使是對於初學者,只要肯花時間鑽研,也能夠逐步掌握。我特別喜歡書中對於網格生成和處理技術的闡述。合理的網格劃分是CFD模擬精度的關鍵,而這本書對此提供了全面的指導,從結構網格到非結構網格,從網格適應性控制到網格優化,內容都非常詳盡。此外,書中還涵蓋了各種邊界條件的處理、求解器技術、以及後處理和結果分析的方法。這些都是完成一次完整CFD模擬不可或缺的環節。作者還在書中提及了一些先進的CFD技術,例如自適應網格細化、高階精度方法等,這為我的進一步研究提供了寶貴的啟示。

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作為一位在學術界深耕多年的資深教授,我見證了CFD技術的飛速發展,而《Computational Fluid Dynamics》這本書,在我看來,是近年來難得一見的優秀著作。它不僅在理論深度上達到了相當的高度,更在內容的編排和呈現方式上,展現出了作者對讀者需求的深刻理解。我非常讚賞作者在介紹流體力學方程組時的詳盡推導,他們並沒有簡單地照搬現有教材,而是對每個方程的來源和物理意義進行了深入的剖析。這對於學生建立起扎實的理論基礎至關重要。書中對各種數值離散方法的介紹,可以說是達到了教科書級別的水準。從有限差分、有限體積到有限元素,作者不僅給出了詳細的數學推導,還對每種方法的優缺點、適用範圍以及在不同邊界條件下的表現進行了全面的比較分析。這為學生在面對實際問題時,如何選擇最合適的數值方法提供了清晰的指導。我認為這本書的另一個突出優勢在於其對CFD工程應用實例的深入剖析。作者通過一系列精心挑選的案例,展示了CFD技術如何在航空航天、汽車工程、能源、環境等領域發揮關鍵作用。這些案例不僅具有學術價值,更蘊含著豐富的工程智慧。書中關於網格生成、求解器選擇、以及結果後處理和驗證的系統性介紹,為讀者提供了一套完整的CFD模擬流程。我認為這本書的價值在於它能夠激發學生的學習興趣,引導他們深入探索CFD的無限可能,並且為他們未來的研究和工作奠定堅實的基礎。

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這本《Computational Fluid Dynamics》的出版,對於在台灣從事高科技產業的工程師們來說,無疑是一個重大的利多。我們公司專注於先進的半導體製程設備開發,而微流道中的氣體流動、熱交換器的效率評估等,都是需要高度精準的CFD模擬來優化的。過去,我們在這方面的知識可能比較零散,而這本書的出現,為我們提供了一個系統性的解決方案。書中對於各種流動模型的介紹,尤其是針對微觀尺度流動的特殊考量,給了我很大的啟發。作者在講解這些模型時,不僅僅是列出公式,而是深入分析了模型背後的物理機制,以及它們在不同應用場景下的適用性。這有助於我們在選擇模型時,做出更明智的決策,避免因模型選擇不當而導致的模擬結果偏差。書中關於高精度數值方法的介紹,例如能夠處理複雜幾何形狀和陡峭梯度變化的方法,對於我們在半導體製程中遇到的複雜結構模擬非常重要。我認為這本書的實用性體現在它對工程應用細節的關注。例如,在討論邊界層處理時,作者不僅介紹了各種邊界條件的設定,還提供了如何驗證邊界條件設定是否合理的建議。此外,書中關於如何進行CFD模擬的驗證和確認(V&V)的闡述,也是我認為非常寶貴的一部分。在科技產業中,模擬結果的可靠性至關重要,而這本書提供了系統性的指導,幫助我們確保模擬結果的準確性和可信度。

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作為一名剛開始接觸CFD領域的碩士研究生,我對《Computational Fluid Dynamics》這本書的感受是,它像是一本量身為我打造的入門指南。我的指導教授推薦我閱讀這本書,並且告訴我,這本書能夠幫助我建立起堅實的CFD基礎。實際閱讀後,我發現教授的評價絲毫不誇張。書中的開頭部分,對於流體力學的基本原理介紹非常詳盡,從牛頓流體到非牛頓流體,從不可壓縮流到可壓縮流,作者都給予了清晰的定義和數學表達。我特別欣賞作者在介紹數值離散方法時的循序漸進。從簡單的有限差分法開始,一步步講解了如何將連續的微分方程轉化為離散的代數方程。對於數值穩定性和收斂性的討論,作者也用非常直觀的方式進行了說明,讓我能夠理解為什麼有些數值方法會產生不穩定的結果。書中對於網格生成技術的介紹也非常實用,包括了如何選擇合適的網格類型,以及如何處理網格的質量問題,這對於確保模擬的準確性非常關鍵。我對書中關於求解器算法的介紹也印象深刻,從簡單的迭代法到更高級的預條件共軛梯度法,作者都給予了詳細的解釋。這部分內容對於我理解CFD軟體是如何工作的非常重要。此外,書中還涵蓋了各種邊界條件的設定,以及如何進行模擬結果的後處理和驗證,這些都是完成一次完整CFD模擬所必需的步驟。我認為這本書為我打下了非常紮實的基礎,讓我對CFD的學習充滿了信心。

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哇,這本《Computational Fluid Dynamics》真的是讓我眼睛一亮!身為一個在台灣唸書、對流體力學一直抱持著高度興趣的學生,我對這種理論跟實際應用結合的書籍總是特別期待。拿到這本書的當下,我就被它厚實的內容和專業的排版給吸引了。翻開來,首先映入眼簾的是那清晰的文字和豐富的圖例,這對於學習像CFD這樣相對抽象的學科來說,絕對是一大福音。我特別欣賞作者在介紹基本概念時的細膩,他們並沒有急著跳入高深的數學模型,而是從流體力學的基礎原理娓娓道來,像是連續性方程、動量方程、能量方程等等,這些都是理解後續內容的基石。而且,書中對於各種數值方法的介紹也相當到位,從最基礎的有限差分法、有限體積法,到後來的有限元素法,作者都提供了詳盡的推導過程和優缺點分析,這讓我能夠更深入地理解不同方法之間的差異,以及它們在不同應用場景下的適用性。我最喜歡的部分是書中穿插的案例研究,作者藉由實際工程問題,例如飛機機翼附近的氣流模擬、汽車的空氣動力學設計、甚至是水壩的結構穩定性分析,來展示CFD方法的應用。這些案例不僅讓我對CFD的實用性有了更直觀的認識,也激發了我將所學知識應用於解決實際問題的熱情。書中的程式碼範例和演算法的詳細說明,更是讓我想立刻動手實踐,親自去驗證那些理論。總體來說,這本書的內容紮實、講解清晰,對於想要深入理解CFD的讀者來說,絕對是一本值得珍藏的參考書。它不只是一本學術著作,更像是開啟我CFD學習之旅的寶貴指南,讓我對這個領域充滿了探索的動力。

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我是一位對科學教育懷有熱忱的大學講師,而《Computational Fluid Dynamics》這本書,我認為是為教授相關課程的老師們量身打造的絕佳教材。在我多年的教學經驗中,尋找一本能夠同時兼顧理論深度和教學適用性的CFD書籍一直是個挑戰。這本書的出現,徹底改變了我的看法。首先,它的結構非常清晰,邏輯性強,非常適合用於編排課程大綱。從最基礎的流體動力學方程的建立,到各種數值方法的原理、離散化、求解,再到各種應用案例的分析,環環相扣,層層遞進。作者在講解數學原理時,能夠將抽象的數學符號與具體的物理現象聯繫起來,這對於學生理解抽象概念至關重要。例如,在講解動量方程時,作者會詳細解釋方程中各項代表的物理意義,如慣性力、壓力梯度力、粘性力等,並通過生動的圖示來輔助說明。書中大量的插圖和圖表,不僅美觀,而且信息量豐富,能夠有效地幫助學生理解複雜的物理過程和數值算法。我特別讚賞書中針對不同數值方法的比較分析,作者不僅介紹了它們的原理,還詳細討論了它們在收斂性、穩定性、計算效率和精度方面的優劣,這對於學生在課堂上進行討論和辯論非常有幫助。此外,書中提供的練習題和課題設計,質量很高,涵蓋了從概念驗證到簡單工程模擬的各種難度,這能讓學生在課後進行鞏固練習,加深對知識的理解。作者還在書中提及了一些CFD軟體的發展趨勢和常見的錯誤排除方法,這些都是在實際教學過程中非常實用的信息。

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作為一個在學術界已經耕耘多年的研究人員,我不得不說,《Computational Fluid Dynamics》這本書的品質確實令人印象深刻。在我參與的諸多研究項目中,CFD模擬一直是不可或缺的工具,而這本書的出現,為我提供了更加深入和系統化的理解。我對作者在處理複雜數學推導時的嚴謹態度感到欽佩,他們不僅給出了完整的數學公式,還對每一步的推導都進行了詳細的解釋,這對於確保研究的準確性至關重要。書中對於不同數值方法的詳盡介紹,尤其是對其穩定性和收斂性分析的深入探討,是我認為這本書最大的價值所在。作者並沒有回避CFD模擬中可能遇到的困難和挑戰,而是直面問題,並提出了系統性的解決方案。例如,在討論邊界條件的處理時,作者詳細分析了不同類型的邊界條件對模擬結果的影響,以及如何選擇合適的邊界條件來獲得更準確的結果。書中關於網格技術的介紹也非常全面,從網格的生成到網格的質量判斷,再到如何通過網格自適應來提高模擬精度,這些內容對於任何一位嚴謹的CFD研究者來說都是必不可少的知識。我還特別注意到書中對求解器的選擇和優化策略的闡述。一個高效且穩定的求解器能夠極大地提高模擬的效率,而作者在這方面的建議和指導,對於我們在研究中節省寶貴的計算資源非常有幫助。此外,書中對不同物理模型的選擇和應用也給予了詳細的說明,這使我能夠在面對各種複雜的流動現象時,更有針對性地選擇合適的模型來進行模擬。

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我是一位對計算科學有著濃厚興趣的業餘愛好者,而《Computational Fluid Dynamics》這本書,以一種意想不到的方式,打開了我對這個領域的認知。我並非科班出身,但我總是被那些能夠用計算機模擬出真實世界現象的技術所吸引。這本書的優點在於,它能夠在保持科學嚴謹性的同時,讓非專業人士也能夠大致理解CFD的核心概念。我特別欣賞作者在介紹CFD的發展歷程時,所描繪的那個充滿挑戰和突破的畫面。從早期的簡單模型到如今複雜的模擬,這其中的演變本身就充滿了故事性。書中對於CFD基本原理的講解,即使是像我這樣的讀者,也能夠通過作者生動的語言和圖解,領略到流體運動的奧妙。例如,當作者解釋湍流現象時,他會用各種生動的例子來輔助說明,讓我能夠直觀地感受到那種無序中的規律。雖然書中涉及的數學公式不少,但我發現作者總是會盡力去解釋這些公式背後的物理意義,而不是讓讀者僅僅記住它們。這讓我感覺,我不是在被動地接收知識,而是在主動地理解。我對書中介紹的各種CFD應用案例非常感興趣,從天氣預報到人體血液流動的模擬,這些都讓我看到了CFD在不同領域的巨大潛力。雖然我可能無法深入到每一項技術細節,但這本書為我提供了一個宏觀的視角,讓我能夠欣賞CFD作為一種強大的科學工具所帶來的震撼。

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《Computational Fluid Dynamics》這本書,對於我這樣一個對科學有著強烈好奇心的普通讀者來說,是一次意外的驚喜。雖然我並非流體力學的專業人士,但我一直對科學世界的運作方式充滿興趣,而CFD恰好是一個結合了數學、物理和計算機科學的迷人領域。從我翻開書的第一頁開始,就被作者的寫作風格深深吸引。他們並沒有使用過於艱澀的術語,而是用一種非常易懂、生動的方式來解釋複雜的概念。我特別喜歡作者在介紹流體行為時所做的比喻,例如將流體的運動比作河流的流淌,將湍流的複雜性比作風暴的無序,這些都讓我能夠更容易地想像和理解。雖然書中有不少數學公式,但作者總是會輔以清晰的圖示和文字解釋,讓我能夠抓住核心的思路,而不至於被數學符號所困擾。我對書中介紹的各種模擬案例印象深刻,像是汽車在高速行駛時的空氣動力學,或是飛機起飛時的氣流狀況,這些都是我日常生活中能夠接觸到的場景,通過CFD的視角來觀察,我發現了許多之前從未注意到的細節。書中也介紹了一些簡單的CFD入門級別的程式碼範例,雖然我可能無法完全理解其中的所有細節,但能夠看到計算機是如何將物理定律轉化為模擬結果的,這本身就非常有趣。我認為這本書的價值在於它能夠讓非專業讀者也能夠窺見CFD的魅力,並且對科學研究產生更深的興趣。它就像是一扇窗戶,讓我能夠看到一個神奇而又充滿智慧的科學世界。

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這本《Computational Fluid Dynamics》的出現,對於我這個在業界摸爬滾打了幾年的機械工程師來說,簡直是一場及時雨。我們公司在產品開發過程中,越來越常遇到需要進行複雜流體模擬的專案,而過去我們主要依賴一些現成的商業軟體,雖然方便,但往往對於軟體背後的原理理解不夠深入,遇到一些特殊的、非標準的問題時,就顯得力不從心。這本書恰好填補了這個知識上的空白。它的內容編排非常符合工程應用的邏輯,不會像純學術書籍那樣過於強調理論的完備性,而是將重點放在如何將CFD技術應用於解決實際工程問題。我特別讚賞作者在介紹各種數值離散方法時,所採用的“由淺入深”的策略。他們首先解釋了最基本的核心概念,然後逐步引入更複雜的離散化技巧,並且針對不同的離散方法,提供了清晰的數學推導和圖形化的解釋。這使得我能夠快速掌握各種方法的原理,並且能夠評估它們在不同邊界條件和流場特性下的表現。書中大量的範例,涵蓋了從熱傳遞、多相流到燃燒模擬等各種常見的工程應用場景,這些都與我日常的工作息息相關。特別是關於湍流模型的部分,作者不僅介紹了RANS、LES等主流模型,還詳細探討了它們的適用範圍、優缺點以及模型參數的選擇,這對於進行高精度模擬至關重要。書中還包含了大量關於數值求解器的介紹,包括壓力-速度耦合算法、求解線性方程組的方法等等,這些都是影響模擬效率和精度的關鍵。我認為這本書的價值在於它能夠幫助工程師們不僅僅是“操作”CFD軟體,而是真正“理解”CFD的原理,從而能夠更有效地利用這些工具,甚至在需要時進行客製化的開發。

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