非结构网格计算格式研究及环境湍流模拟 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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华祖林，邢领航，顾莉 等 著

图书标签:

• 非结构网格
• 计算流体力学
• 环境湍流
• 数值模拟
• 格式研究
• CFD
• 湍流模型
• 网格生成
• 科学计算
• 数值方法

出版社： 科学出版社

ISBN：9787030285263

版次：1

商品编码：10321048

包装：精装

开本：16开

出版时间：2010-08-01

页数：203

正文语种：中文

内容简介

《非结构网格计算格式研究及环境湍流模拟》对基于有限体积法下压力校正法的非结构网格数值计算格式的性能进行了探讨，首先针对对流项离散格式，对高阶的QQUICK和NQQUICK格式来综合研究在非结构网格下的网格独立性能、收敛性能、计算精度以及CPU耗时等，并与一阶迎风格式（UDS）、中心差分格式（CDS）、混合格式（HDS）、幂率格式（PDS）等进行了比较；其次分别对方向导数法、格林函数法、仿动量插值法或正交校正法、法向导数法、简化法向导数法、最小校正法、超松弛校正法或梯度复合法等七种扩散通量计算方法进行了比较，包括计算精度、对网格变形的适应能力、收敛速度以及CPU耗时等。《非结构网格计算格式研究及环境湍流模拟》还将非结构网格优选的组合计算格式应用到实际环境湍流的模拟中，并推导建立了新的水深平均二维显格式代数应力模型（DEASM）；提出了一种改进的三维显格式主动标量通量代数应力模型（EASFM），以非结构网格对三维分层剪切绕流案例进行了数值模拟计算。
《非结构网格计算格式研究及环境湍流模拟》可供从事环境水利、环境工程、水动力与水环境模拟、计算水力学等领域的科研人员阅读，亦可供大专院校、相关专业的高校教师、研究生作参考用书。

目录

前言
第1章 基于非结构网格SMPLE类算法数值计算格式
1.1 研究进展
1.1.1 不可压流的求解方法
1.1 _2非结构网格下的数值通量算法
1.2 基于SIMPLE类算法的非结构网格数值计算格式
1.2.1 基本方程
1.2.2 通用方程离散
1.2.3 压力校正方程（SIMPLE、SIMPLEC算法）
1.2.4 边界条件
1.2.5 线性方程组求解
参考文献

第2章 非结构网格下对流项离散格式的数值性能研究
2.1 方腔流算例
2.1.1 二维90方腔流算例（Re=1000和Re=3200）
2.1.2 二维30斜方腔流算例（Re-1000）
2.1.3 二维方腔流算例
2.2 污染物的对流扩散算例
2.2.1 二维对流扩散方程算例
2.2.2 三维对流扩散方程算例
2.3 渐扩流算例
2.4 圆柱绕流算例
2.4.1 二维圆柱绕流算例
2.4.2 三维圆柱绕流算例
参考文献

第3章 非结构网格下各种扩散项梯度计算方法的综合数值性能比较
3.1 泊松方程算例
3.1.1 各种校正方法下的泊松方程离散形式
3.1.2 二维泊松方程算例
3.1.3 三维泊松方程算例
3.2 不可压方腔流算例
3.2.1 不同校正方法下的不可压NS方程离散形式
3.2.2 二维方腔流算例
3.2 3三维方腔流算例
3.3 污染物的对流扩散算例
3.3.1 二维对流扩散方程算例
3.3.2 三维对流扩散方程算例
参考文献

第4章 非结构网格下多种压力校正算法及其对速度和压力欠松弛系数的影响研究
4.1 多种压力校正算法
4.2 二维结构化网格
4.2.1 各种压力校正算法在Re=100的15。～165。斜方腔流中的优劣性能比较
4.2.2 各种压力校正算法在30斜方腔流下对速度欠松弛系数的影响
4.2.3 各种压力校正算法在Re=100和Re=1000的30。斜方腔流下对压力欠松弛系数的影响
4.3 二维非结构化网格
4.3.1 各种压力校正算法在30。斜方腔流下对速度欠松弛系数的影响
4.3.2 各种压力校正算法在30。斜方腔流下对压力欠松弛系数的影响
4.4 三维非结构化网格
4.4.1 各种压力校正算法在三维方腔流下对速度欠松弛系数的影响
4.4.2 各种压力校正算法在三维方腔流下对压力欠松弛系数的影响
参考文献

第5章 非结构网格下浅水流及污染物输运模拟
5.1 浅水流水深平均的湍流模型
5.1.1 水深平均的定义和简化假定
5.1.2 水深平均的混合长模型
5.1.3 水深平均的k模型（EKE）
5.1.4 水深平均的代数应力模型（DASM）
5.1.5 水深平均的显格式代数应力模型（DEASM）
5.1.6 方程统一的离散形式
5.1.7 水位校正方程
5.2 丁坝绕流数值模拟
5.2.1 基本方程
5.2.2 边界条件
5.2.3 初始条件
5.2.4 计算结果
5.3 湄洲湾潮流及污染物输运的非结构网格数值模拟
5.3.1 湄洲湾潮流模拟
5.3.2 湄洲湾污染物输运模拟
参考文献

第6章 改进的显式代数应力通量模型及其三维非结构网格模拟
6.1 引言
6.2 显格式代数应力通量模型进展简述
6.2.1 雷诺应力显格式代数应力模型进展
6.2.2 标量通量显格式代数应力模型进展
6.3 改进的显格式代数应力通量模型
6.3.1 显格式雷诺应力的代数表达式
6.3.2 改进的显式主动标量通量代数表达式的导出
6.4 显式代数应力通量模型的三维非结构网格模拟
6.4.1 基本方程
6.4.2 边界条件
6.4.3 数值求解
6.4.4 剪切温分层流和剪切温分层绕流算例计算
参考文献

精彩书摘

第1章基于非结构网格SIMPLE类算法
数值计算格式
在环境水力学问题研究中，数值模拟已经成为研究水体流动及物质输运的一种极为重要的手段。相对于物理模型和现场试验而言，它在时间和费用上均占有很大的优势，因此得到了越来越广泛的应用。近些年来，随着数值求解技术的日臻完善和计算机技术的飞速发展，非结构化网格在水动力及污染物输运模拟中备受瞩目。由于非结构化网格在单元剖分上非常灵活，网格形状也不受限制，因而在贴合复杂几何边界的能力上显示出非常强大的优势。
目前，水流及物质输运模拟的数值方法常用的有有限差分法、有限元方法、有限体积法、有限分析法、特征线法等。其中有限体积法源自表达流体运动守恒规律的守恒型方程的数值求解，其优点是在一个控制体内进而在整个计算域内，所有的物理量均满足积分守恒的性质，不存在守恒误差，并且能正确计算间断。此外，有限体积法既能体现有限元法的几何灵活性又能发挥经典有限差分法的效率和守恒性，特别是结合非结构网格计算，能够使得程序在通用性和扩展性方面明显增强，提高了计算模拟精度，并且在一定程度上克服了计算过程中的非线性干扰。因此，非结构网格的有限体积法已经成为环境水力学数值模拟的主流方法之一，并在水流及物质输运问题的计算中发挥了重要的作用。本章将结合SIMPLE类算法着重介绍有限体积法下的非结构网格数值计算格式。

前言/序言

　　对水流及污染物在水体中的输运研究，数值模拟一直是其有力的手段。近年来，贴合几何边界能力极强的非结构网格在水动力及水环境数值模拟中得到了越来越广泛的应用，并逐渐成为环境水力模拟中的主流方法之一。非结构网格不仅大大增强了计算网格对复杂自然几何边界的贴合能力，提高了单元剖分的灵活性和采用网格形状的任意性，而且还使得程序在通用性和扩展性方面显著提高。但是由于非结构化网格几何拓扑结构的复杂性，一些在结构网格下比较成熟的高阶格式难以直接使用，因此探索非结构网格下计算精度较高、数值稳定性能良好的水流及污染物输运计算格式是一项十分迫切与有意义的工作。
　　本书基于有限体积法和SIMPLE类算法对非结构网格下水流及物质输运模拟中的高精度计算格式作了较为深入的研究，将高阶的QQUICK和NQQUICK格式与一阶迎风格式（UDS）、中心差分格式（CDS）、混合格式（HDS）、幂率格式（PDS）在非结构网格上的数值性能进行了探讨；比较了方向导数法、格林函数法、仿动量插值法或正交校正法、法向导数法、简化法向导数法、最小校正法、超松弛校正法或梯度复合法等七种扩散通量计算方法；还将优选的非结构网格组合计算格式应用到实际环境湍流的模拟中，同时推导建立了水深平均的二维显式代数应力模型（[）EASM）；提出了一种改进的三维显式主动标量通量代数应力模型（。EAS-FM）。本书主要内容包括：
　　（1）第1章，基于非结构网格以有限体积法构建了SIMI’LE类算法通用离散方程式，给出了QQUCK和NQ-QUICK两种用于非结构网格下对流项计算的高阶格式；介绍了七种扩散项通量计算方法：方向导数法、格林函数法、仿动量插值法或正交校正法、法向导数法、简化法向导数法、最小校正法、超松弛校正法或梯度复合法等，此外还推导了各种法向导数计算方法下对应的非齐次NeHITIYnan边界条件的实施过程。
　　（2）第2章，首先从二维和三维方腔流人手，综合研究QQUICK和：NQ-QUICK两种格式在非结构网格下的网格独立性能、收敛性能、计算精度以及CPU耗时，并与一阶迎风格式（UDS）、中心差分格式（CDS）、混合格式（HDS）、幂率格式（PDS）等进行了比较。紧接着从污染物的对流扩散输运问题出发，进一步分析了这两种高阶计算格式在对流扩散方程中的数值特性。最后将该高阶格式应用于渐扩流和圆柱绕流中，并对计算的结果进行了分析和比对。

离散元方法在岩土工程中的应用：理论、模型与实践 图书简介 本书深入探讨了离散元方法（Discrete Element Method, DEM）在复杂岩土工程问题求解中的理论基础、数值模型构建、以及实际工程应用。全书旨在为岩土工程、土木工程、结构工程、地球科学等领域的研究人员、工程师和高年级学生提供一本全面、系统且具有实践指导意义的参考著作。 第一部分：离散元方法基础理论与演进 第一章：岩土介质的离散化思想与DEM的起源 本章首先回顾了岩土介质的宏观连续体特性与微观颗粒结构之间的矛盾，阐述了将岩土体视为由离散颗粒集合体这一基本假设的物理学基础。详细介绍了离散元方法的提出背景，特别是Cundall和Strack在1979年提出的显式时间积分算法，这是现代DEM模拟的基石。讨论了DEM与有限元法（FEM）在处理非连续介质和接触问题上的根本区别。 第二章：颗粒间接触模型的建立与力学基础 接触模型的选择是DEM精度的核心。本章系统梳理了常见的接触力学模型，包括： 1. 线弹性接触模型（Hertz-Mindlin模型）： 详细推导了法向和切向接触刚度的计算，以及如何引入粘滞阻尼来模拟能量耗散。特别关注Hertz接触模型在处理颗粒材料接触时，接触力随接触深度非线性变化的机理。 2. 塑性与微观尺度接触模型： 引入了粘聚力、摩擦系数的确定方法，并探讨了如何将粘性、蠕变等长期行为纳入DEM框架，例如PFC软件中常用的粘结模型（Bonded Particle Model, BPM）。 3. 接触判定算法： 比较了球形颗粒、非球形颗粒（如凸多面体、超级二次型）的接触检测算法，如最小距离法、包围盒法等，分析了不同算法在计算效率和几何精度上的权衡。 第三章：时间积分算法与稳定性分析 DEM属于常微分方程组的初值问题求解，时间积分方案至关重要。本章聚焦于中心差分法（Central Difference Method）作为主要的显式积分方法，详细分析了其计算流程和误差来源。 1. 时间步长的控制： 推导了保证数值稳定性的最大时间步长（Rayleigh时间步长）的解析表达式，该表达式与最小颗粒尺寸、材料的弹性模量和密度直接相关。 2. 隐式与半隐式方法探讨： 简要对比了隐式方法在处理刚性约束问题上的优势与计算成本，并介绍了如何通过改进算法提高显式方法的效率和稳定性。 第二部分：复杂岩土本构关系与多尺度模拟 第四章：岩土颗粒的形状表征与构造 颗粒的几何形状直接影响材料的堆积密度、剪胀性和宏观力学响应。本章重点讨论： 1. 真实颗粒形状的获取与重构： 介绍了CT扫描、激光扫描等技术获取真实颗粒形貌数据的方法，以及如何利用Superquadrics、Clumped Spheres（球团模型）等方法在数值上重建这些复杂形状。 2. 颗粒组装与随机生成： 探讨了如何高效地生成具有特定孔隙率和粒度分布的初始颗粒堆积体，包括随机投射法和重力沉降模拟。 第五章：颗粒材料本构模型的引入与验证 本章将DEM的微观接触模型与岩土工程中的宏观本构关系（如Mohr-Coulomb屈服准则、Drucker-Prager准则）建立桥梁。 1. 从微观到宏观的量化： 阐述了如何通过一系列标准单轴和三轴加载试验的DEM模拟，反演（Calibration）出等效的宏观材料参数，如内摩擦角、粘聚力和弹模。 2. 剪胀性与各向异性的模拟： 重点分析了DEM如何自然地捕捉颗粒重排导致的体积变化（剪胀性），以及如何通过预先排列的颗粒结构模拟材料的初始各向异性。 第六章：水-土-骨架耦合作用的DEM模拟 在饱和或非饱和土体中，孔隙流体与固体骨架的相互作用是关键。本章介绍了将流体力学与DEM耦合的框架： 1. 流体力学方程的离散化： 讨论了如何将Darcy定律或更复杂的Navier-Stokes方程引入到DEM时间步中，常见的方法是将流体压力作为额外的作用力施加到颗粒上。 2. 有效应力原理的体现： 展示了DEM如何通过模拟孔隙水压力的变化，来验证Terzaghi有效应力原理在颗粒尺度上的成立性。 第三部分：工程应用实例与高级课题 第七章：边坡稳定性与滑坡分析 本章应用DEM模拟了典型的边坡失稳过程： 1. 失稳机理的可视化： 模拟了颗粒间的接触力网络重构和局部破坏链的形成，直观展示了剪切带的萌生与扩展过程，这在传统连续介质方法中难以实现。 2. 坡顶位移与安全系数的确定： 探讨了如何利用DEM模拟的极限荷载状态，结合特定的判据来评估边坡的整体稳定性。 第八章：隧道开挖与支护结构相互作用 针对地下工程，本章聚焦于围岩与支护系统的动态响应： 1. 开挖扰动与应力松弛： 模拟了隧道周边的应力释放和塑性区发展，分析了临界面上颗粒运动轨迹。 2. 支护结构的考虑： 介绍了如何将支护结构（如喷射混凝土、锚杆）作为刚性或弹性体与颗粒体进行耦合计算，分析其对围岩变形的控制效果。 第九章：地基承载力与深层基础分析 本章将DEM应用于地基基础工程，特别是针对复杂土层条件： 1. 深层基础的极限承载力预测： 模拟了桩基或沉箱在不同埋深和荷载条件下的破坏模式，与经典的极限平衡方法进行对比验证。 2. 颗粒垫层与地基改良： 分析了利用碎石或级配良好的颗粒材料作为地基处理层时，DEM如何揭示其增强机理和应力分散效应。 第十章：DEM模拟的局限性、效率优化与未来展望 本书的最后一部分对DEM方法的当前挑战进行了批判性审视，并展望了其发展方向。 1. 计算效率瓶颈： 详细分析了DEM在处理大规模、细小颗粒问题时面临的计算量爆炸性增长问题，讨论了并行计算（GPU加速、MPI/OpenMP）的策略。 2. 尺度关联性挑战： 探讨了DEM模型中颗粒尺寸如何与宏观工程尺度之间的尺度效应（Scale Effect）处理，以及如何通过多尺度耦合（如DEM-FEM混合模型）来克服这一限制。 3. 前沿研究方向： 简要介绍了DEM在岩爆、颗粒材料破碎、以及与人工智能结合进行参数反演等新兴领域的应用潜力。 全书内容严谨，图表丰富，不仅提供了扎实的理论框架，更侧重于实际操作中的模型建立和结果解释，是理解和应用离散元方法解决现代岩土工程挑战的必备参考书。

评分☆☆☆☆☆

这本书的封面设计挺有意思的，那种深邃的蓝色调，配上一些抽象的几何图形，让人一眼就能感受到这是一本技术含量很高的专业书籍。我本来是想找一本关于计算流体力学基础的入门读物，结果被这标题吸引住了。书脊上的字体排版很讲究，看得出出版方在装帧设计上还是下了功夫的。不过，翻开内页，我才发现这书的深度远超我的预期。那些复杂的公式和图表，对我这个初学者来说，简直是天书。我期待的是能看到一些清晰的、步骤化的案例分析，哪怕是简化版的也好，好让我能对“网格计算”这个概念有个直观的认识。但很遗憾，这本书似乎是写给已经在这领域摸爬滚打多年的专家看的，大量篇幅都在探讨那些极其细微的数值精度和算法优化，对于建立宏观理解帮助不大。我甚至花了好大力气才找到目录中关于“湍流”二字的具体章节，但内容很快又陷入了更深层次的数学推导，这让我有点气馁。总的来说，它更像是一份高度浓缩的学术报告合集，而非一本教学手册。

评分☆☆☆☆☆

从整体阅读体验来看，这本书的学术深度毋庸置疑，它对非结构网格计算格式的理论基础进行了极其严谨的剖析，每一个定义和推导都力求精确无误，这对于从事底层算法研发的学者来说，绝对是一份宝贵的参考资料。然而，对于追求“易用性”和“问题解决效率”的读者，这本书的门槛实在太高了。我尝试对照书中的某个核心算法去复现一个简单的二维流场案例，却发现书中对关键参数的敏感性分析和误差收敛的讨论过于简略。一个好的计算模拟工作，往往在于对输入条件的微小变动如何影响最终结果的洞察力。这本书在这一点上显得不够“接地气”。它似乎假设读者已经完全掌握了如何构建一个稳定且高效的求解器，然后才来探讨格式层面的优化。因此，我无法从中直接获得关于如何“构建一个稳健的湍流模拟系统”的实用指导，它更像是一份关于“如何构建计算格式本身”的说明书，侧重点存在明显的偏差。

评分☆☆☆☆☆

这本书的印刷质量相当不错，纸张的质感很厚实，油墨的附着力很均匀，即便是那些密密麻麻的公式和细小的图例，看起来都非常清晰锐利，长时间阅读眼睛也不会感到特别疲劳，这一点对于这种高度依赖视觉信息的理工科书籍来说，是极其重要的加分项。但是，内容的组织结构上，我感觉有点跳跃性。它似乎更关注于“格式”本身的研究，也就是如何高效地存储和处理非结构网格数据，而不是将这种格式作为工具服务于具体的物理模拟。我原本以为，既然书名提到了“环境湍流”，那么会花更多篇幅介绍如何利用这种格式的优势去捕捉那些复杂的涡旋结构、边界层分离等现象，并与传统的结构网格方法做对比分析。结果，模拟部分似乎只是作为一个引子，真正的重点还是停留在底层的数据结构和计算效率的优化上。这使得对于我这种希望通过先进计算手段来解决实际气象问题的读者来说，显得有些“舍本逐末”了，核心应用场景的展示略显单薄。

评分☆☆☆☆☆

我最近在研究城市风环境对建筑能耗的影响，听说非结构网格在处理复杂几何体方面有优势，就入手了这本。拿到手时，我首先留意的是它的引用文献部分，一份好的技术著作，其理论根基必然是扎实的。我快速浏览了一下参考文献列表，发现引用的都是近十年来国际顶级期刊上的论文，这无疑证明了作者在学术前沿的把握能力。然而，阅读主体内容时，我发现了一个让我感到困惑的地方：对于“环境湍流模拟”这个应用方向，书中的论述显得有些过于理论化，缺乏将这些高端计算方法落地到实际工程问题中的具体桥梁。例如，如何选择合适的湍流模型参数，如何将真实的城市地形数据导入并成功生成高质量的非结构网格，这些实践中至关重要的一环，书中仅仅是一笔带过，或者用高度抽象的语言概括了。我更希望看到的是一个完整的“从数据采集到结果可视化的”工作流程演示，而不是纯粹的数学证明和算法细节的堆砌。这本书更像是为算法工程师准备的，而不是为应用型的环境工程师准备的。

评分☆☆☆☆☆

这本书的装帧和排版给我一种非常严肃且略显过时的感觉。封面设计虽然努力想显得现代，但内页的字体选择和章节标题的样式，依然保留了上世纪末期一些老派教科书的风格，给人一种厚重、难以亲近的印象。更关键的是，在阅读过程中，我发现书中涉及的一些编程语言或软件库的引用，似乎并未完全同步于最新的行业标准。例如，在讨论数据预处理和网格生成时，我期待能看到对现代并行计算框架（如OpenMP或更先进的GPU加速库）的探讨，以应对超大规模环境模拟所需的计算资源。但这本书的内容似乎更侧重于对底层数值方法的深入挖掘，对如何利用现有硬件加速计算的提及相对较少。这让我怀疑，即使我完全理解了书中的理论，将这些方法应用到当前的主流高性能计算平台时，也可能需要进行大量的二次开发和适配工作，降低了其实用价值和前瞻性。