非結構網格計算格式研究及環境湍流模擬 pdf epub mobi txt 電子書 下載 2025

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華祖林，邢領航，顧莉 等 著

圖書標籤:

• 非結構網格
• 計算流體力學
• 環境湍流
• 數值模擬
• 格式研究
• CFD
• 湍流模型
• 網格生成
• 科學計算
• 數值方法

齣版社： 科學齣版社

ISBN：9787030285263

版次：1

商品編碼：10321048

包裝：精裝

開本：16開

齣版時間：2010-08-01

頁數：203

正文語種：中文

內容簡介

《非結構網格計算格式研究及環境湍流模擬》對基於有限體積法下壓力校正法的非結構網格數值計算格式的性能進行瞭探討，首先針對對流項離散格式，對高階的QQUICK和NQQUICK格式來綜閤研究在非結構網格下的網格獨立性能、收斂性能、計算精度以及CPU耗時等，並與一階迎風格式（UDS）、中心差分格式（CDS）、混閤格式（HDS）、冪率格式（PDS）等進行瞭比較；其次分彆對方嚮導數法、格林函數法、仿動量插值法或正交校正法、法嚮導數法、簡化法嚮導數法、最小校正法、超鬆弛校正法或梯度復閤法等七種擴散通量計算方法進行瞭比較，包括計算精度、對網格變形的適應能力、收斂速度以及CPU耗時等。《非結構網格計算格式研究及環境湍流模擬》還將非結構網格優選的組閤計算格式應用到實際環境湍流的模擬中，並推導建立瞭新的水深平均二維顯格式代數應力模型（DEASM）；提齣瞭一種改進的三維顯格式主動標量通量代數應力模型（EASFM），以非結構網格對三維分層剪切繞流案例進行瞭數值模擬計算。
《非結構網格計算格式研究及環境湍流模擬》可供從事環境水利、環境工程、水動力與水環境模擬、計算水力學等領域的科研人員閱讀，亦可供大專院校、相關專業的高校教師、研究生作參考用書。

目錄

前言
第1章 基於非結構網格SMPLE類算法數值計算格式
1.1 研究進展
1.1.1 不可壓流的求解方法
1.1 _2非結構網格下的數值通量算法
1.2 基於SIMPLE類算法的非結構網格數值計算格式
1.2.1 基本方程
1.2.2 通用方程離散
1.2.3 壓力校正方程（SIMPLE、SIMPLEC算法）
1.2.4 邊界條件
1.2.5 綫性方程組求解
參考文獻

第2章 非結構網格下對流項離散格式的數值性能研究
2.1 方腔流算例
2.1.1 二維90方腔流算例（Re=1000和Re=3200）
2.1.2 二維30斜方腔流算例（Re-1000）
2.1.3 二維方腔流算例
2.2 汙染物的對流擴散算例
2.2.1 二維對流擴散方程算例
2.2.2 三維對流擴散方程算例
2.3 漸擴流算例
2.4 圓柱繞流算例
2.4.1 二維圓柱繞流算例
2.4.2 三維圓柱繞流算例
參考文獻

第3章 非結構網格下各種擴散項梯度計算方法的綜閤數值性能比較
3.1 泊鬆方程算例
3.1.1 各種校正方法下的泊鬆方程離散形式
3.1.2 二維泊鬆方程算例
3.1.3 三維泊鬆方程算例
3.2 不可壓方腔流算例
3.2.1 不同校正方法下的不可壓NS方程離散形式
3.2.2 二維方腔流算例
3.2 3三維方腔流算例
3.3 汙染物的對流擴散算例
3.3.1 二維對流擴散方程算例
3.3.2 三維對流擴散方程算例
參考文獻

第4章 非結構網格下多種壓力校正算法及其對速度和壓力欠鬆弛係數的影響研究
4.1 多種壓力校正算法
4.2 二維結構化網格
4.2.1 各種壓力校正算法在Re=100的15。～165。斜方腔流中的優劣性能比較
4.2.2 各種壓力校正算法在30斜方腔流下對速度欠鬆弛係數的影響
4.2.3 各種壓力校正算法在Re=100和Re=1000的30。斜方腔流下對壓力欠鬆弛係數的影響
4.3 二維非結構化網格
4.3.1 各種壓力校正算法在30。斜方腔流下對速度欠鬆弛係數的影響
4.3.2 各種壓力校正算法在30。斜方腔流下對壓力欠鬆弛係數的影響
4.4 三維非結構化網格
4.4.1 各種壓力校正算法在三維方腔流下對速度欠鬆弛係數的影響
4.4.2 各種壓力校正算法在三維方腔流下對壓力欠鬆弛係數的影響
參考文獻

第5章 非結構網格下淺水流及汙染物輸運模擬
5.1 淺水流水深平均的湍流模型
5.1.1 水深平均的定義和簡化假定
5.1.2 水深平均的混閤長模型
5.1.3 水深平均的k模型（EKE）
5.1.4 水深平均的代數應力模型（DASM）
5.1.5 水深平均的顯格式代數應力模型（DEASM）
5.1.6 方程統一的離散形式
5.1.7 水位校正方程
5.2 丁壩繞流數值模擬
5.2.1 基本方程
5.2.2 邊界條件
5.2.3 初始條件
5.2.4 計算結果
5.3 湄洲灣潮流及汙染物輸運的非結構網格數值模擬
5.3.1 湄洲灣潮流模擬
5.3.2 湄洲灣汙染物輸運模擬
參考文獻

第6章 改進的顯式代數應力通量模型及其三維非結構網格模擬
6.1 引言
6.2 顯格式代數應力通量模型進展簡述
6.2.1 雷諾應力顯格式代數應力模型進展
6.2.2 標量通量顯格式代數應力模型進展
6.3 改進的顯格式代數應力通量模型
6.3.1 顯格式雷諾應力的代數錶達式
6.3.2 改進的顯式主動標量通量代數錶達式的導齣
6.4 顯式代數應力通量模型的三維非結構網格模擬
6.4.1 基本方程
6.4.2 邊界條件
6.4.3 數值求解
6.4.4 剪切溫分層流和剪切溫分層繞流算例計算
參考文獻

精彩書摘

第1章基於非結構網格SIMPLE類算法
數值計算格式
在環境水力學問題研究中，數值模擬已經成為研究水體流動及物質輸運的一種極為重要的手段。相對於物理模型和現場試驗而言，它在時間和費用上均占有很大的優勢，因此得到瞭越來越廣泛的應用。近些年來，隨著數值求解技術的日臻完善和計算機技術的飛速發展，非結構化網格在水動力及汙染物輸運模擬中備受矚目。由於非結構化網格在單元剖分上非常靈活，網格形狀也不受限製，因而在貼閤復雜幾何邊界的能力上顯示齣非常強大的優勢。
目前，水流及物質輸運模擬的數值方法常用的有有限差分法、有限元方法、有限體積法、有限分析法、特徵綫法等。其中有限體積法源自錶達流體運動守恒規律的守恒型方程的數值求解，其優點是在一個控製體內進而在整個計算域內，所有的物理量均滿足積分守恒的性質，不存在守恒誤差，並且能正確計算間斷。此外，有限體積法既能體現有限元法的幾何靈活性又能發揮經典有限差分法的效率和守恒性，特彆是結閤非結構網格計算，能夠使得程序在通用性和擴展性方麵明顯增強，提高瞭計算模擬精度，並且在一定程度上剋服瞭計算過程中的非綫性乾擾。因此，非結構網格的有限體積法已經成為環境水力學數值模擬的主流方法之一，並在水流及物質輸運問題的計算中發揮瞭重要的作用。本章將結閤SIMPLE類算法著重介紹有限體積法下的非結構網格數值計算格式。

前言/序言

　　對水流及汙染物在水體中的輸運研究，數值模擬一直是其有力的手段。近年來，貼閤幾何邊界能力極強的非結構網格在水動力及水環境數值模擬中得到瞭越來越廣泛的應用，並逐漸成為環境水力模擬中的主流方法之一。非結構網格不僅大大增強瞭計算網格對復雜自然幾何邊界的貼閤能力，提高瞭單元剖分的靈活性和采用網格形狀的任意性，而且還使得程序在通用性和擴展性方麵顯著提高。但是由於非結構化網格幾何拓撲結構的復雜性，一些在結構網格下比較成熟的高階格式難以直接使用，因此探索非結構網格下計算精度較高、數值穩定性能良好的水流及汙染物輸運計算格式是一項十分迫切與有意義的工作。
　　本書基於有限體積法和SIMPLE類算法對非結構網格下水流及物質輸運模擬中的高精度計算格式作瞭較為深入的研究，將高階的QQUICK和NQQUICK格式與一階迎風格式（UDS）、中心差分格式（CDS）、混閤格式（HDS）、冪率格式（PDS）在非結構網格上的數值性能進行瞭探討；比較瞭方嚮導數法、格林函數法、仿動量插值法或正交校正法、法嚮導數法、簡化法嚮導數法、最小校正法、超鬆弛校正法或梯度復閤法等七種擴散通量計算方法；還將優選的非結構網格組閤計算格式應用到實際環境湍流的模擬中，同時推導建立瞭水深平均的二維顯式代數應力模型（[）EASM）；提齣瞭一種改進的三維顯式主動標量通量代數應力模型（。EAS-FM）。本書主要內容包括：
　　（1）第1章，基於非結構網格以有限體積法構建瞭SIMI’LE類算法通用離散方程式，給齣瞭QQUCK和NQ-QUICK兩種用於非結構網格下對流項計算的高階格式；介紹瞭七種擴散項通量計算方法：方嚮導數法、格林函數法、仿動量插值法或正交校正法、法嚮導數法、簡化法嚮導數法、最小校正法、超鬆弛校正法或梯度復閤法等，此外還推導瞭各種法嚮導數計算方法下對應的非齊次NeHITIYnan邊界條件的實施過程。
　　（2）第2章，首先從二維和三維方腔流人手，綜閤研究QQUICK和：NQ-QUICK兩種格式在非結構網格下的網格獨立性能、收斂性能、計算精度以及CPU耗時，並與一階迎風格式（UDS）、中心差分格式（CDS）、混閤格式（HDS）、冪率格式（PDS）等進行瞭比較。緊接著從汙染物的對流擴散輸運問題齣發，進一步分析瞭這兩種高階計算格式在對流擴散方程中的數值特性。最後將該高階格式應用於漸擴流和圓柱繞流中，並對計算的結果進行瞭分析和比對。

離散元方法在岩土工程中的應用：理論、模型與實踐 圖書簡介 本書深入探討瞭離散元方法（Discrete Element Method, DEM）在復雜岩土工程問題求解中的理論基礎、數值模型構建、以及實際工程應用。全書旨在為岩土工程、土木工程、結構工程、地球科學等領域的研究人員、工程師和高年級學生提供一本全麵、係統且具有實踐指導意義的參考著作。 第一部分：離散元方法基礎理論與演進 第一章：岩土介質的離散化思想與DEM的起源 本章首先迴顧瞭岩土介質的宏觀連續體特性與微觀顆粒結構之間的矛盾，闡述瞭將岩土體視為由離散顆粒集閤體這一基本假設的物理學基礎。詳細介紹瞭離散元方法的提齣背景，特彆是Cundall和Strack在1979年提齣的顯式時間積分算法，這是現代DEM模擬的基石。討論瞭DEM與有限元法（FEM）在處理非連續介質和接觸問題上的根本區彆。 第二章：顆粒間接觸模型的建立與力學基礎 接觸模型的選擇是DEM精度的核心。本章係統梳理瞭常見的接觸力學模型，包括： 1. 綫彈性接觸模型（Hertz-Mindlin模型）： 詳細推導瞭法嚮和切嚮接觸剛度的計算，以及如何引入粘滯阻尼來模擬能量耗散。特彆關注Hertz接觸模型在處理顆粒材料接觸時，接觸力隨接觸深度非綫性變化的機理。 2. 塑性與微觀尺度接觸模型： 引入瞭粘聚力、摩擦係數的確定方法，並探討瞭如何將粘性、蠕變等長期行為納入DEM框架，例如PFC軟件中常用的粘結模型（Bonded Particle Model, BPM）。 3. 接觸判定算法： 比較瞭球形顆粒、非球形顆粒（如凸多麵體、超級二次型）的接觸檢測算法，如最小距離法、包圍盒法等，分析瞭不同算法在計算效率和幾何精度上的權衡。 第三章：時間積分算法與穩定性分析 DEM屬於常微分方程組的初值問題求解，時間積分方案至關重要。本章聚焦於中心差分法（Central Difference Method）作為主要的顯式積分方法，詳細分析瞭其計算流程和誤差來源。 1. 時間步長的控製： 推導瞭保證數值穩定性的最大時間步長（Rayleigh時間步長）的解析錶達式，該錶達式與最小顆粒尺寸、材料的彈性模量和密度直接相關。 2. 隱式與半隱式方法探討： 簡要對比瞭隱式方法在處理剛性約束問題上的優勢與計算成本，並介紹瞭如何通過改進算法提高顯式方法的效率和穩定性。 第二部分：復雜岩土本構關係與多尺度模擬 第四章：岩土顆粒的形狀錶徵與構造 顆粒的幾何形狀直接影響材料的堆積密度、剪脹性和宏觀力學響應。本章重點討論： 1. 真實顆粒形狀的獲取與重構： 介紹瞭CT掃描、激光掃描等技術獲取真實顆粒形貌數據的方法，以及如何利用Superquadrics、Clumped Spheres（球團模型）等方法在數值上重建這些復雜形狀。 2. 顆粒組裝與隨機生成： 探討瞭如何高效地生成具有特定孔隙率和粒度分布的初始顆粒堆積體，包括隨機投射法和重力沉降模擬。 第五章：顆粒材料本構模型的引入與驗證 本章將DEM的微觀接觸模型與岩土工程中的宏觀本構關係（如Mohr-Coulomb屈服準則、Drucker-Prager準則）建立橋梁。 1. 從微觀到宏觀的量化： 闡述瞭如何通過一係列標準單軸和三軸加載試驗的DEM模擬，反演（Calibration）齣等效的宏觀材料參數，如內摩擦角、粘聚力和彈模。 2. 剪脹性與各嚮異性的模擬： 重點分析瞭DEM如何自然地捕捉顆粒重排導緻的體積變化（剪脹性），以及如何通過預先排列的顆粒結構模擬材料的初始各嚮異性。 第六章：水-土-骨架耦閤作用的DEM模擬 在飽和或非飽和土體中，孔隙流體與固體骨架的相互作用是關鍵。本章介紹瞭將流體力學與DEM耦閤的框架： 1. 流體力學方程的離散化： 討論瞭如何將Darcy定律或更復雜的Navier-Stokes方程引入到DEM時間步中，常見的方法是將流體壓力作為額外的作用力施加到顆粒上。 2. 有效應力原理的體現： 展示瞭DEM如何通過模擬孔隙水壓力的變化，來驗證Terzaghi有效應力原理在顆粒尺度上的成立性。 第三部分：工程應用實例與高級課題 第七章：邊坡穩定性與滑坡分析 本章應用DEM模擬瞭典型的邊坡失穩過程： 1. 失穩機理的可視化： 模擬瞭顆粒間的接觸力網絡重構和局部破壞鏈的形成，直觀展示瞭剪切帶的萌生與擴展過程，這在傳統連續介質方法中難以實現。 2. 坡頂位移與安全係數的確定： 探討瞭如何利用DEM模擬的極限荷載狀態，結閤特定的判據來評估邊坡的整體穩定性。 第八章：隧道開挖與支護結構相互作用 針對地下工程，本章聚焦於圍岩與支護係統的動態響應： 1. 開挖擾動與應力鬆弛： 模擬瞭隧道周邊的應力釋放和塑性區發展，分析瞭臨界麵上顆粒運動軌跡。 2. 支護結構的考慮： 介紹瞭如何將支護結構（如噴射混凝土、錨杆）作為剛性或彈性體與顆粒體進行耦閤計算，分析其對圍岩變形的控製效果。 第九章：地基承載力與深層基礎分析 本章將DEM應用於地基基礎工程，特彆是針對復雜土層條件： 1. 深層基礎的極限承載力預測： 模擬瞭樁基或沉箱在不同埋深和荷載條件下的破壞模式，與經典的極限平衡方法進行對比驗證。 2. 顆粒墊層與地基改良： 分析瞭利用碎石或級配良好的顆粒材料作為地基處理層時，DEM如何揭示其增強機理和應力分散效應。 第十章：DEM模擬的局限性、效率優化與未來展望 本書的最後一部分對DEM方法的當前挑戰進行瞭批判性審視，並展望瞭其發展方嚮。 1. 計算效率瓶頸： 詳細分析瞭DEM在處理大規模、細小顆粒問題時麵臨的計算量爆炸性增長問題，討論瞭並行計算（GPU加速、MPI/OpenMP）的策略。 2. 尺度關聯性挑戰： 探討瞭DEM模型中顆粒尺寸如何與宏觀工程尺度之間的尺度效應（Scale Effect）處理，以及如何通過多尺度耦閤（如DEM-FEM混閤模型）來剋服這一限製。 3. 前沿研究方嚮： 簡要介紹瞭DEM在岩爆、顆粒材料破碎、以及與人工智能結閤進行參數反演等新興領域的應用潛力。 全書內容嚴謹，圖錶豐富，不僅提供瞭紮實的理論框架，更側重於實際操作中的模型建立和結果解釋，是理解和應用離散元方法解決現代岩土工程挑戰的必備參考書。

評分☆☆☆☆☆

從整體閱讀體驗來看，這本書的學術深度毋庸置疑，它對非結構網格計算格式的理論基礎進行瞭極其嚴謹的剖析，每一個定義和推導都力求精確無誤，這對於從事底層算法研發的學者來說，絕對是一份寶貴的參考資料。然而，對於追求“易用性”和“問題解決效率”的讀者，這本書的門檻實在太高瞭。我嘗試對照書中的某個核心算法去復現一個簡單的二維流場案例，卻發現書中對關鍵參數的敏感性分析和誤差收斂的討論過於簡略。一個好的計算模擬工作，往往在於對輸入條件的微小變動如何影響最終結果的洞察力。這本書在這一點上顯得不夠“接地氣”。它似乎假設讀者已經完全掌握瞭如何構建一個穩定且高效的求解器，然後纔來探討格式層麵的優化。因此，我無法從中直接獲得關於如何“構建一個穩健的湍流模擬係統”的實用指導，它更像是一份關於“如何構建計算格式本身”的說明書，側重點存在明顯的偏差。

評分☆☆☆☆☆

這本書的印刷質量相當不錯，紙張的質感很厚實，油墨的附著力很均勻，即便是那些密密麻麻的公式和細小的圖例，看起來都非常清晰銳利，長時間閱讀眼睛也不會感到特彆疲勞，這一點對於這種高度依賴視覺信息的理工科書籍來說，是極其重要的加分項。但是，內容的組織結構上，我感覺有點跳躍性。它似乎更關注於“格式”本身的研究，也就是如何高效地存儲和處理非結構網格數據，而不是將這種格式作為工具服務於具體的物理模擬。我原本以為，既然書名提到瞭“環境湍流”，那麼會花更多篇幅介紹如何利用這種格式的優勢去捕捉那些復雜的渦鏇結構、邊界層分離等現象，並與傳統的結構網格方法做對比分析。結果，模擬部分似乎隻是作為一個引子，真正的重點還是停留在底層的數據結構和計算效率的優化上。這使得對於我這種希望通過先進計算手段來解決實際氣象問題的讀者來說，顯得有些“捨本逐末”瞭，核心應用場景的展示略顯單薄。

評分☆☆☆☆☆

我最近在研究城市風環境對建築能耗的影響，聽說非結構網格在處理復雜幾何體方麵有優勢，就入手瞭這本。拿到手時，我首先留意的是它的引用文獻部分，一份好的技術著作，其理論根基必然是紮實的。我快速瀏覽瞭一下參考文獻列錶，發現引用的都是近十年來國際頂級期刊上的論文，這無疑證明瞭作者在學術前沿的把握能力。然而，閱讀主體內容時，我發現瞭一個讓我感到睏惑的地方：對於“環境湍流模擬”這個應用方嚮，書中的論述顯得有些過於理論化，缺乏將這些高端計算方法落地到實際工程問題中的具體橋梁。例如，如何選擇閤適的湍流模型參數，如何將真實的城市地形數據導入並成功生成高質量的非結構網格，這些實踐中至關重要的一環，書中僅僅是一筆帶過，或者用高度抽象的語言概括瞭。我更希望看到的是一個完整的“從數據采集到結果可視化的”工作流程演示，而不是純粹的數學證明和算法細節的堆砌。這本書更像是為算法工程師準備的，而不是為應用型的環境工程師準備的。

評分☆☆☆☆☆

這本書的裝幀和排版給我一種非常嚴肅且略顯過時的感覺。封麵設計雖然努力想顯得現代，但內頁的字體選擇和章節標題的樣式，依然保留瞭上世紀末期一些老派教科書的風格，給人一種厚重、難以親近的印象。更關鍵的是，在閱讀過程中，我發現書中涉及的一些編程語言或軟件庫的引用，似乎並未完全同步於最新的行業標準。例如，在討論數據預處理和網格生成時，我期待能看到對現代並行計算框架（如OpenMP或更先進的GPU加速庫）的探討，以應對超大規模環境模擬所需的計算資源。但這本書的內容似乎更側重於對底層數值方法的深入挖掘，對如何利用現有硬件加速計算的提及相對較少。這讓我懷疑，即使我完全理解瞭書中的理論，將這些方法應用到當前的主流高性能計算平颱時，也可能需要進行大量的二次開發和適配工作，降低瞭其實用價值和前瞻性。

評分☆☆☆☆☆

這本書的封麵設計挺有意思的，那種深邃的藍色調，配上一些抽象的幾何圖形，讓人一眼就能感受到這是一本技術含量很高的專業書籍。我本來是想找一本關於計算流體力學基礎的入門讀物，結果被這標題吸引住瞭。書脊上的字體排版很講究，看得齣齣版方在裝幀設計上還是下瞭功夫的。不過，翻開內頁，我纔發現這書的深度遠超我的預期。那些復雜的公式和圖錶，對我這個初學者來說，簡直是天書。我期待的是能看到一些清晰的、步驟化的案例分析，哪怕是簡化版的也好，好讓我能對“網格計算”這個概念有個直觀的認識。但很遺憾，這本書似乎是寫給已經在這領域摸爬滾打多年的專傢看的，大量篇幅都在探討那些極其細微的數值精度和算法優化，對於建立宏觀理解幫助不大。我甚至花瞭好大力氣纔找到目錄中關於“湍流”二字的具體章節，但內容很快又陷入瞭更深層次的數學推導，這讓我有點氣餒。總的來說，它更像是一份高度濃縮的學術報告閤集，而非一本教學手冊。