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出版社： 清华大学出版社

ISBN：9787302095033

商品编码：10466303475

 

基本信息

书名:北京高等教育精品教材·计算流体动力学分析：CFD软件原理与应用

定价：29.00元

作者:王福军 著

出版社：清华大学出版社

出版日期：2004-09

ISBN：9787302095033

字数：420000

页码：272

版次：1

装帧：平装

开本：16开

 

 

目录

第1章 计算流动力学基础知识

n1.1 计算流动力学概述
n1.2 流体与流动的基本特性
n1.3 流动动力学控制方程
n1.4 对控制方程的进一步讨论
n1.5 CFD的求解方程
n1.6 CFD软件结构
n1.7 常用的CFD商用软件
n第2章 基于有限体积法的控制方程离散
n2.1 离散化概述
n2.2 有限体积法及其钢格简介
n2.3 求解-维稳态问题的有限体积法
n2.4 常用的离散格式
n2.5 空间离散的高阶离散格式
n2.6 各种离散式的性能对比
n2.7 一维瞬态问题的有限体积法
n2.8 关于有限体积法的进一步讨论
n2.9 二维与三维问题
n2.10 本章小结
n2.11 复习思考题
n第3章 基于SIMPLE算法的流场数值计算
n3.1 流场数值解法概述
n3.2 交错网格及其应用
n3.3 流场计算的SIMPLE算法
n3.4 SIMPLER/SIMPLEC/PISO算法
n3.5 瞬态问题的数值计算
n3.6 基于同位网格的SIMPLE算法
n3.7 基于结构网络的SIMPLE算法
n3.8 离散方程组的基本解法
n3.9 本章小结
n3.10 复习思考题
n第4章 三维流模型及其在CFD中的应用
n4.1 湍流及其数学描述
n4.2 湍流的数值模拟方法简介
n4.3 零方程模型及一方程模型
n4.4 标准模型的定义
n4.5 RNG模型和Realizable模型
n4.6 在近壁区使用模型的问题及对策
n4.7 Reynolds应力方程模型
n4.8 代数应力方程模型
n4.9 大涡模拟
n4.10 本章小结
n4.11 复习思考题
n第5章 边界条件的应用
n5.1 边界条件概述
n5.2 流动进口边界条件
n5.3 流动出口边界条件
n5.4 壁面条件
n5.5 恒压边界条件
n5.6 对称边界条件与周期性边界条件
n5.7 使用边界条件时的注意事项
n5.8 初始条件
n5.9 本章小结
n5.10 复习思考题
n第6章 网格的生成
n第7章 FLUENT软件的基本用法
n第8章 CFD综合应用实例

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内容提要

《北京高等教育精品教材·计算流体动力学分析：CFD软件原理与应用》是一本介绍计算流体动力学（CFD）理论知识和CFD软件开发、应用指导性教材。全书共分八章，前五章以有限体积法为核心，介绍流体流动与热传问题的控制方程、空间及时间离散格式、湍流模型及数值解法，后三章结合FLUENT软件，以实例的方式介绍CFD软件原理及其在流场分析、传热计算及多相流模拟等方面的应用。实用性和新颖性是本书的特点。

n 《北京高等教育精品教材·计算流体动力学分析：CFD软件原理与应用》可作为动力、能源、水利、航空、冶金、海洋、环境、气象、流体工程等专业领域的研究生和本科生教材，也可供上述领域的科技人员，特别是从事CFD模拟的人员参考。

 

流体力学基础与数值模拟方法：理论、算法与应用 本书旨在深入浅出地介绍流体力学这一复杂而迷人的学科，并重点阐述支撑现代工程分析和科学研究的数值模拟方法——计算流体力学（CFD）的原理与实际应用。本书面向的读者群体广泛，包括但不限于： 对流体力学现象及其背后物理规律充满好奇的本科生和研究生。 希望掌握流体模拟技术以解决实际工程问题的工程师（如航空航天、汽车、能源、环境、生物医学等领域）。 从事相关科学研究，需要借助CFD进行数值实验和理论验证的科研人员。 希望了解CFD软件如何工作的技术开发者和系统集成商。 本书结构清晰，逻辑严谨，内容涵盖从基础理论到高级应用的完整链条，力求为读者打下坚实的理论基础，同时培养独立运用CFD解决实际问题的能力。 第一部分：流体力学基本理论 本部分将引导读者循序渐进地理解流体力学的基本概念、物理定律以及描述流体行为的关键方程。 第一章：流体及其基本性质 流体的定义与分类： 介绍什么是流体，区分连续介质与离散介质，并对牛顿流体和非牛顿流体进行辨析。 流体的物理性质： 详细讲解密度、压力、温度、粘度（动力粘度和运动粘度）、表面张力、压缩性等关键性质，并阐述它们如何影响流体行为。 流体微元分析： 引入流体微元的概念，为后续的微元分析和方程推导奠定基础。 流体运动的描述方法： 讲解拉格朗日描述和欧拉描述两种描述流体运动的方式，以及它们各自的优缺点和适用场景。 流体运动的几何描述： 介绍迹线、流线、脉线等概念，以及它们在可视化流体运动中的作用。 第二章：流体静力学 静止流体的基本概念： 讨论静止流体中压力的特性，如压力在一点处向各个方向的大小相等。 压强梯度与重力： 推导流体静力学基本方程 $ abla p = ho mathbf{g} $，解释压强随深度变化的规律。 浮力与阿基米德原理： 详细阐述浮力的产生机制，并推导阿基米德原理。 连通器原理与帕斯卡定律： 解释连通器的工作原理，以及帕斯卡定律在液压系统中的应用。 测压管与真空计： 介绍用于测量流体压强的常用仪器。 第三章：流体动力学基础 物质导数（或称随体导数）： 详细讲解物质导数的物理意义，即描述流体微元在时空中的变化率，是理解控制体方程的关键。 流体动力学基本方程组（纳维-斯托克斯方程）： 质量守恒方程（连续性方程）： 推导并解释连续性方程的物理意义，即在没有源项或汇项的情况下，单位时间内流入某控制体的质量等于流出的质量。 动量守恒方程（纳维-斯托克斯方程）： 详细推导纳维-斯托克斯方程，这是描述不可压缩粘性流体运动的核心方程，包括惯性力、压力梯度力、粘性力、体力等项的物理含义。 能量守恒方程： 介绍能量守恒方程，解释其在考虑热量传递和功的转化时的重要性。 伯努利方程： 在特定条件下（如稳态、无粘、不可压缩流体），推导并阐释伯努利方程，讲解其在描述机械能守恒方面的应用，并指出其局限性。 涡量与环量： 介绍涡量和环量的概念，它们在描述流体旋转运动中的作用，以及斯托克斯公式的联系。 第四章：相似性原理与量纲分析 相似性的概念： 讲解几何相似、运动相似和动力相似，以及在模型实验中如何实现相似性。 量纲分析： 介绍量纲分析的方法，如 Buckingham π 定理，用于识别和简化复杂问题中的重要无量纲参数。 雷诺数、马赫数等重要无量纲数： 详细解释雷诺数、马赫数、普朗特数、斯川哈尔数等在不同流体问题中扮演的关键角色，以及它们对流体行为的影响。 模型试验的应用： 阐述如何利用量纲分析和相似性原理进行模型试验，以预测全尺寸系统的流体行为。 第二部分：计算流体力学的数值方法 本部分将聚焦于如何将连续的流体力学方程转化为计算机可解的离散形式，并介绍各种数值离散技术和求解算法。 第五章：数值求解的基本思想 微分方程的离散化： 阐述将偏微分方程转化为代数方程组的核心思想，为数值求解铺平道路。 网格生成： 介绍笛卡尔网格、柱坐标网格、曲面网格、非结构网格等不同类型的计算网格，以及它们在几何复杂性处理上的优势与劣势。 数值方法的分类： 介绍有限差分法（FDM）、有限体积法（FVM）、有限元法（FEM）等主流的数值方法。 第六章：有限差分法（FDM） 泰勒级数展开： 详细讲解如何利用泰勒级数展开来近似导数，从而得到差分格式。 中心差分、向前差分、向后差分： 介绍不同阶数的向前、向后和中心差分格式，以及它们的精度分析。 处理边界条件： 讲解如何在有限差分框架下处理Dirichlet、Neumann和Robin等边界条件。 稳定性与收敛性： 介绍稳定性（稳定性准则，如CFL条件）和收敛性的概念，以及如何分析有限差分格式的稳定性和收敛性。 算例： 通过简单的一维稳态对流-扩散方程或热传导方程的求解，展示FDM的实际应用。 第七章：有限体积法（FVM） 基本思想： 详细阐述FVM的核心思想——对流体力学方程在控制体内进行积分，使得守恒律在离散层面得到精确体现。 控制体与界面： 介绍如何在计算域内划分控制体，以及界面处的物理量插值。 数值通量计算： 重点介绍通量计算的各种方法，如通量分裂（Roe、AUSM等）、迎风格式（Godunov、Lax-Friedrichs等）以及中心通量方法，并分析它们的优缺点。 网格适应性： 讨论FVM在处理复杂几何形状和非结构网格方面的强大能力。 算例： 通过求解守类型方程（如欧拉方程）或拟守类型方程（如Navier-Stokes方程）的简单问题，展示FVM的应用。 第八章：有限元法（FEM） 变分原理与加权余量法： 介绍FEM基于变分原理或加权余量法的思想，将微分方程转化为积分形式。 形函数（插值函数）： 讲解如何在单元内部使用形函数来近似物理量。 单元矩阵的组装与求解： 介绍如何生成单元刚度矩阵和载荷向量，并将其组装成全局矩阵方程。 优点与缺点： 分析FEM在处理复杂边界条件和实现高阶精度方面的优势，以及其在流体问题中的一些挑战。 适用范围： 简要介绍FEM在结构力学中的广泛应用，以及在某些特定流体问题中的潜力。 第九章：线性方程组的求解 直接法： 介绍高斯消元法、LU分解法等直接求解线性方程组的方法，分析其计算量和内存需求。 迭代法： 重点讲解Jacobi法、Gauss-Seidel法、SOR法、共轭梯度法（CG）、广义最小残差法（GMRES）等迭代求解方法，并讨论它们的收敛性和收敛速度。 预条件子： 介绍预条件子的作用，以及如何选择和构造有效的预条件子来加速迭代收敛。 第十章：求解非线性方程组与耦合方程组 牛顿-拉夫逊法（Newton-Raphson Method）： 详细讲解如何应用牛顿法求解非线性方程组。 耦合方程组的求解策略： 压力-速度耦合算法： 重点介绍SIMPLER、SIMPLEC、PISO等经典的压力-速度耦合算法，以及它们在求解不可压缩流体Navier-Stokes方程时的关键作用。 全耦合求解与分块求解： 讨论全局求解与分块迭代求解策略的权衡。 隐式与显式方法： 区分隐式和显式时间推进方法，并讨论它们的稳定性与计算效率。 第三部分：CFD软件原理与应用实践 本部分将结合前面介绍的理论与方法，探讨CFD软件的设计理念、工作流程，并展示其在不同工程领域的实际应用。 第十一章：CFD软件的工作流程 前处理（Pre-processing）： 几何建模： 介绍CAD软件在几何建模中的作用，以及如何导入和处理几何模型。 网格生成： 详细介绍主流CFD软件中网格生成的不同策略，如结构网格、非结构网格、混合网格，以及网格质量的评估与优化。 物理模型设定： 讲解如何根据实际问题选择湍流模型、边界层模型、多相流模型、传热模型等。 边界条件与初始条件设定： 强调准确设定边界条件和初始条件对模拟结果精度的重要性。 求解（Solving）： 数值求解器的选择与配置： 讨论不同求解器的特点，以及如何根据问题选择合适的求解器。 收敛准则的设定： 解释残差、监控函数等收敛判断依据。 并行计算与高性能计算： 介绍CFD大规模计算中并行计算的应用，以及GPU加速等技术。 后处理（Post-processing）： 结果可视化： 介绍各种可视化工具，如矢量图、等值线图、云图、流线图、粒子追踪等，以及如何利用它们直观理解流场。 数据分析： 讲解如何提取关键数据，如力、力矩、压力分布、流量、温度分布等，并进行工程上的评估。 结果验证与不确定性分析： 强调与实验数据或理论解析解进行比对的重要性，以及进行网格收敛性研究和不确定性分析。 第十二章：湍流模型 湍流的本质与重要性： 阐述湍流现象的复杂性，以及在工程流体问题中的普遍存在。 雷诺平均纳维-斯托克斯（RANS）方程： 推导RANS方程，解释时均化过程带来的新的未知项（雷诺应力）。 常用RANS模型： 代数模型（零方程模型）： 如混合长度模型。 单方程模型： 如Spalart-Allmaras模型。 两方程模型： 详细介绍k-ε模型（标准k-ε、重整化群k-ε、强加k-ε）、k-ω模型（标准k-ω、SST k-ω）等，分析它们的适用范围、优缺点及物理意义。 大涡模拟（LES）与直接数值模拟（DNS）： 简要介绍LES和DNS的概念、原理，以及它们的计算成本和应用场景。 第十三章：CFD在工程领域的典型应用 航空航天工程： 飞机气动设计： 外部流场分析，如翼型升阻力预测，飞机整体气动性能优化。 发动机内部流动： 燃烧室、涡轮叶片流动分析，提高效率和可靠性。 航天器再入大气层： 高超声速流动与热防护分析。 汽车工程： 整车气动性能： 降低风阻，提高燃油经济性，改善车辆稳定性。 发动机舱散热： 冷却系统优化，减少过热风险。 乘员舱通风与空调： 舒适性与空气质量改善。 能源与动力工程： 火力发电厂： 锅炉燃烧室流动与传热，烟气脱硫脱硝。 水轮机与风力发电机： 叶片设计优化，效率提升。 核反应堆冷却： 冷却剂流动与热量输运分析。 环境工程： 大气扩散模拟： 污染物排放预测与扩散分析。 水体污染物输运： 河流、湖泊、海洋的污染物扩散与混合模拟。 城市通风： 城市尺度空气流动模拟，评估建筑布局对风环境的影响。 生物医学工程： 血液流动模拟： 心血管疾病研究，如动脉瘤、支架植入的影响。 呼吸系统气流： 肺部通气模拟，呼吸道疾病分析。 药物输送： 微流控器件设计，药物在体内的输送与分布。 机械工程： 泵与阀门设计： 优化效率，降低噪声。 热交换器设计： 提高传热效率。 电子设备散热： 芯片、PCB板的散热分析。 第十四章：CFD研究前沿与展望 多物理场耦合： 结构-流体相互作用（FSI）、流固耦合、电磁-流体耦合等。 高精度数值方法： 如基于谱方法的CFD，提高精度。 机器学习与CFD的融合： 利用AI加速CFD模拟，模型降阶，参数优化。 面向特定领域的高性能CFD： 如用于天气预报、天体物理模拟等。 CFD在绿色能源与可持续发展中的作用： 如可再生能源、碳捕集与封存等。 本书的编写力求理论与实践相结合，为读者提供一个全面而深入的学习平台。通过对本书的学习，读者将能够： 1. 深刻理解流体行为的物理原理： 掌握流体力学的基本守恒律和支配方程。 2. 掌握CFD核心数值算法： 理解有限差分、有限体积等方法的原理，以及它们在离散和求解过程中的优势与局限。 3. 熟悉CFD软件的整体流程： 从前处理到后处理，掌握模拟的各个环节。 4. 具备独立运用CFD解决实际工程问题的能力： 能够根据实际问题选择合适的模型、网格和求解参数，并对结果进行分析和验证。 5. 了解CFD技术的发展趋势： 把握该领域的最新研究动态和未来发展方向。 我们希望本书能够成为您在流体力学和计算流体力学领域的得力助手，激发您对科学探索的热情，并为您的学习和工作提供坚实的理论与技术支持。

评分☆☆☆☆☆

这本书的标题信息表明，它是一本关于“计算流体动力学分析 CFD软件原理与应用 CFD理论知识 CFD”的教材。这意味着它不仅仅是停留在理论层面，更会涉及实际的软件操作和应用技巧。作为一名希望在实际工程项目中运用CFD技术的学习者，我非常看重这一点。理论知识是基础，但如果没有软件的实践支撑，理论就显得空泛。这本书的结构安排，让我看到了理论与实践相结合的可能性，这对于我提升解决复杂流体问题的能力至关重要。

评分☆☆☆☆☆

这本书的内容，正如书名所暗示的那样，是关于计算流体动力学（CFD）的，并且强调了其在高等教育中的精品教材地位。它似乎旨在为读者提供CFD软件的原理和应用方面的深入理解，同时涵盖了CFD的理论基础。我期待这本书能在我学习流体动力学相关的知识时，提供一个扎实的理论框架，并教会我如何实际操作CFD软件来解决工程问题。

评分☆☆☆☆☆

从书名来看，这本书似乎是一本全面的CFD教材，涵盖了从理论基础到软件应用的各个方面。作为一名初学者，我最担心的是CFD的数学和物理概念过于抽象，难以理解。我希望这本书能够用通俗易懂的语言，配合丰富的图示和例子，来解释那些复杂的理论。同时，对于CFD软件的操作部分，我希望书中能够有详细的步骤指导，甚至是一些常用的CFD软件（如ANSYS Fluent, OpenFOAM等）的使用教程，让我能够快速上手，并建立起独立解决问题的信心。

评分☆☆☆☆☆

这本书的标题“正版 北京高等教育精品教材计算流体动力学分析 CFD软件原理与应用 CFD理论知识 CFD”给我一种专业、权威的感觉。我希望它能深入浅出地讲解CFD的核心概念，包括数值方法的选择、网格生成、求解器设置以及后处理分析等关键环节。作为一名希望在学术研究或工程实践中运用CFD技术的学生，我期待这本书能够为我打下坚实的理论基础，同时也能教授我如何熟练地使用CFD软件来模拟和分析各种复杂的流体现象，从而有效地解决工程中的实际问题，并为我的学习和工作提供强有力的支持。

评分☆☆☆☆☆

我个人对流体动力学领域一直抱有浓厚的兴趣，特别是CFD技术在航空航天、汽车工业、能源开发等众多领域的广泛应用，让我感到非常兴奋。这本书以“北京高等教育精品教材”的定位，预示着其内容的严谨性和权威性。我希望能在这本书中找到清晰易懂的CFD基本原理讲解，例如纳维-斯托克斯方程的推导和离散化方法，以及数值算法的优缺点分析。同时，我也期望书中能包含一些实际案例，通过这些案例来展示CFD软件的强大功能，以及如何将理论知识转化为解决实际工程难题的工具。