正版 北京高等教育精品教材計算流體動力學分析 CFD軟件原理與應用 CFD理論知識 CFD pdf epub mobi txt 電子書 下載 2025

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齣版社： 清華大學齣版社

ISBN：9787302095033

商品編碼：10466303475

 

基本信息

書名:北京高等教育精品教材·計算流體動力學分析：CFD軟件原理與應用

定價：29.00元

作者:王福軍 著

齣版社：清華大學齣版社

齣版日期：2004-09

ISBN：9787302095033

字數：420000

頁碼：272

版次：1

裝幀：平裝

開本：16開

 

 

目錄

第1章 計算流動力學基礎知識

n1.1 計算流動力學概述
n1.2 流體與流動的基本特性
n1.3 流動動力學控製方程
n1.4 對控製方程的進一步討論
n1.5 CFD的求解方程
n1.6 CFD軟件結構
n1.7 常用的CFD商用軟件
n第2章 基於有限體積法的控製方程離散
n2.1 離散化概述
n2.2 有限體積法及其鋼格簡介
n2.3 求解-維穩態問題的有限體積法
n2.4 常用的離散格式
n2.5 空間離散的高階離散格式
n2.6 各種離散式的性能對比
n2.7 一維瞬態問題的有限體積法
n2.8 關於有限體積法的進一步討論
n2.9 二維與三維問題
n2.10 本章小結
n2.11 復習思考題
n第3章 基於SIMPLE算法的流場數值計算
n3.1 流場數值解法概述
n3.2 交錯網格及其應用
n3.3 流場計算的SIMPLE算法
n3.4 SIMPLER/SIMPLEC/PISO算法
n3.5 瞬態問題的數值計算
n3.6 基於同位網格的SIMPLE算法
n3.7 基於結構網絡的SIMPLE算法
n3.8 離散方程組的基本解法
n3.9 本章小結
n3.10 復習思考題
n第4章 三維流模型及其在CFD中的應用
n4.1 湍流及其數學描述
n4.2 湍流的數值模擬方法簡介
n4.3 零方程模型及一方程模型
n4.4 標準模型的定義
n4.5 RNG模型和Realizable模型
n4.6 在近壁區使用模型的問題及對策
n4.7 Reynolds應力方程模型
n4.8 代數應力方程模型
n4.9 大渦模擬
n4.10 本章小結
n4.11 復習思考題
n第5章 邊界條件的應用
n5.1 邊界條件概述
n5.2 流動進口邊界條件
n5.3 流動齣口邊界條件
n5.4 壁麵條件
n5.5 恒壓邊界條件
n5.6 對稱邊界條件與周期性邊界條件
n5.7 使用邊界條件時的注意事項
n5.8 初始條件
n5.9 本章小結
n5.10 復習思考題
n第6章 網格的生成
n第7章 FLUENT軟件的基本用法
n第8章 CFD綜閤應用實例

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內容提要

《北京高等教育精品教材·計算流體動力學分析：CFD軟件原理與應用》是一本介紹計算流體動力學（CFD）理論知識和CFD軟件開發、應用指導性教材。全書共分八章，前五章以有限體積法為核心，介紹流體流動與熱傳問題的控製方程、空間及時間離散格式、湍流模型及數值解法，後三章結閤FLUENT軟件，以實例的方式介紹CFD軟件原理及其在流場分析、傳熱計算及多相流模擬等方麵的應用。實用性和新穎性是本書的特點。

n 《北京高等教育精品教材·計算流體動力學分析：CFD軟件原理與應用》可作為動力、能源、水利、航空、冶金、海洋、環境、氣象、流體工程等專業領域的研究生和本科生教材，也可供上述領域的科技人員，特彆是從事CFD模擬的人員參考。

 

流體力學基礎與數值模擬方法：理論、算法與應用 本書旨在深入淺齣地介紹流體力學這一復雜而迷人的學科，並重點闡述支撐現代工程分析和科學研究的數值模擬方法——計算流體力學（CFD）的原理與實際應用。本書麵嚮的讀者群體廣泛，包括但不限於： 對流體力學現象及其背後物理規律充滿好奇的本科生和研究生。 希望掌握流體模擬技術以解決實際工程問題的工程師（如航空航天、汽車、能源、環境、生物醫學等領域）。 從事相關科學研究，需要藉助CFD進行數值實驗和理論驗證的科研人員。 希望瞭解CFD軟件如何工作的技術開發者和係統集成商。 本書結構清晰，邏輯嚴謹，內容涵蓋從基礎理論到高級應用的完整鏈條，力求為讀者打下堅實的理論基礎，同時培養獨立運用CFD解決實際問題的能力。 第一部分：流體力學基本理論 本部分將引導讀者循序漸進地理解流體力學的基本概念、物理定律以及描述流體行為的關鍵方程。 第一章：流體及其基本性質 流體的定義與分類： 介紹什麼是流體，區分連續介質與離散介質，並對牛頓流體和非牛頓流體進行辨析。 流體的物理性質： 詳細講解密度、壓力、溫度、粘度（動力粘度和運動粘度）、錶麵張力、壓縮性等關鍵性質，並闡述它們如何影響流體行為。 流體微元分析： 引入流體微元的概念，為後續的微元分析和方程推導奠定基礎。 流體運動的描述方法： 講解拉格朗日描述和歐拉描述兩種描述流體運動的方式，以及它們各自的優缺點和適用場景。 流體運動的幾何描述： 介紹跡綫、流綫、脈綫等概念，以及它們在可視化流體運動中的作用。 第二章：流體靜力學 靜止流體的基本概念： 討論靜止流體中壓力的特性，如壓力在一點處嚮各個方嚮的大小相等。 壓強梯度與重力： 推導流體靜力學基本方程 $ abla p = ho mathbf{g} $，解釋壓強隨深度變化的規律。 浮力與阿基米德原理： 詳細闡述浮力的産生機製，並推導阿基米德原理。 連通器原理與帕斯卡定律： 解釋連通器的工作原理，以及帕斯卡定律在液壓係統中的應用。 測壓管與真空計： 介紹用於測量流體壓強的常用儀器。 第三章：流體動力學基礎 物質導數（或稱隨體導數）： 詳細講解物質導數的物理意義，即描述流體微元在時空中的變化率，是理解控製體方程的關鍵。 流體動力學基本方程組（納維-斯托剋斯方程）： 質量守恒方程（連續性方程）： 推導並解釋連續性方程的物理意義，即在沒有源項或匯項的情況下，單位時間內流入某控製體的質量等於流齣的質量。 動量守恒方程（納維-斯托剋斯方程）： 詳細推導納維-斯托剋斯方程，這是描述不可壓縮粘性流體運動的核心方程，包括慣性力、壓力梯度力、粘性力、體力等項的物理含義。 能量守恒方程： 介紹能量守恒方程，解釋其在考慮熱量傳遞和功的轉化時的重要性。 伯努利方程： 在特定條件下（如穩態、無粘、不可壓縮流體），推導並闡釋伯努利方程，講解其在描述機械能守恒方麵的應用，並指齣其局限性。 渦量與環量： 介紹渦量和環量的概念，它們在描述流體鏇轉運動中的作用，以及斯托剋斯公式的聯係。 第四章：相似性原理與量綱分析 相似性的概念： 講解幾何相似、運動相似和動力相似，以及在模型實驗中如何實現相似性。 量綱分析： 介紹量綱分析的方法，如 Buckingham π 定理，用於識彆和簡化復雜問題中的重要無量綱參數。 雷諾數、馬赫數等重要無量綱數： 詳細解釋雷諾數、馬赫數、普朗特數、斯川哈爾數等在不同流體問題中扮演的關鍵角色，以及它們對流體行為的影響。 模型試驗的應用： 闡述如何利用量綱分析和相似性原理進行模型試驗，以預測全尺寸係統的流體行為。 第二部分：計算流體力學的數值方法 本部分將聚焦於如何將連續的流體力學方程轉化為計算機可解的離散形式，並介紹各種數值離散技術和求解算法。 第五章：數值求解的基本思想 微分方程的離散化： 闡述將偏微分方程轉化為代數方程組的核心思想，為數值求解鋪平道路。 網格生成： 介紹笛卡爾網格、柱坐標網格、麯麵網格、非結構網格等不同類型的計算網格，以及它們在幾何復雜性處理上的優勢與劣勢。 數值方法的分類： 介紹有限差分法（FDM）、有限體積法（FVM）、有限元法（FEM）等主流的數值方法。 第六章：有限差分法（FDM） 泰勒級數展開： 詳細講解如何利用泰勒級數展開來近似導數，從而得到差分格式。 中心差分、嚮前差分、嚮後差分： 介紹不同階數的嚮前、嚮後和中心差分格式，以及它們的精度分析。 處理邊界條件： 講解如何在有限差分框架下處理Dirichlet、Neumann和Robin等邊界條件。 穩定性與收斂性： 介紹穩定性（穩定性準則，如CFL條件）和收斂性的概念，以及如何分析有限差分格式的穩定性和收斂性。 算例： 通過簡單的一維穩態對流-擴散方程或熱傳導方程的求解，展示FDM的實際應用。 第七章：有限體積法（FVM） 基本思想： 詳細闡述FVM的核心思想——對流體力學方程在控製體內進行積分，使得守恒律在離散層麵得到精確體現。 控製體與界麵： 介紹如何在計算域內劃分控製體，以及界麵處的物理量插值。 數值通量計算： 重點介紹通量計算的各種方法，如通量分裂（Roe、AUSM等）、迎風格式（Godunov、Lax-Friedrichs等）以及中心通量方法，並分析它們的優缺點。 網格適應性： 討論FVM在處理復雜幾何形狀和非結構網格方麵的強大能力。 算例： 通過求解守類型方程（如歐拉方程）或擬守類型方程（如Navier-Stokes方程）的簡單問題，展示FVM的應用。 第八章：有限元法（FEM） 變分原理與加權餘量法： 介紹FEM基於變分原理或加權餘量法的思想，將微分方程轉化為積分形式。 形函數（插值函數）： 講解如何在單元內部使用形函數來近似物理量。 單元矩陣的組裝與求解： 介紹如何生成單元剛度矩陣和載荷嚮量，並將其組裝成全局矩陣方程。 優點與缺點： 分析FEM在處理復雜邊界條件和實現高階精度方麵的優勢，以及其在流體問題中的一些挑戰。 適用範圍： 簡要介紹FEM在結構力學中的廣泛應用，以及在某些特定流體問題中的潛力。 第九章：綫性方程組的求解 直接法： 介紹高斯消元法、LU分解法等直接求解綫性方程組的方法，分析其計算量和內存需求。 迭代法： 重點講解Jacobi法、Gauss-Seidel法、SOR法、共軛梯度法（CG）、廣義最小殘差法（GMRES）等迭代求解方法，並討論它們的收斂性和收斂速度。 預條件子： 介紹預條件子的作用，以及如何選擇和構造有效的預條件子來加速迭代收斂。 第十章：求解非綫性方程組與耦閤方程組 牛頓-拉夫遜法（Newton-Raphson Method）： 詳細講解如何應用牛頓法求解非綫性方程組。 耦閤方程組的求解策略： 壓力-速度耦閤算法： 重點介紹SIMPLER、SIMPLEC、PISO等經典的壓力-速度耦閤算法，以及它們在求解不可壓縮流體Navier-Stokes方程時的關鍵作用。 全耦閤求解與分塊求解： 討論全局求解與分塊迭代求解策略的權衡。 隱式與顯式方法： 區分隱式和顯式時間推進方法，並討論它們的穩定性與計算效率。 第三部分：CFD軟件原理與應用實踐 本部分將結閤前麵介紹的理論與方法，探討CFD軟件的設計理念、工作流程，並展示其在不同工程領域的實際應用。 第十一章：CFD軟件的工作流程 前處理（Pre-processing）： 幾何建模： 介紹CAD軟件在幾何建模中的作用，以及如何導入和處理幾何模型。 網格生成： 詳細介紹主流CFD軟件中網格生成的不同策略，如結構網格、非結構網格、混閤網格，以及網格質量的評估與優化。 物理模型設定： 講解如何根據實際問題選擇湍流模型、邊界層模型、多相流模型、傳熱模型等。 邊界條件與初始條件設定： 強調準確設定邊界條件和初始條件對模擬結果精度的重要性。 求解（Solving）： 數值求解器的選擇與配置： 討論不同求解器的特點，以及如何根據問題選擇閤適的求解器。 收斂準則的設定： 解釋殘差、監控函數等收斂判斷依據。 並行計算與高性能計算： 介紹CFD大規模計算中並行計算的應用，以及GPU加速等技術。 後處理（Post-processing）： 結果可視化： 介紹各種可視化工具，如矢量圖、等值綫圖、雲圖、流綫圖、粒子追蹤等，以及如何利用它們直觀理解流場。 數據分析： 講解如何提取關鍵數據，如力、力矩、壓力分布、流量、溫度分布等，並進行工程上的評估。 結果驗證與不確定性分析： 強調與實驗數據或理論解析解進行比對的重要性，以及進行網格收斂性研究和不確定性分析。 第十二章：湍流模型 湍流的本質與重要性： 闡述湍流現象的復雜性，以及在工程流體問題中的普遍存在。 雷諾平均納維-斯托剋斯（RANS）方程： 推導RANS方程，解釋時均化過程帶來的新的未知項（雷諾應力）。 常用RANS模型： 代數模型（零方程模型）： 如混閤長度模型。 單方程模型： 如Spalart-Allmaras模型。 兩方程模型： 詳細介紹k-ε模型（標準k-ε、重整化群k-ε、強加k-ε）、k-ω模型（標準k-ω、SST k-ω）等，分析它們的適用範圍、優缺點及物理意義。 大渦模擬（LES）與直接數值模擬（DNS）： 簡要介紹LES和DNS的概念、原理，以及它們的計算成本和應用場景。 第十三章：CFD在工程領域的典型應用 航空航天工程： 飛機氣動設計： 外部流場分析，如翼型升阻力預測，飛機整體氣動性能優化。 發動機內部流動： 燃燒室、渦輪葉片流動分析，提高效率和可靠性。 航天器再入大氣層： 高超聲速流動與熱防護分析。 汽車工程： 整車氣動性能： 降低風阻，提高燃油經濟性，改善車輛穩定性。 發動機艙散熱： 冷卻係統優化，減少過熱風險。 乘員艙通風與空調： 舒適性與空氣質量改善。 能源與動力工程： 火力發電廠： 鍋爐燃燒室流動與傳熱，煙氣脫硫脫硝。 水輪機與風力發電機： 葉片設計優化，效率提升。 核反應堆冷卻： 冷卻劑流動與熱量輸運分析。 環境工程： 大氣擴散模擬： 汙染物排放預測與擴散分析。 水體汙染物輸運： 河流、湖泊、海洋的汙染物擴散與混閤模擬。 城市通風： 城市尺度空氣流動模擬，評估建築布局對風環境的影響。 生物醫學工程： 血液流動模擬： 心血管疾病研究，如動脈瘤、支架植入的影響。 呼吸係統氣流： 肺部通氣模擬，呼吸道疾病分析。 藥物輸送： 微流控器件設計，藥物在體內的輸送與分布。 機械工程： 泵與閥門設計： 優化效率，降低噪聲。 熱交換器設計： 提高傳熱效率。 電子設備散熱： 芯片、PCB闆的散熱分析。 第十四章：CFD研究前沿與展望 多物理場耦閤： 結構-流體相互作用（FSI）、流固耦閤、電磁-流體耦閤等。 高精度數值方法： 如基於譜方法的CFD，提高精度。 機器學習與CFD的融閤： 利用AI加速CFD模擬，模型降階，參數優化。 麵嚮特定領域的高性能CFD： 如用於天氣預報、天體物理模擬等。 CFD在綠色能源與可持續發展中的作用： 如可再生能源、碳捕集與封存等。 本書的編寫力求理論與實踐相結閤，為讀者提供一個全麵而深入的學習平颱。通過對本書的學習，讀者將能夠： 1. 深刻理解流體行為的物理原理： 掌握流體力學的基本守恒律和支配方程。 2. 掌握CFD核心數值算法： 理解有限差分、有限體積等方法的原理，以及它們在離散和求解過程中的優勢與局限。 3. 熟悉CFD軟件的整體流程： 從前處理到後處理，掌握模擬的各個環節。 4. 具備獨立運用CFD解決實際工程問題的能力： 能夠根據實際問題選擇閤適的模型、網格和求解參數，並對結果進行分析和驗證。 5. 瞭解CFD技術的發展趨勢： 把握該領域的最新研究動態和未來發展方嚮。 我們希望本書能夠成為您在流體力學和計算流體力學領域的得力助手，激發您對科學探索的熱情，並為您的學習和工作提供堅實的理論與技術支持。

評分☆☆☆☆☆

我個人對流體動力學領域一直抱有濃厚的興趣，特彆是CFD技術在航空航天、汽車工業、能源開發等眾多領域的廣泛應用，讓我感到非常興奮。這本書以“北京高等教育精品教材”的定位，預示著其內容的嚴謹性和權威性。我希望能在這本書中找到清晰易懂的CFD基本原理講解，例如納維-斯托剋斯方程的推導和離散化方法，以及數值算法的優缺點分析。同時，我也期望書中能包含一些實際案例，通過這些案例來展示CFD軟件的強大功能，以及如何將理論知識轉化為解決實際工程難題的工具。

評分☆☆☆☆☆

這本書的內容，正如書名所暗示的那樣，是關於計算流體動力學（CFD）的，並且強調瞭其在高等教育中的精品教材地位。它似乎旨在為讀者提供CFD軟件的原理和應用方麵的深入理解，同時涵蓋瞭CFD的理論基礎。我期待這本書能在我學習流體動力學相關的知識時，提供一個紮實的理論框架，並教會我如何實際操作CFD軟件來解決工程問題。

評分☆☆☆☆☆

這本書的標題信息錶明，它是一本關於“計算流體動力學分析 CFD軟件原理與應用 CFD理論知識 CFD”的教材。這意味著它不僅僅是停留在理論層麵，更會涉及實際的軟件操作和應用技巧。作為一名希望在實際工程項目中運用CFD技術的學習者，我非常看重這一點。理論知識是基礎，但如果沒有軟件的實踐支撐，理論就顯得空泛。這本書的結構安排，讓我看到瞭理論與實踐相結閤的可能性，這對於我提升解決復雜流體問題的能力至關重要。

評分☆☆☆☆☆

從書名來看，這本書似乎是一本全麵的CFD教材，涵蓋瞭從理論基礎到軟件應用的各個方麵。作為一名初學者，我最擔心的是CFD的數學和物理概念過於抽象，難以理解。我希望這本書能夠用通俗易懂的語言，配閤豐富的圖示和例子，來解釋那些復雜的理論。同時，對於CFD軟件的操作部分，我希望書中能夠有詳細的步驟指導，甚至是一些常用的CFD軟件（如ANSYS Fluent, OpenFOAM等）的使用教程，讓我能夠快速上手，並建立起獨立解決問題的信心。

評分☆☆☆☆☆

這本書的標題“正版 北京高等教育精品教材計算流體動力學分析 CFD軟件原理與應用 CFD理論知識 CFD”給我一種專業、權威的感覺。我希望它能深入淺齣地講解CFD的核心概念，包括數值方法的選擇、網格生成、求解器設置以及後處理分析等關鍵環節。作為一名希望在學術研究或工程實踐中運用CFD技術的學生，我期待這本書能夠為我打下堅實的理論基礎，同時也能教授我如何熟練地使用CFD軟件來模擬和分析各種復雜的流體現象，從而有效地解決工程中的實際問題，並為我的學習和工作提供強有力的支持。