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书  名:工程计算流体力学
  • 作  者: 符松
  • 出版时间: 2009-04-01
  • 出 版 社: 清华大学出版社
  • 字  数: 416 千字
  • 印  次: 1-1
  • 印  张: 20
  • 开  本: 16开
  • ISBN: 9787302187639
  • 装  帧: 平装
  • 定  价:¥45.00
电子书价:¥31.50 折扣:70折 节省:¥13.50 vip价:¥31.50 电子书大小:22.67M
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内容简介
  本书紧密结合工程实践,介绍了计算流体力学的主要内容。全书从CFD在航空、汽车等领域的5个应用实例引入,详细讲解了守恒方程组、湍流模式、求解抛物型和椭圆模型方程的数值方法、双曲型模型方程的数值方法、不可压缩无粘流动方程、边界层方程组、稳定性与转捩、网格生成、可压缩无粘流动、不可压Navier-Stokes方程以及Navier-Stokes压缩方程等内容。
本书是为工科相关专业本科生或研究生学习计算流体力学课程编写的教材,也非常适合航天航空、汽车等领域的科研人员和工程师们参考阅读。
前言
  早在雷诺、牛顿、欧拉、Navier、Stokes及普朗特等人建立流体力学学科前,人们就成功地应用了流体力学原理,其中著名的古老例子有: 罗马浴室和符合工程师设计要求的沟渠,各种设计风格的轮船及风工程系统等。20世纪后,流体动力学在人们日常生活中获得了更加广泛的应用,所有的设计都没有应用到电子计算机,包括早期的动力如内燃机、燃气涡轮、飞行器以及关于通风和污染控制的环境系统等。
计算流体力学(CFD)是采取数值方法分析流体力学现象的一门新兴学科。尽管近年来取得了很大进步,然而,与相对成熟的流体力学原理相比,CFD还只是一个不甚完美的工具,因为计算机得到普遍应用还只是近30年的事情。Navier
Stokes(NS)方程组——关于粘性牛顿流体的控制方程组,早在一个世纪前就已经建立了。原则上,人们可以选取合适的边界条件直接求解该方程组以分析任何流体动力学问题。然而,用解析方法求解NS方程组非常繁琐,成功的可能性很小,甚至用当前性能最强的超级计算机来精确求解三维、非定常的湍流流动,所需计算的机时非常庞大,花费巨大。因此,直接求解NS方程组方法仅限于简单外形低雷诺数等流动的基础研究,将此“最直接”方法应用在工程领域中,目前仍不现实。
考虑到计算机大规模应用之前流体力学所获得的巨大成功,有人或许会问,是否有必要通过发展更新的数值计算技术来更好地理解流体力学原理。流体力学教材一般都介绍两种方法来理解流体运动过程: 其一是根据演示性实验数据并采用某些关联来细化实验研究,获得对流体力学问题更深的认识和了解,并逐步改进; 其二是在一定的边界条件下求解关于质量、动量及能量守恒的流体动力学简化方程组。在处理复杂问题时,将两种方法结合起来是非常有优势的。然而,直到现在,由解析方法或数值计算所得到的结果只能用于有限范围,两种方法结合的优势还很有限。显然,通过求解更多类型的守恒方程来提高数值方法的计算精度无疑会被人们所欢迎。在大多数情况下,CFD方法被证明比解析方法更有效。比如,当流体通过燃气轮机的三维叶片通道时,即使忽略湍流的影响,相应的方程也只能通过数值方法求解; 即便在发动机的进气口,流体无粘,也不能完全通过解析方法求解。因此,如果没有计算流体力学,就不能获得非常详细的流体参数以加深理解并为设计服务。
有一点必须要认识到,就是实验和数值计算都需要消耗资源,如某些实验的费用非常昂贵,令人无法接受,比如飞机的飞行实验,全尺度的燃气涡轮的实验,或者一些非常昂贵部件的破坏性实验等。在这些情况下,就有可能通过CFD技术来减少实验的次数,或仅仅通过比较少的实验来检验数值方法的精度。当然,求解某些复杂流动方程组的数值方法的费用也非常巨大,但通常情况下,它比采取试验得到结果的代价要小很多。在实际情况中,解决流体动力学问题的最经济方法是实验与计算相结合,虽然这两种方法都不是很确定,但两种方法的结合比单纯应用任何一种方法都经济和可靠。而且,随着技术创新和降低成本等原因,这种方法或许可满足提高产品性能和减少对环境冲击的紧迫需求。
本书是关于计算流体力学的介绍,重点介绍关于求解两个独立变量的可压缩和不可压流动的守恒方程组。在CFD所采用的众多方法中,比如有限差分、有限体积、有限元、谱方法和直接数值模拟,在工程中大量采用的是前两种。此外,本书主要介绍二维流动,删去了有限元方法、谱方法和直接数值模拟的内容,使读者更易理解书中的内容,也使得本书的篇幅适当。
本书的排版确保了内容内在的逻辑性。第1章介绍了应用计算流体力学解决工程问题的一些例子; 第2章介绍了守恒方程组,这只是简单基本的介绍,因为其他参考书中一般都有详细的推导; 第3章介绍了湍流流动的重要属性和湍流方程的模式,对修改模式中的参数作出了解释。
第4章和第5章介绍求解守恒方程对应的典型方程的数值方法,这对确定在以后几章考虑更加完整和复杂的抛物型、双曲型和椭圆型偏微分方程的特性非常有用。第4章还讨论了经典抛物型和椭圆方程的数值方法; 第5章是经典的双曲型方程,还包括一些计算程序。
第6章和第7章介绍了无粘流动和边界层方程的计算方法。其中第6章讨论的是用有限差分法和面元法求解拉普拉斯方程,包括对单个和多个机翼的计算程序; 第7章讨论了来流存在速度扰动和指定转捩位置的层流边界层和湍流边界层的求解,还包括基于Keller有限差分方法的计算程序。
预测层流到湍流转捩的位置传统上采用相关法,但是其应用范围很窄。基于求解扰动方程的en方法是目前比较一般的方法。第
8章介绍了OS方程的求解和用en方法来计算转捩,也讲述了如何把第6,7章的计算程序联系起来解决工程中的实际问题。
第9章介绍网格生成方法,第10~12章讲述了求解欧拉方程(第10章)、不可压NavierStokes方程、可压NavierStokes方程的方法,在其中每一章和附录B中都有计算程序。
对于高年级本科生和一年级研究生在一个学期内应该对第1,2,4,5和10章有一个初步的阅读,这些章节包括了一些额外的例子并附带一些计算程序来帮助学生对计算机工具有更好的理解。第3,6,7,9,11和12章的内容可以在第二个学期学习,在这些章节的内容中附带了一些有用的信息和参考。
由Horizons和SpringerVerlag出版社出版的这方面书和求解手册,包括这本书,其清单在Horizons网站上:
http://hometown.aol.com/tuncerc/
作者们对于为此书付出了心血和时间的人们表示感谢。第一和第二作者在此特别对加利福尼亚技术研究所的Herb Keller、帝国理工学院的Jim Whitelaw、加利福尼亚政府大学长岛的Hsun Chen表示感谢,非常感谢K.C. Chang先生对此书初稿的校样和提供的有益意见。第三和第四作者非常感谢Bombardier航空宇宙为此书提供一些例子,非常感谢Kurt Mattes打印此书,非常感谢Karl Koch为此书出版做的工作。
 最后,要感谢我们的家人对我们的理解,感谢他们的持续支持和鼓励。
目录
第1章概论

1.1摩擦阻力降低方法

1.1.1层流流动控制

1.1.2NLF和HLFC机翼的计算

1.2多段机翼最大升力系数的预测

1.3飞机设计和发动机一体化

1.4结冰造成的飞机性能损失预测

1.4.1预测结冰形状

1.4.2预测飞机气动性能特征

1.5车辆空气动力学

1.5.1CFD在汽车领域中的应用


参考文献

第2章守恒方程组

2.1引言

2.2NavierStokes方程组

2.2.1NavierStokes方程组: 微分形式

2.2.2NavierStokes方程组: 积分形式

2.2.3NavierStokes方程组: 向量变量形式

2.2.4NavierStokes方程组: 变换形式

2.3雷诺平均NavierStokes方程组

2.4NavierStokes方程组的简化形式

2.4.1无粘流动

2.4.2Stokes流

2.4.3边界层

2.5稳定性方程

2.6守恒方程的分类

2.7边界条件

参考文献

习题

第3章湍流模式

3.1引言

3.2零方程模式

3.2.1CebeciSmith模式

3.2.2BaldwinLomax模式

3.3一方程模式

3.4两方程模式

3.5初始条件

参考文献

第4章求解抛物型和椭圆型模型方程的数值方法

4.1引言

4.2模型方程

4.3采用有限差分法离散导数

4.4采用有限差分法求解抛物型方程

4.4.1显式法

4.4.2隐式法: CrankNicolson方法

4.4.3隐式法: Keller盒子法(凯勒尔盒子法)

4.5采用有限差分法求解椭圆型方程

4.5.1直接法

4.5.2迭代法

4.5.3多重网格法

参考文献

习题

第5章双曲型模型方程的数值方法

5.1引言

5.2显式法: 两步LaxWendroff法

5.3显式法: MacCormack法

5.4隐式法

5.5迎风方法

5.6有限体积法

5.7收敛性和稳定性

5.8数值耗散和数值色散: 人工粘性

参考文献

习题

第6章不可压缩无粘流动方程

6.1引言

6.2Laplace方程及其基本解

6.3有限差分法

6.4HessSmith面元法

6.5二维翼型面元法程序

6.5.1主程序

6.5.2子程序COEF

6.5.3子程序GAUSS

6.5.4子程序VPDIS

6.5.5子程序CLCM

6.6面元法的应用

6.6.1NACA0012翼型的流场特征和分段特性

6.6.2圆柱绕流

6.6.3多段翼型

附录6A圆柱绕流的计算程序

附录6B翼型计算的面元法程序

6B.1主程序

6B.2子程序COEF

6B.3子程序VPDIS

附录6C多段翼型面元法计算程序

6C.1主程序

6C.2子程序COEF

6C.3子程序VPDIS

6C.4子程序CLCM

参考文献

习题

第7章边界层方程组

7.1引言

7.2标准问题、逆问题及相干问题

7.3标准问题的数值方法

7.3.1数值计算公式

7.3.2Newton方法

7.4计算程序BLP

7.4.1主程序

7.4.2子程序INPUT

7.4.3子程序IVPL

7.4.4子程序GROWTH

7.4.5子程序COEF3

7.4.6子程序SOLV3

7.4.7子程序OUTPUT

7.4.8子程序EDDY

7.5BLP程序的应用

7.5.1具有相似性的层流流动

7.5.2无相似性的流动

参考文献

习题

第8章稳定性与转捩

8.1引言

8.2OS方程的解

8.2.1数值方法

8.2.2特征值的计算

8.3en方法

8.4计算程序STP

8.4.1主程序

8.4.2子程序VELPRO

8.4.3子程序CSANE

8.4.4子程序NEWTON

8.4.5子程序NEWTONI

8.5STP的应用

8.5.1Blasius流的稳定性图

8.5.2平板边界层流动的转捩预测

8.5.3翼型边界层流动的转捩预测

参考文献

习题

第9章网格生成

9.1引言

9.2网格生成与映射的基本概念

9.3拉伸网格

9.4代数方法

9.4.1使用无限插值的代数网格生成方法

9.5求解微分方程法

9.6保角映射法

9.6.1抛物型映射函数

9.6.2风洞映射函数

9.7非结构网格

9.7.1Delaunay三角化方法

9.7.2阵面推进方法

参考文献

第10章可压缩无粘流动

10.1引言

10.2激波跃变关系

10.3激波捕捉

10.4跨声速小扰动(TSD)方程

10.5跨声速小扰动方程算例: 无升力翼型周围的流场

10.5.1离散方程

10.5.2求解步骤与算例

10.6全速势方程的求解

10.7欧拉方程的边界条件

10.8欧拉方程的稳定性分析

10.9可压缩欧拉方程的MacCormack格式

10.10MacCormack格式的模型问题: 非定常激波管

10.10.1初始条件

10.10.2边界条件

10.10.3求解过程和算例

10.11MacCormack格式的模型问题: 准一维喷管

10.11.1初始条件

10.11.2边界条件

10.11.3求解过程与算例

10.12可压缩欧拉方程的BeamWarming格式

10.13隐式法的模型问题: 非定常激波管

10.13.1求解过程和算例

10.14隐式法的模型问题: 准一维喷管

10.14.1求解过程和算例

参考文献

习题

第11章不可压NavierStokes方程

11.1引言

11.2不可压NS方程的分析

11.3边界条件

11.4拟压缩方法: INS2D

11.4.1人工时间导数的离散

11.4.2对流通量的离散

11.4.3粘性通量的离散

11.4.4离散后的方程

11.5算例: 突然扩张层流槽道流动

11.5.1边界条件的离散

11.5.2初始条件

11.5.3求解过程及计算结果

11.6算例: 平板层流边界层与湍流边界层

11.7INS2D的应用

参考文献

习题

第12章可压缩NavierStokes方程

12.1引言

12.2可压缩NavierStokes方程组

12.2.1应用中的难点

12.2.2边界条件

12.3MacCormack方法

12.4BeamWarming方法

12.5有限体积法

12.6算例: 突然扩张层流槽道流动

12.6.1初始条件

12.6.2边界条件

12.6.3求解过程和结果

附录12A对流通量项E,F和粘性扩散项Ev,Fv的雅可比矩阵

附录12B方程(12.5.4)边界附近区域的处理

参考文献

习题

附录A附送的CDROM上的计算程序

附录B第一作者提供的计算程序
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