Finite Element Analysis of Non-Newtonian Flow pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:Springer Verlag

作者:Huang, Hou-Cheng/ Li, Zheng-Hua/ Usmani, Asif S.

出品人:

页数:229

译者:

出版时间:1998-8

价格:$ 111.87

装帧:HRD

isbn号码:9781852330248

丛书系列:

图书标签:

• 有限元分析
• 非牛顿流体
• 流变学
• 数值方法
• 计算流体力学
• 材料力学
• 工程应用
• 流体动力学
• 模拟
• 传热学

流体力学与计算方法前沿：面向复杂流体行为的数值模拟新进展 本书简介 本书系统探讨了现代流体力学理论与先进计算方法在处理复杂流体系统，特别是那些不遵循经典牛顿粘滞规律的非牛顿流体（如高分子溶液、泥浆、生物流体等）流动模拟中的前沿进展与挑战。全书聚焦于如何利用高精度数值技术，准确捕捉这些流体独特的流变学特性，并将其有效地耦合到流场求解框架中。 第一部分：非牛顿流体本构理论的深度剖析与模型选择 本部分首先回顾了经典牛顿流体的基本控制方程——纳维-斯托克斯（Navier-Stokes）方程，并指出其在描述剪切速率依赖性粘度、粘弹性、屈服应力等非牛顿现象时的局限性。随后，本书深入剖析了当前主流的非牛顿本构模型： 粘塑性模型（Plasticity Models）： 详细阐述了宾汉（Bingham）、赫歇尔-巴克利（Herschel-Bulkley）模型在描述屈服行为（Yielding Behavior）时的数学结构、物理意义及其在钻井液、食品工业中的应用局限。重点讨论了如何处理这些模型中固有的奇异性（Singularity）问题，尤其是在剪切速率趋近于零时的数值稳定化技术。 剪切速率依赖粘度模型（Rate-Dependent Models）： 涵盖了幂律（Power-Law）、卡罗-扎格（Carreau-Yasuda）以及Cross模型。本书对比了这些模型在描述剪切增稠（Shear Thickening）和剪切稀化（Shear Thinning）行为的精确度和计算效率。特别分析了在模拟高剪切速率区域（如泵送、喷射）时，不同模型参数选择对预测结果的敏感性。 粘弹性模型（Viscoelastic Models）： 这是复杂流体模拟的核心难点。本书系统介绍了线粘弹性模型（如Oldroyd-B，Maxwell模型）和非线粘弹性模型（如Phan-Thien-Tanner (PTT)，Giesekus模型）的本构关系。重点讨论了粘弹性流体在拉伸、旋转流动中出现的“异常”现象，如稳定的螺旋流（Secondary Flows）和拉伸失稳（Extensional Instabilities）。如何平衡对弹性记忆的准确捕捉与有限元/有限体积方法的计算负荷，是本章探讨的关键。 第二部分：面向复杂流体的数值方法与离散化技术 针对非牛顿流体方程的复杂非线性特性，本部分详细介绍了适用于求解这些问题的先进数值技术，并侧重于提高复杂网格和边界处理的鲁棒性。 方程的解耦与线性化策略： 讨论了如何通过隐式或半隐式方法处理由粘度或弹性项引起的强非线性。对于粘塑性问题，介绍了惩罚函数法（Penalty Methods）和增广拉格朗日法（Augmented Lagrangian Methods）在处理不可压缩约束和屈服条件耦合时的优势与劣势。 有限元方法（FEM）的高级应用： 详细探讨了稳定化技术，以应对高雷诺数或高魏森伯格数（Weissenberg Number, Wi）流动导致的数值振荡。重点分析了粘度稳定化技术（Viscosity Stabilization），例如SUPG（Streamline Upwind Petrov-Galerkin）在对流主导区域的应用，以及如何针对粘弹性方程中涉及的时间导数项进行有效的时间步长控制。 有限体积法（FVM）与网格适应性： 针对工业应用中常见的复杂几何体，本书探讨了FVM在处理非正交网格上的精度保持方法。此外，介绍了体积平均技术在处理相变边界或流动分离区域的网格重划分策略，以确保计算结果不受网格质量的过度影响。 界面追踪与自由表面流（Free Surface Flows）： 对于涉及多相或气液界面的非牛顿流动（如涂层、灌注），本书阐述了VOF（Volume of Fluid）和水平集（Level Set）方法与非牛顿本构模型的耦合。特别关注了在粘弹性材料中，界面演化速度与表面张力梯度之间的相互作用。 第三部分：湍流与非牛顿性的耦合模拟（Turbulence and Non-Newtonian Coupling） 当非牛顿流体的流动速度足够高时，湍流现象不可避免地出现。本部分关注于如何将非牛顿特性融入到湍流模型中。 湍流模型的修正： 讨论了标准$k-epsilon$和$k-omega$模型如何需要根据流体的剪切速率依赖性进行修正。分析了湍流粘性系数的各向异性（Anisotropy）如何受到基体流体粘度的影响。 混合尺度的模拟（LES/DES）： 对于需要更精细分辨率的非牛顿湍流，本书介绍了大涡模拟（LES）在处理湍流结构与非牛顿应力项之间的相互作用。重点分析了剪切稀化对近壁湍流结构（Near-Wall Structures）的抑制作用及其在数值上如何体现。 直接数值模拟（DNS）的挑战： 简要概述了在超高魏森伯格数下，直接模拟粘弹性湍流的计算瓶颈，以及目前在简化模型（如二维或简化几何）上的研究进展。 第四部分：应用案例与高性能计算考量 本书的最后一部分通过实际工程案例，展示了上述理论与方法的实际威力。 生物医学工程应用： 血液流动（考虑其非牛顿性）、细胞悬浮液的剪切损伤评估。 材料加工与挤出： 熔体流动、复合材料的填充过程中的非均匀应力分布预测。 油气与地质工程： 钻井液的循环、页岩压裂过程中的非牛顿渗流。 同时，鉴于非牛顿流体模拟通常涉及大规模的矩阵运算和时间积分，本书对高性能计算（HPC）的优化进行了探讨，包括并行化策略（如域分解法）在处理粘弹性方程组时的效率分析，以及利用GPU加速技术来处理高维本构方程的计算密集型任务。 本书旨在为从事计算流体力学（CFD）研究、流变学建模以及相关工程设计的人员提供一个全面、深入且具有高度实践指导意义的参考指南。

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