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出版者:

作者:张建文杨振亚张政

出品人:

页数:223

译者:

出版时间:2009-1

价格:38.00元

装帧:

isbn号码:9787122035073

丛书系列:

图书标签:

计算流体力学
数值计算
控制科学与技术
化学工程
催化
Expertise
数值模拟
流体流动
传热
计算流体力学
CFD
有限体积法
传热学
工程应用
数值分析
模拟仿真

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具体描述

《流体流动与传热过程的数值模拟基础与应用》系统地介绍流体流动、传热、传质过程的数值计算中所涉及的问题。《流体流动与传热过程的数值模拟基础与应用》可分为三部分内容。第一章至第三章是预备性的知识，其中包括对数学与数值方法的基本讨论；第四章到第六章主要是数值方法的推导，第七章是求解方法和整个方法的完善；第八章和第九章则分别是一些专题和应用的实例以及对这些应用实例的解释和讨论。

《流体流动与传热过程的数值模拟基础与应用》可供数学、科研和过程工业部门从事传热、传质、流体流动等有关过程工作的教师、工程技术人员与科研人员参考，也可作为大专院校有关专业的研究生与高年级本科生的教材。

《流体流动与传热过程的数值模拟基础与应用》这是一本深度探讨流体流动与传热过程中数值模拟核心理论与实践技术的专著。本书旨在为广大工程技术人员、研究学者以及相关专业的研究生提供一套系统、全面且实用的数值模拟方法论。全书结构与内容概览：本书分为三个主要部分：理论基础、数值方法与模型、以及典型应用。第一部分：理论基础在深入数值模拟之前，本书首先系统梳理了流体流动与传热现象背后的基本物理原理。流体动力学基础：详细介绍流体的连续性方程、动量守恒方程（Navier-Stokes方程）及其不同形式，包括无粘流、粘性流、不可压缩流、可压缩流等。重点阐述了这些方程的物理意义、推导过程及其在描述流体运动中的关键作用。对不同流态（层流、湍流）的特性及其控制方程进行了深入剖析。传热学基础：系统讲解了三种基本传热机理：热传导、对流和辐射。对于热传导，深入探讨了傅里叶定律、热扩散方程及其在不同介质和边界条件下的解法。对于对流传热，详细阐述了对流换热系数的概念、影响因素，以及与流体动力学密切相关的强制对流和自然对流。对于辐射传热，则介绍了黑体辐射、灰体辐射、表面辐射特性以及辐射换热的计算方法。耦合现象：重点分析流体流动与传热之间相互耦合的复杂性，例如温度场对流体物性的影响，以及流体流动对传热速率的显著作用。这部分内容为后续的数值模拟提供必要的物理基础。第二部分：数值方法与模型本部分是本书的核心，详细介绍了实现流体流动与传热过程数值模拟的具体方法与技术。离散化方法：有限差分法 (FDM)：深入讲解了FDM的基本原理，如何将连续的偏微分方程转化为代数方程组。重点介绍不同阶数的差分格式（如中心差分、迎风差分），以及它们在精度和稳定性的权衡。有限体积法 (FVM)：详细阐述了FVM的核心思想——积分形式的守恒律。重点介绍通量计算、梯度重建等关键技术，以及FVM在处理复杂几何和保证物理量守恒方面的优势。有限元法 (FEM)：介绍了FEM的基本概念，包括单元划分、形函数、弱形式推导等。重点分析FEM在处理复杂边界条件和高阶精度问题上的应用。数值求解技术：压力-速度耦合算法：重点介绍求解不可压缩流体Navier-Stokes方程时常见的压力-速度耦合算法，如SIMPLE、SIMPLER、PISO等系列算法，并分析它们的优缺点及适用范围。求解线性方程组的迭代方法：详细介绍了求解大型稀疏线性方程组的各种迭代求解器，包括Jacobi、Gauss-Seidel、SOR、共轭梯度法 (CG)、广义最小残差法 (GMRES) 等，并讨论了预条件的必要性和常用方法。时间推进方法：介绍了显式和隐式时间推进方案，以及它们在处理时间依赖性问题时的稳定性和效率问题，如欧拉法、Crank-Nicolson法等。湍流模型：鉴于湍流在工程中的普遍性，本书对此进行了深入讲解。雷诺平均 (RANS) 模型：详细介绍RANS思想，以及各种常用的RANS模型，如Spalart-Allmaras模型、k-ε模型（标准、重整化群、稳健k-ε）、k-ω模型（标准、SST）等。分析了各模型的物理基础、适用范围及局限性。大涡模拟 (LES) 和直接数值模拟 (DNS)：简要介绍LES和DNS的基本原理，以及它们在研究复杂湍流现象中的作用，并讨论其计算成本的考量。传热数值模型：针对传热过程，详细介绍数值求解傅里叶方程和对流-扩散方程的方法。包括显式和隐式差分格式，以及针对不同传热模式（如非稳态传导、层流/湍流对流、辐射）的特殊处理技术。相变传热与多相流：简要探讨了在涉及相变（如蒸发、冷凝）和多相流（如气液、液液）时的建模难点和常用数值处理方法。第三部分：典型应用本部分通过一系列具体的工程案例，展示了流体流动与传热数值模拟在实际问题中的应用。化工过程模拟：反应器设计与优化：模拟化学反应器内的流场分布、温度场变化以及反应物浓度分布，为反应器结构优化和工艺参数调整提供依据。换热器设计与性能分析：对管壳式换热器、板翅式换热器等进行详细的流场和温度场模拟，预测换热效率，评估流体压降，为换热器设计提供指导。分离设备模拟：如精馏塔、吸收塔等，模拟塔内相间的流动与传质传热过程。航空航天与汽车工程：飞行器外部流场与热载荷分析：模拟飞机、导弹等在高速运动中的空气动力学特性，以及表面热载荷分布。发动机内部流动与燃烧模拟：分析内燃机、燃气轮机等关键部件的内部流动、燃烧过程及热管理。汽车散热系统优化：模拟发动机冷却系统、空调系统等的换热与流体流动，提高散热效率，降低能耗。能源与环保工程：发电厂锅炉及燃烧室模拟：分析燃料燃烧过程中的流场、温度场和污染物生成，优化燃烧效率，减少有害排放。核反应堆热工水力安全分析：模拟核反应堆内的冷却剂流动与传热，评估安全性能。通风与空调系统设计：模拟室内空气流动与温度分布，优化建筑物的舒适性与节能性。污染物扩散模拟：模拟烟气、有害气体在大气或水体中的扩散过程。电子设备热管理：电子元件的散热设计：模拟芯片、PCB板等电子器件的散热过程，指导散热器设计和风道优化。设备内部气流组织分析：确保电子设备内部温度分布均匀，防止过热。本书特色：理论与实践并重：既深入讲解了数值模拟背后的数学和物理原理，又通过丰富的实例展示了其在工程实际中的应用。全面性：覆盖了流体流动与传热数值模拟的绝大部分常用理论与方法，为读者构建完整的知识体系。系统性：内容组织清晰，逻辑严谨，层层递进，便于读者理解和掌握。前沿性：适当引入了湍流模拟、多相流等前沿研究方向，为读者提供进一步学习的思路。实用性：旨在提升读者的实际问题解决能力，使其能够独立进行或参与复杂的工程模拟项目。通过阅读本书，读者将能够深刻理解数值模拟在揭示复杂流动与传热现象中的强大作用，掌握选择和应用合适的数值方法与模型解决工程实际问题的能力。

作者简介

目录信息

目录
第一章导论
1.1 流体流动，传热传质过程的重要性
1.2 预测的方法
1.2.1 实验研究
1.2.2 理论计算
1.2.3 理论计算的优点
1.2.4 理论计算的缺点
1.3 何为CFD？
1.4 预测方法的选择
1.5 如何开展CFD工作？
1.5.1 前处理器
1.5.2 求解器
1.5.3 后处理器
1.6 应用CFD方法所能解决的问题
1.7 本书的目的
参考文献
第二章物理现象的数学描述
2.1 流体流动与传热过程的守恒律
2.2 控制微分方程
2.2.1 质量守恒方程
2.2.2 跟踪流体粒子或以流体微元来表示变化率
2.2.3 动量方程
2.2.4 能量方程
2.2.5 化学组分的守恒
2.2.6 状态方程
2.2.7 牛顿流体的纳维-斯托克斯方程
2.2.8 湍流的时间平均方程
2.2.9 通用微分方程
2.3 物理行为归类
2.4 控制方程的数学分类及其对数值解的影响
2.4.1 偏微分方程的3种类型
2.4.2 椭圆型方程
2.4.3 抛物型方程
2.4.4 双曲型方程
2.5 初始条件与边界条件
2.6 坐标的性质
2.6.1 自变量
2.6.2 坐标的合适选择
2.6.3 单向与双向的坐标
2.6.4 物理问题数值求解的基本过程
习题
参考文献
第三章离散化方法
3.1 数值方法的本质
3.1.1 任务
3.1.2 离散化的概念
3.1.3 离散化方程的结构
3.2 推导离散化方程的方法
3.2.1 泰勒级数公式
3.2.2 变分公式
3.2.3 加权余数法
3.2.4 控制容积公式
3.3 一个说明性的例子
3.4 四个基本法则
3.5 小结
习题
参考文献
第四章导热问题的处理
4.1 本章的对象
4.2 一维稳态热传导
4.2.1 基本方程
4.2.2 网格布置
4.2.3 界面导热系数
4.2.4 非线性
4.2.5 源项的线性化
4.2.6 边界条件
4.2.7 实例
4.3 不稳态一维热传导
4.3.1 通用的离散化方程
4.3.2 显式、克兰克一尼科尔森（Crank-Nicolson）模式、全隐式模式
4.3.3 全隐式离散化方程
4.3.4 实例
4.4 二维与三维问题
4.4.1 二维问题的离散化方程
4.4.2 三维问题的离散化方程
4.5 控制容积面的布置
4.5.1 控制容积面的位置
4.5.2 其他坐标系
4.6 小结
习题
参考文献
第五章对流一扩散问题的处理
5.1 任务
5.2 一维稳态对流与扩散
5.2.1 预备性的推导
5.2.2 上风方案
5.2.3 精确解
5.2.4 指数方案
5.2.5 混合方案
5.2.6 幂函数格式
5.2.7 一个通用化的公式
5.2.8 各种格式的结果
5.3 二维问题的离散化方程.
5.3.1 推导的细节
5.3.2 最终的离散化方程
5.4 三维问题的离散化方程
5.5 单向空间坐标
5.5.1 使空间坐标成为单向坐标的条件
5.5.2 出流边界条件
5.6 假扩散
5.6.1 关于假扩散的一般观点
5.6.2 有关假扩散的正确看法
5.7 对流-扩散问题的高阶格式
5.8 小结
习题
参考文献
第六章流场的计算
6.1 流场计算的特殊性
6.1.1 主要的困难
6.1.2 以涡量为基础的方法
6.2 某些有关的困难
6.2.1 压力梯度项的表达
6.2.2 连续性方程的表达
6.3 困难的解决——交错的网格
6.4 动量方程
6.5 压力与速度的修正
6.6 压力修正方程
6.7 SIMPLE算法
6.7.1 计算进行的顺序
6.7.2 压力修正方程的讨论
6.7.3 压力修正方程的边界条件
6.7.4 压力的相对特性
6.8 SIMPLE算法的发展（SIMPLER、SIMPLEC、SIMPLEX、PISO等）
6.8.1 修订的算法——SIMPLER
6.8.2 修订的算法——SIMPLEC
6.8.3 修订的算法——SIMPLEX
6.8.4 修订的算法——SIMPLEDate
6.8.5 修订的算法——SIMPLEST
6.8.6 修订的算法——PISO
6.9 CoupIed算法
6.10 小结
习题
第七章求解方法与最后的修饰
第八章专题
第九章应用举例
· · · · · · (收起)

读后感

评分☆☆☆☆☆

用户评价

评分☆☆☆☆☆

老实说，我拿到这本书时，曾担心它会过于学术化，充满晦涩难懂的符号。但阅读下来，发现它的组织结构非常人性化。它的结构是层层递进的，先建立数值计算的数学框架，然后迅速引入具体的求解器实现，最后通过大量的“案例分析”将理论落地。最让我感到惊喜的是，书中对“误差分析”的重视程度。它不仅讨论了离散化误差，还深入探讨了模型误差（即物理模型选择带来的误差），并提供了一套系统性的方法来量化这些不确定性。这对于我们日常工作中追求高精度验证和确认（V&V）流程的实践者来说，简直是雪中送炭。它教会我的不是如何用软件跑出结果，而是如何判断跑出来的结果是否值得信任。总而言之，这是一本扎实、严谨且高度实用的工具书。

评分☆☆☆☆☆

作为一名在高校从事教学工作的教师，我一直在寻找一本能够平衡理论深度和工程实用性的教材。这本书在这一点上做得非常出色。它没有回避复杂的数学推导，比如纳维-斯托克斯方程的守恒形式到有限体积法的具体实施步骤，这些内容对于培养学生的批判性思维至关重要。但同时，它也紧密结合了实际应用案例，例如如何为复杂的几何体（如弯管或翅片）设置合适的边界条件，以及在计算资源有限的情况下，如何权衡计算成本和结果精度。书中对耦合求解策略（例如SIMPLE族算法）的介绍，条理清晰，逻辑性极强，即便是初次接触压力-速度耦合问题的学生也能较快上手。我尤其欣赏它对“网格质量”重要性的反复强调，提醒读者网格的劣质性往往是导致计算失败的罪魁祸首。

评分☆☆☆☆☆

这本《流体流动与传热过程的数值模拟基础与应用》似乎是一本为那些想在计算流体力学（CFD）领域深耕的工程师和研究人员量身定制的“硬核”指南。我特别欣赏它从最基础的数学原理出发，逐步构建起复杂的数值模型。对于初学者来说，一开始接触那些偏微分方程和有限体积法时可能会感到有些吃力，但作者的讲解方式非常清晰，仿佛在手把手地教你如何将抽象的物理定律转化为可计算的离散方程。书中对于网格生成和处理的细节探讨也十分到位，这在实际工程应用中是至关重要的瓶颈环节。我印象最深的是关于湍流模型选择与应用的部分，它没有停留在理论层面，而是通过大量工程实例展示了不同模型（如 $k-epsilon$, $SST k-omega$）在预测真实世界复杂流动现象时的优劣。总的来说，它不是一本轻松的入门读物，更像是一本值得放在案头时常翻阅的参考手册，能帮助读者真正理解“数值模拟”背后的物理和数学逻辑，而非仅仅停留在软件操作层面。

评分☆☆☆☆☆

我是在为一项关于换热器优化的项目寻找可靠的理论支撑时接触到这本书的。坦率地说，市面上关于CFD的书籍汗牛充栋，很多都只是对商业软件操作手册的重新包装，缺乏对核心算法的深入剖析。然而，这本书的侧重点显然不同。它花了大量的篇幅讲解了时间离散化格式（如隐式与显式方法）对求解稳定性和精度的影响，这一点在处理瞬态问题时极其关键。更令我眼前一亮的是，它对“收敛性”的讨论，区分了数学收敛和物理收敛的概念，这对于我们这些需要对模拟结果负责的工程师来说，是避免“假解”出现的最重要防线。书中配图丰富，尤其是在展示数值误差的来源和如何通过改进算法来抑制这些误差时，图示的直观性大大增强了我的理解。如果你的工作要求你不仅要知道“怎么算”，更要知道“为什么这么算”，这本书的价值就体现出来了。

评分☆☆☆☆☆

这本书给我的感觉是，它是在一位经验极其丰富的流体力学专家指导下完成的。它的深度远远超出了一个基础教程的范畴，更像是一部专注于“如何避免陷阱”的实战指南。我特别关注了书中关于复杂流体（如非牛顿流体或多相流）数值处理的章节。作者清晰地指出了在处理界面捕捉（如VOF法）或颗粒离散相（如DPM）时，传统方法的局限性和最新的改进方案。在这些高阶课题上，很多书籍只是泛泛而谈，而这本书却能提供具体的离散格式和收敛技巧。对于我目前正在进行的高速流动与冲击波模拟项目来说，书中关于激波捕捉格式（如Roe或AUSM）的比较分析，为我的模型选择提供了非常有力的理论支撑。这本书绝对是进阶读者的必备藏书。

评分☆☆☆☆☆

过去不能理解的东西三年前，现在，我感觉很easy，很有味道，根本的原因还是在于有了基础。

评分☆☆☆☆☆

这本书内容不错，给差评的原因在于，主干内容与patanka著作基本类似，而自己添加的少量信息乏善可陈。这种做法实在不忍直视，化学工业出版社，哈哈

评分☆☆☆☆☆

有限体积积分法计算案例,详细程度是国内外无法比的.

评分☆☆☆☆☆

过去不能理解的东西三年前，现在，我感觉很easy，很有味道，根本的原因还是在于有了基础。

评分☆☆☆☆☆

过去不能理解的东西三年前，现在，我感觉很easy，很有味道，根本的原因还是在于有了基础。