Quality and Reliability of Large-Eddy Simulations pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:

作者:Meyers, Johan (EDT)/ Geurts, Bernard (EDT)/ Sagaut, Pierre (EDT)

出品人:

页数:378

译者:

出版时间:

价格:1614.00 元

装帧:

isbn号码:9781402085772

丛书系列:

图书标签:

• Large-Eddy Simulation
• Turbulence Modeling
• Computational Fluid Dynamics
• Fluid Mechanics
• Reliability Engineering
• Quality Control
• Numerical Simulation
• Engineering Analysis
• Turbulent Flows
• LES

湍流模拟：从理论基础到前沿应用 图书简介 本书旨在为流体力学、计算科学以及相关工程领域的专业人士和高级学生提供一个全面且深入的视角，探讨湍流流动的数值模拟技术，特别是侧重于先进的格子玻尔兹曼方法（Lattice Boltzmann Method, LBM）及其在复杂流动现象中的应用。本书不涉及具体关于“Quality and Reliability of Large-Eddy Simulations”的论述，而是聚焦于构建稳健、高效且物理准确的湍流建模框架。 第一部分：湍流的本质与数值挑战 湍流是自然界和工程中最普遍、最复杂的流动现象之一。本部分将首先建立理解湍流特性的理论基础，并阐述传统数值方法（如有限体积法、有限元法）在捕捉湍流多尺度结构时所面临的固有挑战。 第一章：湍流流动的基本特性 深入剖析湍流的统计学描述，包括雷诺平均、脉动速度的统计矩、能量级串理论（Kolmogorov 1941 理论）及其局限性。讨论湍流的生成机制，如剪切层不稳定性、尾流发展以及边界层内的转捩过程。重点阐述湍流中存在的大量涡旋结构如何影响动量、热量和物质的输运过程。 第二章：传统计算流体力学（CFD）方法的局限性 回顾雷诺平均纳维-斯托克斯（RANS）方程及其对湍流模型的需求，详细分析当前主流的湍流模型（如 $k-epsilon$ 模型、$k-omega$ 模型）在处理非定常、分离流和强压力梯度流动时的系统性偏差。讨论直接数值模拟（DNS）在计算资源上的极高要求，及其在实际工程应用中的不可行性。本章将为引入更具前瞻性的数值方法奠定基础。 第二部分：格子玻尔兹曼方法（LBM）的理论构建 本部分是本书的核心，详细介绍了格子玻尔兹曼方法（LBM）的数学基础、演化机制及其作为一种新兴模拟工具的优势。LBM 通过介观的流体粒子分布函数演化来重构宏观的纳维-斯托克斯方程。 第三章：LBM的基本原理与数学推导 系统介绍 LBM 的核心思想：将连续的纳维-斯托克斯方程离散化为玻尔兹曼方程的格子形式。推导 Bhatnagar-Gross-Krook (BGK) 弛豫模型及其在二、三维格子上的具体实现（D2Q9, D3Q19 离散格式）。详细阐述 LBM 的局部性、显式时间步进机制，并从矩展开理论（Chapman-Enskog 展开）出发，严格证明 LBM 在低马赫数极限下如何精确恢复宏观的不可压缩纳维-斯托克斯方程，以及如何精确捕获扩散项。 第四章：处理复杂边界与多相流耦合 LBM 在处理复杂几何边界方面具有显著优势。本章深入探讨各种边界条件的处理技术，包括固壁反射边界、周期性边界以及透气性边界的实现。随后，扩展讨论 LBM 在模拟多相流体问题中的潜力。重点介绍相场模型（Phase Field Model）与 LBM 的耦合框架，用于模拟液-气界面、液-液分散体系的动力学，如气泡的生成与破碎、液滴的聚并。 第五章：热传输与多组分流的LBM实现 将 LBM 扩展到更广泛的物理现象，包括能量传输和质量传输。详细介绍如何构建多组分 LBM 模型（MCM），通过引入多个分布函数来分别描述不同组分的浓度演化。对于热传输问题，阐述如何通过额外的能量演化方程或通过修改动量分布函数的特定矩来引入温度场，并精确捕捉对流-扩散传热过程。 第三部分：LBM 在湍流建模中的高级应用 尽管 LBM 最初是为模拟低速、低马赫数流动而设计的，但通过引入适当的湍流模型和耦合策略，它已成为研究复杂湍流的重要工具。本部分侧重于 LBM 如何与其他高级模拟技术结合，以应对高雷诺数下的挑战。 第六章：LBM与亚格子模型（Sub-Grid Scale Modeling）的结合 为模拟高雷诺数流动，必须对亚格子尺度的湍流涡旋进行建模。本章探讨将传统的湍流模型（如 Smagorinsky 模型的修正形式）嵌入到 LBM 框架中的方法。讨论如何利用 LBM 的局部性优势，设计与格子结构相适应的亚格子应力模型，并分析这些混合模型的数值稳定性和准确性。重点分析非平衡性分布函数在表征亚格子应力中的潜在作用。 第七章：基于LBM的非牛顿流体与多孔介质模拟 LBM 在处理非牛顿流体方面展现出天然的适应性，因为牛顿粘度是其宏观形式的直接产物。本章详细研究剪切稀化（如聚合物溶液）和剪切增稠流体的 LBM 实现，特别是如何将流变学模型集成到弛豫时间参数的局部变化中。此外，探讨 LBM 在模拟通过复杂多孔介质（如颗粒床、岩土工程结构）中的流动，分析孔隙结构对宏观渗透率和局部湍流起泡的影响。 第八章：高性能计算与并行化策略 LBM 的高度局部化计算特性使其天然适合并行计算。本章讨论在现代大规模并行架构（如 GPU 和多核 CPU 集群）上实现高效 LBM 模拟的策略。详细分析域分解技术、通信优化以及如何利用 GPU 的并行处理能力大幅加速 LBM 演化步骤，从而使得研究人员能够运行更大规模的瞬态流动模拟。 结论 本书总结了 LBM 作为一种强大的、具有替代性的流体动力学模拟工具的当前地位，展望了其在未来复杂多物理场耦合问题研究中的巨大潜力，尤其是在微观尺度结构控制和宏观系统优化中的应用前景。

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