具體描述
《計算流體動力學導論:有限體積法(第2版)(英文版)》內容簡介:We were pleasantly surprised by the ready acceptance of the first edition of our book by the CFD community and by the amount of positive feedback received over a period of 10 years. To us this has provided justification of our original plan, which was to provide an accessible introduction to this fast-growing topic to support teaching at senior undergraduate level, post- graduate research and new industrial users of commercial CFD codes. Our second edition seeks to enhance and update. The structure and didactic approach of the first edition have been retained without change, but aug- mented by a selection of the most important developments in CFD.
作者簡介
H K Versteeg and W Malalasekera are both senior lecturers in Thermo-Fluids, at Loughborough University
目錄資訊
Acknowledgements
1 Introduction
1.1 What is CFD?
1.2 How does a CFD code work?
1.3 Problem solving with CFD
1.4 Scope of this book
2 Conservation laws of fluid motion and boundary conditions
2.1 Governing equations of fluid flow and heat transfer
2.2 Equations of state
2.3 Navier-Stokes equations for a Newtonian fluid
2.4 Conservative form of the governing equations of fluid flow
2.5 Differential and integral forms of the general transport equations
2.6 Classification of physical behaviours
2.7 The role of characteristics in hyperbolic equations
2.8 Classification method for simple PDEs
2.9 Classification of fluid flow equations
2.10 Auxiliary conditions for viscous fluid flow equations
2.11 Problems in transonic and supersonic compressible flows
2.12 Summary
3 Turbulence and its modelling
3.1 What is turbulence?
3.2 Transition from laminar to turbulent }low
3.3 Descriptors of turbulent flow
3.4 Characteristics of simple turbulent flows
3.5 The effect of turbulent fluctuations on properties of the mean flow
3.6 Turbulent flow calculations
3.7 Reynolds-averaged Navier-Stokes equations and classical turbulence models
3.8 Large eddy simulation
3.9 Direct numerical simulation
3.10 Summary
4 The finite volume method for diffusion problems
4.1 Introduction
4.2 Finite volume method for one-dimensional steady state diffusion
4.3 Worked examples： one-dimensional steady state diffusion
4.4 Finite volume method for two-dimensional diffusion problems
4.5 Finite volume method for three-dimensional diffusion problems
4.6 Summary
5 The finite volume method for convection-diffusion problems
5.1 Introduction
5.2 Steady one-dimensional convection and diffusion
5.3 The central differencing scheme
5.4 Properties of discretisation schemes
5.5 Assessment of the central differencing scheme for convectiondiffusion problems
5.6 The upwind differencing scheme
5.7 The hybrid differencing scheme
5.8 The power-law scheme
5.9 Higher-order differencing schemes for convection-diffusion problems
5.10 TVD schemes
5.11 Summary
6 Solution algorithms for pressure-velocity
6.1 Introduction
6.2 The staggered grid
6.3 The momentum equations
6.4 The SIMPLE algorithm
6.5 Assembly ora complete method
6.6 The SIMPLER algorithm
6.7 The SIMPLEC algorithm
6.8 The PISO algorithm
6.9 General comments on SIMPLE， SIMPLER， SIMPLEC and PISO
6.10 Worked examples of the SIMPLE algorithm
6.11 Summary
7 Solution of discretised equations
7.1 Introduction
7.2 The TDMA
7.3 Application of the TDMA to two-dimensional problems
7.4 Application of the TDMA to three-dimensional problems
7.5 Examples
7.6 Point4terative methods
7.7 Multigrid techniques
7.8 Summary
8 the finite volume method for unsteady flows
8.1 Introduction
8.2 One-dimensional unsteady heat conduction
8.3 Illustrative examples
8.4 Implicit method for two- and three-dimensional problems
8.5 Discretisation of transient convection-diffusion equation
8.6 Worked example of transient convection-diffusion using QUICK differencing
8.7 Solution procedures for unsteady flow calculations
8.8 Steady state calculations using the pseudo-transient approach
8.9 A brief note on other transient schemes
8.10 Summary
9 Implementation of boomfary confftions
9.1 Introduction
9.2 Inlet boundary conditions
9.3 Outlet boundary conditions
9.4 Wall boundary conditions
9.5 The constant pressure boundary condition
9.6 Symmetry boundary condition
9.7 Periodic or cyclic boundary condition
9.8 Potential pitfalls and final remarks
10 Errors and uncertainty in CFD modelling
10.1 Errors and uncertainty in CFD
10.2 Numerical errors
10.3 Input uncertainty
10.4 Physical model uncertainty
10.5 Verification and validation
10，6 Guidelines for best practice in CFD
10.7 Reporting/documentation of CFD simulation inputs and results
10.8 Summary
11 Methods for dealing with complex geometries
11.1 Introduction
11.2 Body-fitted co.ordinate grids for complex geometries
11.3 Catesian vs. curvilinear grids - an example
11.4 Curvilinear grids - difficulties
11.5 Block-structured grids
11.6 Unstructured grids
11.7 Discretisation in unstructured grids
11.8 Discretisafion of the diffusion term
11.9 Discretisafion of the convective term
11.10 Treatment of source terms
11.11 Assembly of discretised equations
11.12 Example calculations with unstructured grids
11.13 Pressure-velocity coupling in unstructured meshes
11.14 Staggered vs. co-located grid arrangements
11.15 Extension of the face velocity interpolation method to unstructured meshes
11.16 Summary
12 CFD modelling of combustion
12.1 Introduction
12.2 Application of the first law of thermodynamics to a combustion system
12.3 Enthalpy of formation
12.4 Some important relationships and properties of gaseous mixtures
12.5 Stoichiometry
12.6 Equivalence ratio
12.7 Adiabatic flame temperature
12.8 Equilibrium and dissociation
12.9 Mechanisms of combustion and chemical kinetics
12.10 Overall reactions and intermediate reactions
12.11 Reaction rate
12.12 Detailed mechanisms
12.13 Reduced mechanisms
12.14 Governing equations for combusting flows
12.15 The simple chemical reacting system (SCRS)
12.16 Modelling of a laminar diffusion flame - an example
12.17 CFD calculation of turbulent non-premixed combustion
12.18 SCRS model for turbulent combustion
12.19 Probability density function approach
12.20 Beta pdf
12.21 The chemical equilibrium model
12.22 Eddy break-up model of combustion
12.23 Eddy dissipation concept
12.24 Laminar flamelet model
12.25 Generation oflaminar， flamelet libraries
12.26 Statistics of the non-equilibrium parameter
12.27 Pollutant formation in combustion
12.28 Modelling of thermal NO formation in combustion
12.29 Flamelet-based NO modelling
12.30 An example to illustrate laminar flamelet modelling and NO modelling of a turbulent flame
12.31 Other models for non-premixed combustion
12.32 Modelling ofpremixed combustion
12.33 Summary
13 Numedcal calculation of radiative heat transfer
13.1 Introduction
13.2 Governing equations of radiative heat transfer
13.3 Solution methods
13.4 Four popular radiation calculation techniques suitable for CFD
13.5 Illustrative examples
13.6 Calculation of radiative properties in gaseous mixtures
13.7 Summary
Appendix A Accuracy of a flow simulation
Appendix B Non-uniform grids
Appendix C Calculation of source terms
Appendix D Limiter functions used in Chapter 5
Appendix E Derivation of one-dimensional governing equations for steady， incompressible flow through a planar nozzle
Appendix F Alternative derivation for the term (n . grad Ai) in Chapter 11
Appendix G Some examples
Bibliography
Index
· · · · · · (收起)
讀後感
用戶評價
本書對求解器算法的深入剖析，是我認為其最核心的價值之一。作者在講解綫性方程組的求解時，不僅僅是列齣各種迭代算法的公式，更是深入探討瞭它們的收斂性、穩定性和計算復雜度。對於簡單的迭代方法，如雅可比迭代和高斯-賽德爾迭代，作者給齣瞭詳細的矩陣譜半徑分析，解釋瞭為何它們在某些情況下會收斂緩慢，而在另一些情況下則失效。我特彆欣賞書中對預條件技術的介紹，這對於加速大型稀疏綫性方程組的求解至關重要。作者詳細解釋瞭預條件的物理意義，即通過變換原方程組，使其係數矩陣的條件數降低，從而加速迭代求解器的收斂。書中列舉瞭多種預條件子，如對角預條件子、ILU分解預條件子等，並分析瞭它們各自的優缺點以及在不同問題中的適用性。對於非綫性方程組的求解，書中也給齣瞭詳細的分析，特彆是對牛頓迭代法及其變種的講解，讓我理解瞭如何通過綫性化和迭代來逼近非綫性解。作者也討論瞭求解器的選擇策略，指齣在實際應用中，需要根據問題的規模、係數矩陣的特性以及對精度的要求來選擇最閤適的求解器。
评分在數值離散方法方麵，這本書的講解深度和廣度都令人稱道。作者並沒有滿足於對常見方法的簡單介紹，而是深入探討瞭不同離散格式的數學原理和物理含義。例如，在討論有限體積法時，書中詳細闡述瞭通量求積、界麵重構等關鍵概念，並解釋瞭如何通過對守恒律在控製體內進行積分來實現離散方程的建立，這使得我對流體守恒的數值實現有瞭更深的理解。同時，作者也強調瞭網格生成的重要性，從結構化網格到非結構化網格，再到自適應網格技術，都進行瞭詳盡的介紹，並分析瞭不同網格類型對計算精度和效率的影響。我特彆欣賞作者在講解時間離散方法時，對顯式和隱式方法的權衡分析。他不僅解釋瞭它們各自的穩定性條件和計算效率差異，還通過具體的算例，展示瞭在處理不同時間尺度問題時，哪種方法更為閤適。例如，在模擬激波傳播這類快速瞬態過程時，選擇閤適的顯式方法配閤小時間步長是關鍵；而在模擬穩態流動時，隱式方法能夠允許更大的時間步長，顯著提高計算效率。書中對求解器的選擇也有深入的討論，從迭代求解器如雅可比法、高斯-賽德爾法，到預條件共軛梯度法等，都給齣瞭詳細的數學推導和適用性分析。
评分本書在介紹CFD軟件應用和後處理方麵，提供瞭非常實用的指導。作者並非僅僅停留在理論層麵，而是將理論與實際操作相結閤，為讀者指明瞭學習方嚮。書中詳細介紹瞭市麵上一些主流的CFD軟件，如 ANSYS Fluent、OpenFOAM 等，並對它們的功能、優缺點以及適用範圍進行瞭簡要的比較。對於初學者而言，這種介紹能夠幫助他們快速瞭解 CFD 軟件生態，並選擇適閤自己的入門工具。在網格生成部分，作者也提供瞭一些常用的網格生成軟件的介紹，並解釋瞭不同網格類型在軟件中的實現方式。我特彆關注瞭後處理部分的講解，作者深入淺齣地介紹瞭如何從 CFD 軟件中提取有用的信息，如速度雲圖、壓力分布圖、流綫圖等。他不僅講解瞭如何生成這些可視化結果，還引導讀者如何從這些結果中分析流動特性，例如識彆分離區域、預測流動穩定性等。書中還提及瞭一些高級的後處理技術，如數據統計分析、耦閤多物理場可視化等，這讓我對 CFD 在工程應用中的強大潛力有瞭更深的認識。
评分本書在關於CFD的未來發展趨勢方麵的探討，極具啓發性。作者並沒有將CFD僅僅停留在現有的技術水平，而是敏銳地洞察瞭行業的發展方嚮，並對未來可能的技術突破進行瞭展望。他詳細討論瞭人工智能和機器學習在CFD領域的融閤應用，例如如何利用機器學習來加速 CFD 求解器的收斂速度，或者如何通過機器學習來構建更精確的湍流模型。書中也提及瞭高性能計算（HPC）的不斷發展對 CFD 的推動作用，例如更大規模的模擬、更高精度的計算，以及更復雜的物理過程的模擬。我特彆關注瞭關於“數字孿生”和“集成模擬”的討論，作者認為，未來的CFD將不僅僅是孤立的數值模擬，而是會與其他工程仿真技術相結閤，形成一個更加全麵的虛擬仿真平颱，從而實現對産品全生命周期的優化和管理。他還對CFD在新興領域的應用進行瞭預測，比如在量子計算和生物計算等前沿科技中的潛力。總而言之，本書讓我對CFD的未來充滿期待，也意識到瞭持續學習和擁抱新技術的重要性。
评分本書對於物理模型選擇和驗證的講解，可以說非常具有實踐指導意義。作者沒有將CFD僅僅看作是數值方法的堆砌，而是強調瞭模型選擇的重要性，以及驗證工作的必要性。在介紹湍流模型時，作者詳細闡述瞭 RANS、LES 和 DNS 各自的物理基礎和應用場景，並分析瞭它們在預測不同流動現象時的優缺點。例如，他舉例說明瞭在設計飛機機翼時，RANS 模型可能足以滿足初步設計需求，但如果要精確模擬翼尖渦結構，可能就需要更高級的 LES 或 DNS 方法。書中也強調瞭模型驗證的重要性，鼓勵讀者將數值模擬結果與實驗數據或解析解進行對比，以評估模型的準確性。作者提供瞭一些基本的驗證方法，如網格收斂性研究、幾何相似性分析等，並解釋瞭如何通過這些方法來判斷數值結果的可靠性。我尤其贊賞書中對“模擬的局限性”的坦誠討論，作者並沒有將CFD描述成萬能的工具，而是提醒讀者，任何模型都有其適用範圍，過度依賴數值模擬而忽視物理原理和實驗驗證，可能會導緻錯誤的結論。
评分本書在探討CFD在具體工程領域的應用時，展現瞭其深厚的底蘊和前瞻性。作者通過一係列精心挑選的案例研究，生動地展現瞭CFD技術如何解決實際工程問題。例如，在航空航天領域，書中詳細闡述瞭如何利用CFD技術對飛機機翼進行氣動優化，降低阻力，提高升力，以及模擬飛行器在高超聲速下的流動特性。在汽車工業方麵，則重點介紹瞭CFD在汽車外形設計中的應用，如何優化車身流綫，減少風阻，降低油耗，同時還涉及瞭發動機內部的燃燒模擬和冷卻係統設計。我印象特彆深刻的是書中關於綠色能源應用的章節，例如如何利用CFD模擬風力渦輪機的葉片氣動性能，優化其發電效率，以及在太陽能電池闆上的流體流動和傳熱模擬。作者在分析這些案例時，不僅僅是羅列結果，而是深入剖析瞭CFD在其中扮演的角色，以及數值模擬如何指導工程設計和改進。他還在書中提及瞭CFD在生物醫學領域的應用，例如模擬血液在血管中的流動，以及藥物在人體內的輸運過程，這讓我看到瞭CFD更廣泛的社會價值。
评分本書在處理邊界條件和初始條件方麵的講解，可以說為我打開瞭新的視角。作者並沒有將它們視為簡單的輸入參數，而是深入探討瞭它們對數值模擬結果的影響。對於邊界條件，書中詳細列舉瞭各種常見的邊界類型，如入口邊界、齣口邊界、壁麵邊界、對稱邊界等，並提供瞭相應的數學錶達和數值實現方法。我特彆關注瞭關於周期性邊界條件和開域邊界條件的討論，這對於模擬無限域流動或周期性結構流動至關重要。作者通過圖示清晰地展示瞭這些邊界條件的應用場景，比如在模擬風洞實驗時，如何處理進齣口的速度和壓力分布；在模擬管道內的流動時，如何設置壁麵上的速度和溫度條件。對於初始條件，書中也強調瞭其對收斂速度和最終解的影響。作者並非簡單地要求讀者設定一個初始狀態，而是引導讀者去思考，一個閤理的初始條件能夠加速計算的收斂，甚至避免數值不穩定的發生。例如，在模擬一個復雜的流動演化過程時，一個過於“粗糙”的初始條件可能會導緻初期齣現大量的振蕩，而一個基於經驗或簡化模型的初始狀態，則可能更快地引導計算嚮穩定狀態發展。
评分這本書的裝幀設計相當令人印象深刻，封麵采用瞭深邃的藍色作為主色調，搭配著銀色流動的綫條，仿佛描繪著空氣或流體在復雜空間中穿梭的軌跡。紙張的質感也很考究，觸感溫潤，翻頁時沒有刺耳的沙沙聲，這對於長時間閱讀來說，無疑是一種舒適的體驗。開篇的文字就以一種直觀的方式引入瞭計算流體動力學（CFD）的魅力，沒有上來就堆砌枯燥的公式和理論，而是通過一些宏大的應用場景，比如航空航天領域的飛機設計、汽車工業的空氣動力學優化，甚至是氣象預報和生物醫學的流體模擬，讓我對CFD這門學科産生瞭濃厚的興趣。作者在介紹CFD的起源和發展時，也相當詳盡，從早期簡陋的計算機模擬到如今高性能計算帶來的巨大突破，曆史的脈絡清晰可見。對於初學者而言，這種循序漸進的引導方式，能夠有效地降低學習門檻，讓我意識到CFD並非遙不可及的理論，而是解決實際問題的重要工具。我尤其欣賞作者在章節開頭設置的“思考題”，這些問題並非簡單地考察記憶，而是引導讀者去理解概念背後的邏輯和原理，激發主動探索的欲望。例如，關於離散化方法的選擇，作者並沒有直接給齣“最優解”，而是列舉瞭有限差分、有限體積和有限元等方法的優缺點，並結閤不同的問題類型，讓讀者自行權衡，這種教學方式遠比直接灌輸要深刻得多。
评分這本書對於流體力學基本概念的闡述，可以說是鞭闢入裏，讓我這個對流體動力學僅有初步瞭解的人，也能迅速掌握核心要義。作者在講解 Navier-Stokes 方程組時，沒有僅僅停留在數學形式的羅列，而是深入剖析瞭方程中各項物理意義的來源，例如慣性力、壓力梯度、粘性力以及外力等，並詳細解釋瞭它們在不同流體運動狀態下的相對重要性。書中對邊界條件的處理也格外細緻，無論是壁麵上的無滑移條件，還是自由錶麵的自由度，都給齣瞭清晰的解釋和相應的數學模型。我特彆喜歡作者通過圖示來輔助講解，那些精美的流綫圖、渦結構示意圖，以及速度場分布圖，都極大地增強瞭理解的直觀性。對於一些復雜的流動現象，比如湍流，作者也給齣瞭不同模型的介紹，如雷諾平均 Navier-Stokes (RANS) 模型、大渦模擬 (LES) 以及直接數值模擬 (DNS)，並闡述瞭它們各自的適用範圍和計算成本，這讓我對如何選擇閤適的湍流模型有瞭初步的認識。在講解數值方法的部分，作者巧妙地將數學理論與實際計算聯係起來，例如在介紹離散化技術時，他詳細分析瞭迎風格式、中心差分等方法的數值耗散和穩定性問題，並給齣瞭如何通過改進格式來提高計算精度的具體思路。
评分從整體閱讀體驗來看，這本書的結構清晰，邏輯嚴謹，語言流暢。作者在講解復雜的數學概念時，能夠做到深入淺齣，配閤大量的圖錶和實例，使得閱讀過程充滿樂趣，而非枯燥的理論灌輸。我尤其欣賞作者在每個章節末尾設置的“總結”部分，它能夠幫助我快速迴顧本章的核心內容，加深理解。此外，書中還附帶瞭詳細的參考文獻列錶，這對於那些想要深入研究某個特定主題的讀者來說，提供瞭寶貴的綫索。在翻譯方麵，這本書的中文譯本也非常齣色，術語翻譯準確，錶達清晰，沒有齣現令人費解的生硬翻譯。我個人認為，這本書非常適閤作為計算流體動力學領域的入門教材，無論是對於在校學生，還是對於已經從事相關工作的工程師，都能從中受益匪淺。這本書不僅僅是傳授知識，更是激發瞭我對CFD領域進一步探索的熱情，讓我意識到這個學科的博大精深和無窮魅力。它為我打開瞭一扇通往更加廣闊的工程技術世界的大門。
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