计算流体力学 从实践中学习PDF电子书下载

1 绪论 1

1.1 计算流体力学的概念 1

1.2 计算流体力学的优点 3

1.3 计算流体力学的应用 4

1.3.1 研究工具 4

1.3.2 基础热流体科学的教学工具 5

1.3.3 设计工具 6

1.3.4 航空 6

1.3.5 汽车工程 7

1.3.6 生物科学与工程 8

1.3.7 化学和采矿业 10

1.3.8 民用和环境工程 12

1.3.9 能源 13

1.3.10 体育 15

1.4 计算流体力学展望 17

1.5 小结 18

复习题 18

2 CFD求解入门 20

2.1 概述 20

2.1.1 CFD共享软件 21

2.1.2 商业CFD软件 21

2.2 问题的确定：前处理 23

2.2.1 第一步：几何模型创建 23

2.2.2 第二步：网格生成 25

2.2.3 第三步：物理特性和流体特性选择 26

2.2.4 第四步：边界条件设定 28

2.3 数值求解：CFD求解器 32

2.3.1 第五步：初值设定和求解控制 32

2.3.2 第六步：收敛监视 34

2.4 计算结果报告及其可视化：后处理 37

2.4.1 X-Y直角坐标图 38

2.4.2 矢量图 39

2.4.3 云图 39

2.4.4 其他图形 42

2.4.5 数据报告及输出 43

2.4.6 动画 43

2.5 小结 44

复习题 45

3 CFD基本控制方程 46

3.1 概述 46

3.2 连续性方程 46

3.2.1 质量守恒 46

3.2.2 物理意义 49

3.2.3 说明 52

3.3 动量方程 53

3.3.1 力的平衡 53

3.3.2 物理意义 56

3.3.3 说明 64

3.4 能量方程 64

3.4.1 能量守恒 64

3.4.2 物理意义 66

3.4.3 说明 71

3.5 湍流附加方程 72

3.5.1 何谓湍流 72

3.5.2 k-ε两方程湍流模型 73

3.5.3 说明 78

3.6 CFD控制方程的通式 80

3.7 控制方程的物理边界条件 85

3.8 小结 87

复习题 88

4 CFD求解技术基础 92

4.1 概述 92

4.2 控制方程的离散 93

4.2.1 有限差分法 93

4.2.2 有限体积法 97

4.2.3 控制方程向代数方程的转化 100

4.3 代数方程的数值解法 109

4.3.1 直接方法 109

4.3.2 迭代方法 112

4.3.3 压力-速度耦合：SIMPLE算法 116

4.4 小结 125

复习题 125

5 CFD计算结果分析基础 129

5.1 概述 129

5.2 相容性 129

5.3 稳定性 132

5.4 收敛 137

5.4.1 何谓收敛 137

5.4.2 残差和收敛条件 138

5.4.3 收敛难点和欠松弛的使用 139

5.4.4 加速收敛 141

5.5 计算精度 142

5.5.1 计算误差源 143

5.5.2 计算误差的控制 147

5.5.3 数值求解的检查和验证 148

5.6 求解效率 149

5.7 实例研究 150

5.7.1 例1：管道内流动 151

5.7.2 例2：90°弯管內的流动 153

5.8 小结 157

复习题 157

6 CFD模拟与分析实用技巧 159

6.1 概述 159

6.2 网格生成 160

6.2.1 网格生成概述 160

6.2.2 网格品质与网格设计 166

6.2.3 局部网格细化和自适应性求解 168

6.3 边界条件 171

6.3.1 边界条件设置概述 171

6.3.2 入口边界条件 173

6.3.3 出口边界条件 174

6.3.4 壁面边界条件 175

6.3.5 对称和周期性边界条件 176

6.4 湍流模型 177

6.4.1 湍流建模方法回顾 177

6.4.2 湍流模型选择策略 179

6.4.3 近壁面处理 184

6.4.4 边界条件设置 187

6.4.5 算例：翼面流动中的两方程湍流建模 189

6.5 小结 193

复习题 194

7 CFD应用实例 197

7.1 概述 197

7.2 设计过程中的辅助设计工具 197

7.3 作为研究的工具：增进对物理现象的理解 203

7.4 其他一些重要应用 210

7.4.1 与流体流动耦合的热量传递 210

7.4.2 浮力作用下的自由火焰 223

7.4.3 车队中的空气流动 229

7.4.4 人鼻腔內的空气／颗粒流动 234

7.4.5 高速流动 238

7.5 小结 256

复习题 257

8 CFD中的某些前沿课题和探究方法 262

8.1 概述 262

8.2 最新数值方法和技术 262

8.2.1 不可压缩流动 262

8.2.2 可压缩流动 265

8.2.3 移动网格 269

8.2.4 多重网格 272

8.2.5 并行计算 274

8.2.6 浸入边界方法 275

8.3 最新计算模型 277

8.3.1 直接数值模拟（DNS） 277

8.3.2 大涡模拟（LES） 279

8.3.3 湍流流动的RANS-LES耦合 281

8.3.4 多相流 283

8.3.5 燃烧 284

8.3.6 流-固耦合 286

8.3.7 生物流体动力学 287

8.4 CFD中的其他数值方法 289

8.4.1 格子Boltzmann方法 289

8.4.2 Monte Carlo方法 290

8.4.3 粒子方法 292

8.5 小结 293

复习题 294

附录A 守恒方程的推导 296

附录B 迎风格式 300

附录C 显式及隐式方法 301

附录D 学习进程和学时安排 303

附录E CFD作业及CFD课程设计指导 305

参考文献 316

建议进一步阅读的书籍 330