CFD技術原理與應用 pdf epub mobi txt 電子書 下載 2025

簡體網頁||繁體網頁

☆☆☆☆☆

張師帥 著

圖書標籤:

• CFD
• 計算流體力學
• 流體動力學
• 數值模擬
• 工程應用
• 傳熱學
• 多相流
• 湍流
• 有限體積法
• 科學計算

齣版社： 華中科技大學齣版社

ISBN：9787568015790

版次：1

商品編碼：11993180

包裝：平裝

開本：16開

齣版時間：2016-07-01

用紙：膠版紙

頁數：338

字數：555000

內容簡介

CFD技術原理與應用是一本介紹CFD技術原理與應用的指導性教材。全書分為10章。第1~6章介紹CFD技術的基本理論，包括CFD基本知識、控製方程的離散、流場的求解計算、湍流模型及其應用、邊界條件與網格生成、格子Boltzmann方法等。第7~10章介紹CFD軟件的基本知識，以及軟件GAMBIT、FLUENT、TECPLOT的基本用法。理論與實踐並重，實用性強，是本書的X大特點。
本書可以作為能源動力、航空航天、機械工程、環境工程、化學工程、交通工程、土木工程等領域的高年級本科生、研究生教材，也可供上述領域的科研人員，特彆是研究和應用CFD技術的人員參考。

前言/序言

計算流體動力學（computational fluid dynamics，簡稱CFD）是一門新興的獨立學科，它將數值計算方法和數據可視化技術有機結閤起來，對流動、傳熱等相關物理現象進行模擬分析，是當今除理論分析、實驗測量之外，解決流動與傳熱問題的又一種技術手段。盡管其發展的時間不長，但隨著計算機性能的不斷提高，目前計算流體動力學分析已經廣泛滲透到各種現代科學研究和工程應用之中。
CFD軟件早在20世紀70年代就已在美國誕生，但在國內真正得到廣泛應用則是最近十幾年的事。目前，CFD軟件已經成為解決各種流動、傳熱問題的強有力工具，並成功應用於能源動力、石油化工、汽車設計、建築暖通、航空航天以及生物醫學等各種科技領域。過去隻能依靠實驗手段纔能獲得的某些結果，現在已經完全可以藉助CFD軟件的模擬計算來準確獲取。
隨著計算機性能的提高，CFD軟件在工程模擬計算中所發揮的作用日益增強，高校和企業的廣大科技人員對於CFD軟件的學習熱情空前高漲，為他們提供一本理論與實踐並重的指導性教材非常必要。
本書正是針對高校學生和企業相關科技人員學習CFD軟件的需要而編寫的。編者結閤自身多年的理論教學和應用實踐經驗，采用最通俗的語言解釋CFD原理與應用中最核心、最本質的內容，同時將理論方法與軟件應用結閤起來介紹，力爭讓不同層次的讀者能夠掌握CFD的基本原理和CFD軟件的基本用法。
本書重點介紹當前經典的商用CFD軟件FLUENT以及通用後處理軟件TECPLOT的基本用法。理論與實踐並重，實用性強，是本書的最大特點。
全書分為10章。第1~6章以CFD原理為核心，重點介紹CFD軟件的基本原理。第7~10章結閤具體軟件（FLUENT 6.3、GAMBIT 2.3和TECPLOT 10.0），重點介紹CFD軟件的實踐應用，並給齣CFD軟件在流動分析、傳熱計算等方麵的實例。
在本書編寫過程中，得到瞭華中科技大學能源學院蔡兆麟教授、周懷春教授以及研究生羅亮、李偉華、秦鬆江、仇生生、楊勤、黃書纔和匡海雲的支持和幫助，同時還得到瞭北京海基科技發展有限公司和上海明導電子科技有限公司的支持和幫助。在本書齣版過程中，得到華中科技大學齣版社的大力支持。在此一並緻以深深的謝意！
由於編者水平有限，書中不足之處在所難免，懇請讀者批評指正，不勝感激

《流體動力學仿真：理論基礎與前沿探索》 內容簡介 本書緻力於深入剖析計算流體動力學（CFD）這一強大工具背後的核心科學原理，並在此基礎上，展望其在多學科交叉領域中的前沿應用。我們並非局限於單一技術的介紹，而是著重於構建一個係統化的認知框架，使讀者能夠理解CFD方法的由來、演進以及其在解決復雜工程問題時的普適性與局限性。 第一部分：理論基石——流體力學方程的解析與離散化 在開啓CFD的探索之旅前，穩固的理論基礎是不可或缺的。本部分將首先迴顧流體力學最基本的守恒定律，即質量守恒、動量守恒和能量守恒。我們將詳細闡述這些定律在連續介質力學中的數學錶達形式——納維-斯托剋斯（Navier-Stokes）方程組。這組方程是描述流體運動的“聖杯”，理解其物理意義和數學結構是掌握CFD的關鍵。 我們將從最簡單的不可壓縮、粘性流體（Navier-Stokes方程）入手，逐步過渡到可壓縮流、湍流等更復雜的流動現象。對於每一種流動類型，我們都會深入分析其支配方程的特點，以及在不同假設下方程的簡化與演化。例如，對於低雷諾數流動，我們會探討斯托剋斯（Stokes）方程的重要性；對於高速流動，則會詳細解析激波的産生與傳播機製。 理論的推導並非止步於方程本身。理解方程的物理內涵，例如慣性力、粘性力、壓力梯度以及外力在流動中的作用，對於正確應用CFD至關重要。我們將通過具體的物理場景，如圖層流、完全湍流、邊界層分離等，來加深讀者對這些力的認知。 然而，現實世界中的流體流動往往是非綫性的、高度復雜的，無法直接通過解析方法求解。因此，數值求解成為CFD的核心。本部分將詳細介紹求解納維-斯托剋斯方程組的數值離散化技術。我們將從最基礎的有限差分法（Finite Difference Method, FDM）開始，講解如何將連續的微分方程轉化為代數方程組。這包括網格劃分、離散格式的選擇（如中心差分、迎風差分）以及它們在精度和穩定性上的權衡。 隨後，我們將深入探討有限體積法（Finite Volume Method, FVM）。FVM在CFD領域占據主導地位，其優勢在於能夠自然地處理非結構化網格，並且能夠保證守恒律在數值計算中的嚴格滿足，這對於模擬質量、動量和能量的傳輸至關重要。我們將詳細講解通量計算、積分守恒的實現以及不同通量求解器的原理。 最後，本部分還將簡要介紹有限元法（Finite Element Method, FEM）在CFD中的應用。雖然FEM在結構力學領域更為常見，但其在處理復雜幾何形狀和特定邊界條件時也展現齣獨特的優勢。我們將對比FDM、FVM和FEM的特點，幫助讀者理解不同方法的適用場景。 第二部分：數值求解器的奧秘——算法、迭代與收斂 一旦方程被離散化，就轉化為一個龐大的代數方程組。如何高效、準確地求解這個方程組，是CFD技術的另一大挑戰。本部分將聚焦於各種數值求解器的核心原理與算法。 我們將從最簡單的綫性方程組求解方法開始，如高斯消元法，然後過渡到迭代求解方法，如雅可比法（Jacobi Method）和高斯-賽德爾法（Gauss-Seidel Method）。理解這些迭代方法的收斂條件、收斂速度以及它們在CFD問題中的局限性是至關重要的。 對於求解大型稀疏綫性方程組，這在CFD中是普遍存在的，我們將重點介紹更為先進的迭代求解器，如預條件共軛梯度法（Preconditioned Conjugate Gradient, PCG）、廣義最小殘差法（Generalized Minimal Residual, GMRES）等。這些方法通過引入預條件子來加速收斂，提高求解效率。我們將探討不同預條件子的構造方法以及它們對求解性能的影響。 在CFD中，壓力-速度耦閤是一個核心難題。由於壓力方程本身並沒有一個獨立的守恒方程，求解過程中容易齣現壓力和速度不匹配的問題。本部分將詳細介紹解決這一問題的經典算法，如SIMPLER（Semi-Implicit Method for Pressure Linked Equations Revised）係列算法及其改進算法。我們將深入分析這些算法的迭代流程，以及它們如何通過預測-校正的機製來實現壓力和速度的交替更新，直至達到收斂。 此外，我們還將探討求解非定常流動（瞬態模擬）的算法。這包括顯式和隱式時間推進方案，例如歐拉法（Eulerian Method）、龍格-庫塔法（Runge-Kutta Method）等。我們將分析不同時間推進方案的穩定性和精度，以及它們在處理不同尺度時間行為時的優缺點。 收斂性是CFD模擬成功的關鍵。本部分將詳細講解如何評估數值解的收斂性，包括殘差分析、監控關鍵物理量（如力、力矩、流量、溫度等）的變化。我們將介紹網格無關性研究的重要性，以及如何通過細化網格來判斷結果是否收斂到真實解。同時，我們還會討論可能導緻計算發散的原因，如不恰當的數值格式、過大的時間步長、不穩定的邊界條件等，並提供相應的解決方法。 第三部分：湍流模擬的挑戰與策略 湍流是自然界和工程中最為普遍但也最為復雜的流動現象。其尺度範圍大、隨機性和非綫性特性，使得直接數值模擬（Direct Numerical Simulation, DNS）在實際工程應用中難以實現。本部分將聚焦於湍流模擬的核心挑戰和主流的模擬策略。 我們將首先深入理解湍流的統計特性，包括湍動能、耗散率、伯格斯（Burgers）方程等概念。我們將詳細闡述湍流的産生和發展機製，以及湍流邊界層、湍流混閤等關鍵現象。 在此基礎上，我們將詳細介紹雷諾平均（Reynolds Averaging, RANS）方法。RANS是目前工程應用中最廣泛的湍流模型。我們將詳細講解如何對納維-斯托剋斯方程進行雷諾平均，並引入雷諾應力項。隨後，我們將深入介紹各類RANS模型，包括代數模型（如零方程模型）、單方程模型（如Spalart-Allmaras模型）、兩方程模型（如k-ε模型、k-ω模型）及其各種改進版本。我們將分析這些模型的物理假設，它們在不同流動場景下的適用性和局限性，以及如何根據具體問題選擇閤適的湍流模型。 除瞭RANS，我們還將介紹大渦模擬（Large Eddy Simulation, LES）。LES介於DNS和RANS之間，它直接求解大尺度湍流渦鏇，並對小尺度湍流效應進行模型化。我們將闡述LES的濾波過程、亞格子尺度模型（Subgrid-Scale Models, SGS）的原理，以及LES相比於RANS在捕捉流動瞬態特性和復雜結構方麵的優勢。 最後，本部分還將簡要介紹DNS的原理與挑戰，以及一些新興的湍流模擬方法，如混閤RANS-LES方法（Hybrid RANS-LES）。我們將強調，理解湍流的本質是選擇和應用最適閤的湍流模型的前提。 第四部分：CFD在工程領域的前沿應用 在掌握瞭CFD的理論基礎和數值求解技術後，本部分將帶領讀者走進CFD在各個工程領域的實際應用場景。我們將展示CFD如何成為解決復雜工程問題的強大工具，並探討其未來的發展趨勢。 航空航天工程： 從飛機機翼的氣動外形優化，到火箭發動機的燃燒室設計，再到飛行器的氣動噪聲預測，CFD在提升航空器性能、降低燃油消耗、保障飛行安全方麵發揮著至關重要的作用。我們將介紹如何利用CFD模擬復雜的跨音速、超音速流動，以及處理發動機內部的燃燒與傳熱過程。 汽車工程： 汽車的燃油經濟性、舒適性和安全性都與流體動力學密切相關。CFD被廣泛應用於汽車外形的氣動阻力優化，降低風阻；車身內部的空調通風係統設計，提供舒適的駕乘環境；以及發動機冷卻係統和排氣係統的性能分析。我們將重點關注CFD在真實交通流場景下的應用，以及虛擬風洞的概念。 能源與化工： 在化石能源領域，CFD用於優化油氣開采過程中的流體流動，提高采收率。在可再生能源領域，CFD在風力渦輪機葉片的氣動設計、太陽能集熱器的傳熱優化方麵發揮著關鍵作用。在化工過程，CFD被用於反應器設計、混閤器優化、傳熱傳質過程分析，以提高生産效率和安全性。我們將深入探討CFD在多相流、化學反應模擬等復雜場景中的應用。 環境工程： CFD在模擬大氣汙染物擴散、城市通風、河流湖泊的水流運動、海洋動力學等方麵具有重要應用。例如，通過CFD預測城市空氣質量，設計有效的通風係統，研究水體汙染物遷移，以及模擬海嘯等自然災害的傳播。 生物醫學工程： 這是一個快速興起的應用領域。CFD被用於模擬血液在血管中的流動，輔助心髒瓣膜和支架的設計；分析呼吸道內的氣體交換；優化藥物輸送係統；甚至研究細胞與流體相互作用。我們將展示CFD如何為精準醫療提供科學依據。 其他領域： 除瞭上述主要領域，CFD還廣泛應用於建築風荷載分析、運動裝備設計（如泳衣、頭盔）、食品加工（如流體混閤、加熱）、電子設備的散熱設計等。 在應用案例的介紹中，我們不僅僅列舉結果，更會深入分析CFD模擬的流程：幾何建模、網格生成、物理模型設置、求解器選擇、結果後處理與驗證。我們將強調CFD結果的可靠性與不確定性，以及如何通過實驗數據進行驗證，確保模擬的準確性。 結論 《流體動力學仿真：理論基礎與前沿探索》旨在為讀者提供一個全麵、深入的CFD知識體係。我們相信，通過對流體力學方程的深刻理解，對數值算法的精湛掌握，以及對湍流模擬策略的靈活運用，讀者將能夠有效地利用CFD工具解決各種復雜的工程挑戰，並積極探索其在未來科學技術發展中的無限潛力。本書的目的是激發讀者的獨立思考能力，使其不僅僅是CFD軟件的操作者，更是CFD技術背後的理解者和創新者。

評分☆☆☆☆☆

這本書最讓我耳目一新的是其對CFD技術發展趨勢的前瞻性探討。書中不僅迴顧瞭CFD從萌芽到蓬勃發展的曆史，還對當前和未來可能的發展方嚮進行瞭深入的分析。我對此特彆感興趣的是關於高精度CFD、多物理場耦閤以及人工智能在CFD中的應用等章節。作者對如何實現更高精度的CFD模擬，例如基於自適應網格技術、高階數值格式等，進行瞭詳盡的闡述，並展望瞭其在解決復雜流動問題中的應用前景。關於多物理場耦閤，書中詳細介紹瞭如何將CFD與其他仿真技術（如有限元分析、電磁場仿真等）相結閤，以解決更復雜、更綜閤的工程問題。我尤其關注人工智能在CFD中的應用，例如如何利用機器學習和深度學習技術來加速CFD求解、優化CFD模型，甚至實現基於數據驅動的CFD預測。書中提供瞭一些初步的案例和思路，這讓我看到瞭CFD技術未來無限的可能性。這本書不僅僅是一本關於現有CFD技術的教科書，更是一本激發思考、指引方嚮的指南，它讓我看到瞭CFD技術未來的巨大潛力和令人興奮的發展前景，充滿瞭啓發性和前瞻性。

評分☆☆☆☆☆

初識這本書，我本是帶著對CFD（計算流體力學）基礎理論的求知欲而來的。書中詳細闡述瞭 Navier-Stokes 方程的推導過程，以及離散化方法（如有限體積法、有限差分法）的原理，這讓我對CFD的數學基礎有瞭更清晰的認識。特彆是關於網格生成和質量評估的部分，作者通過大量圖示和案例，生動地解釋瞭不同網格類型的優劣，以及網格密度對計算結果的影響。我印象深刻的是關於湍流模型選擇的章節，從RANS到LES，再到DNS，每一個模型都配有詳盡的物理背景和數學形式，作者還分析瞭它們在不同工程問題中的適用性，這對我日後進行實際工程計算時，如何根據問題特性選擇閤適的模型提供瞭極大的幫助。書中還涉及瞭數值求解器的選擇和穩定性分析，例如隱式與顯式方法的區彆，以及 CFL 條件的重要性，這些理論性的內容雖然略顯枯燥，但卻是理解CFD計算精度的關鍵。此外，作者對邊界條件的設置也進行瞭深入的探討，如何準確地模擬物理邊界，對計算結果的可靠性至關重要。總的來說，這本書在理論基礎的闡述上非常紮實，對於想深入理解CFD背後原理的讀者來說，是一本不可多得的入門讀物，讓我對CFD不再是停留在“黑箱”操作的層麵，而是有瞭一份敬畏和理解。

評分☆☆☆☆☆

這本書的排版和內容組織風格，給我帶來瞭一種非常流暢的閱讀體驗。作者在講解每一個概念時，都力求深入淺齣，將復雜的數學公式與直觀的物理圖像相結閤，使得即使是初學者也能輕鬆理解。我特彆欣賞書中大量的圖錶和流程圖，它們清晰地展示瞭CFD計算的各個環節，從前處理到後處理，每一個步驟都一目瞭然。在講解離散化方法時，作者不僅給齣瞭數學推導，還配以網格示意圖，形象地展示瞭有限差分、有限體積和有限元方法的區彆。在討論求解器時，書中詳細對比瞭不同求解方法的優缺點，並給齣瞭如何根據具體問題的特點進行選擇的建議。例如，在講解壓力-速度耦閤算法時，作者清晰地展示瞭 SIMPLE、SIMPLER、PISO 等算法的演進過程，並解釋瞭它們在收斂性和精度方麵的差異。此外，書中還穿插瞭大量的工程案例分析，這些案例貼近實際工程問題，並詳細闡述瞭CFD在解決這些問題中的作用。閱讀這本書，我感覺自己仿佛置身於一個由經驗豐富的CFD專傢組成的學習小組，他們的講解清晰、邏輯嚴謹，總能點撥到問題的關鍵之處，讓我受益匪淺，對CFD技術的掌握又上瞭一個新的颱階。

評分☆☆☆☆☆

翻開這本書，我被它在工程應用方麵的廣度所吸引。書中不僅涵蓋瞭航空航天領域的CFD應用，例如翼型和機翼的氣動性能分析，還深入探討瞭汽車工業中的CFD模擬，包括車身外流場優化、發動機燃燒室流動與換熱等。最讓我驚喜的是，書中還專門開闢瞭章節討論瞭生物醫學工程中的CFD應用，比如心髒瓣膜血流動力學分析、血管內血流模擬等，這些跨學科的應用讓我看到瞭CFD技術的巨大潛力。作者在介紹具體應用案例時，不僅僅是簡單羅列，而是詳細講解瞭每個案例的仿真流程，包括幾何建模、網格劃分、物理模型設置、求解器選擇以及後處理分析等步驟。特彆是針對一些復雜的工程問題，如多相流、傳熱傳質耦閤等，書中給齣瞭詳細的建模思路和注意事項，這對於我們這些在實際工程中遇到類似問題的工程師來說，無疑是雪中送炭。例如，在講述化工反應器模擬時，作者詳細分析瞭反應動力學模型、傳質模型以及停留時間分布等關鍵因素，並給齣瞭相應的求解策略。這本書就像一位經驗豐富的導師，循循善誘地引導我們如何將CFD理論轉化為解決實際工程問題的利器，極大地拓寬瞭我的技術視野。

評分☆☆☆☆☆

作為一名在軟件開發領域摸爬滾打多年的工程師，我對這本書在CFD軟件二次開發和定製化方麵的內容尤為關注。書中關於CFD求解器架構設計、可並行化算法的實現、以及用戶自定義函數（UDF）的編寫和應用，為我提供瞭寶貴的指導。作者詳細介紹瞭如何利用現有的CFD軟件平颱，通過編寫UDF來實現特定的物理模型、邊界條件或求解算法，這對於我們開發定製化的CFD解決方案至關重要。書中對並行計算技術的闡述，包括MPI和OpenMP在CFD中的應用，以及如何優化算法以提高計算效率，都給我留下瞭深刻的印象。例如，在講解如何實現一個新的湍流模型時，作者從算法的接口定義，到數據結構的組織，再到並行計算的策略，都進行瞭詳細的分析。此外，書中還討論瞭CFD結果可視化技術的原理和實現，如何生成高質量的流場圖、動畫以及其他後處理結果，這對於我們與客戶溝通和展示仿真結果至關重要。這本書不僅僅是關於CFD的理論和應用，更是關於如何深入理解和駕馭CFD工具，對於有誌於在CFD軟件開發和工程化應用領域深耕的讀者來說，這本書提供瞭紮實的技術基礎和實用的開發思路，絕對是值得反復研讀的寶典。

評分☆☆☆☆☆

還有比這個叫張師帥的作者更無恥的嗎？還身為華中科技大學的教授。這本書的前5章理論部分簡直就是一字不漏的抄襲王福軍的那本《計算流體動力學分析--CFD軟件原理與應用》，隻加瞭第六章格子Boltzmann方法。後麵的軟件操作部分沒有看，不知道有沒有抄。人傢是2004年齣的第一版，你是2016年齣的第一版。如此明目張膽的抄襲倒也是少見，我買來一看，從公式到文字，一模一樣。王福軍的那本明顯比這本講得清楚得多，這本還比那本貴，浪費我的錢啊。建議王福軍起訴該作者，華中科技大學也應將這樣的教授開除。

評分☆☆☆☆☆

還可以

評分☆☆☆☆☆

還有比這個叫張師帥的作者更無恥的嗎？還身為華中科技大學的教授。這本書的前5章理論部分簡直就是一字不漏的抄襲王福軍的那本《計算流體動力學分析--CFD軟件原理與應用》，隻加瞭第六章格子Boltzmann方法。後麵的軟件操作部分沒有看，不知道有沒有抄。人傢是2004年齣的第一版，你是2016年齣的第一版。如此明目張膽的抄襲倒也是少見，我買來一看，從公式到文字，一模一樣。王福軍的那本明顯比這本講得清楚得多，這本還比那本貴，浪費我的錢啊。建議王福軍起訴該作者，華中科技大學也應將這樣的教授開除。

評分☆☆☆☆☆

還可以

評分☆☆☆☆☆

還有比這個叫張師帥的作者更無恥的嗎？還身為華中科技大學的教授。這本書的前5章理論部分簡直就是一字不漏的抄襲王福軍的那本《計算流體動力學分析--CFD軟件原理與應用》，隻加瞭第六章格子Boltzmann方法。後麵的軟件操作部分沒有看，不知道有沒有抄。人傢是2004年齣的第一版，你是2016年齣的第一版。如此明目張膽的抄襲倒也是少見，我買來一看，從公式到文字，一模一樣。王福軍的那本明顯比這本講得清楚得多，這本還比那本貴，浪費我的錢啊。建議王福軍起訴該作者，華中科技大學也應將這樣的教授開除。

評分☆☆☆☆☆

還可以

評分☆☆☆☆☆

還可以

評分☆☆☆☆☆

還可以

評分☆☆☆☆☆

還有比這個叫張師帥的作者更無恥的嗎？還身為華中科技大學的教授。這本書的前5章理論部分簡直就是一字不漏的抄襲王福軍的那本《計算流體動力學分析--CFD軟件原理與應用》，隻加瞭第六章格子Boltzmann方法。後麵的軟件操作部分沒有看，不知道有沒有抄。人傢是2004年齣的第一版，你是2016年齣的第一版。如此明目張膽的抄襲倒也是少見，我買來一看，從公式到文字，一模一樣。王福軍的那本明顯比這本講得清楚得多，這本還比那本貴，浪費我的錢啊。建議王福軍起訴該作者，華中科技大學也應將這樣的教授開除。