CFD技术原理与应用 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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张师帅 著

图书标签:

• CFD
• 计算流体力学
• 流体动力学
• 数值模拟
• 工程应用
• 传热学
• 多相流
• 湍流
• 有限体积法
• 科学计算

出版社： 华中科技大学出版社

ISBN：9787568015790

版次：1

商品编码：11993180

包装：平装

开本：16开

出版时间：2016-07-01

用纸：胶版纸

页数：338

字数：555000

内容简介

CFD技术原理与应用是一本介绍CFD技术原理与应用的指导性教材。全书分为10章。第1~6章介绍CFD技术的基本理论，包括CFD基本知识、控制方程的离散、流场的求解计算、湍流模型及其应用、边界条件与网格生成、格子Boltzmann方法等。第7~10章介绍CFD软件的基本知识，以及软件GAMBIT、FLUENT、TECPLOT的基本用法。理论与实践并重，实用性强，是本书的X大特点。
本书可以作为能源动力、航空航天、机械工程、环境工程、化学工程、交通工程、土木工程等领域的高年级本科生、研究生教材，也可供上述领域的科研人员，特别是研究和应用CFD技术的人员参考。

前言/序言

计算流体动力学（computational fluid dynamics，简称CFD）是一门新兴的独立学科，它将数值计算方法和数据可视化技术有机结合起来，对流动、传热等相关物理现象进行模拟分析，是当今除理论分析、实验测量之外，解决流动与传热问题的又一种技术手段。尽管其发展的时间不长，但随着计算机性能的不断提高，目前计算流体动力学分析已经广泛渗透到各种现代科学研究和工程应用之中。
CFD软件早在20世纪70年代就已在美国诞生，但在国内真正得到广泛应用则是最近十几年的事。目前，CFD软件已经成为解决各种流动、传热问题的强有力工具，并成功应用于能源动力、石油化工、汽车设计、建筑暖通、航空航天以及生物医学等各种科技领域。过去只能依靠实验手段才能获得的某些结果，现在已经完全可以借助CFD软件的模拟计算来准确获取。
随着计算机性能的提高，CFD软件在工程模拟计算中所发挥的作用日益增强，高校和企业的广大科技人员对于CFD软件的学习热情空前高涨，为他们提供一本理论与实践并重的指导性教材非常必要。
本书正是针对高校学生和企业相关科技人员学习CFD软件的需要而编写的。编者结合自身多年的理论教学和应用实践经验，采用最通俗的语言解释CFD原理与应用中最核心、最本质的内容，同时将理论方法与软件应用结合起来介绍，力争让不同层次的读者能够掌握CFD的基本原理和CFD软件的基本用法。
本书重点介绍当前经典的商用CFD软件FLUENT以及通用后处理软件TECPLOT的基本用法。理论与实践并重，实用性强，是本书的最大特点。
全书分为10章。第1~6章以CFD原理为核心，重点介绍CFD软件的基本原理。第7~10章结合具体软件（FLUENT 6.3、GAMBIT 2.3和TECPLOT 10.0），重点介绍CFD软件的实践应用，并给出CFD软件在流动分析、传热计算等方面的实例。
在本书编写过程中，得到了华中科技大学能源学院蔡兆麟教授、周怀春教授以及研究生罗亮、李伟华、秦松江、仇生生、杨勤、黄书才和匡海云的支持和帮助，同时还得到了北京海基科技发展有限公司和上海明导电子科技有限公司的支持和帮助。在本书出版过程中，得到华中科技大学出版社的大力支持。在此一并致以深深的谢意！
由于编者水平有限，书中不足之处在所难免，恳请读者批评指正，不胜感激

《流体动力学仿真：理论基础与前沿探索》 内容简介 本书致力于深入剖析计算流体动力学（CFD）这一强大工具背后的核心科学原理，并在此基础上，展望其在多学科交叉领域中的前沿应用。我们并非局限于单一技术的介绍，而是着重于构建一个系统化的认知框架，使读者能够理解CFD方法的由来、演进以及其在解决复杂工程问题时的普适性与局限性。 第一部分：理论基石——流体力学方程的解析与离散化 在开启CFD的探索之旅前，稳固的理论基础是不可或缺的。本部分将首先回顾流体力学最基本的守恒定律，即质量守恒、动量守恒和能量守恒。我们将详细阐述这些定律在连续介质力学中的数学表达形式——纳维-斯托克斯（Navier-Stokes）方程组。这组方程是描述流体运动的“圣杯”，理解其物理意义和数学结构是掌握CFD的关键。 我们将从最简单的不可压缩、粘性流体（Navier-Stokes方程）入手，逐步过渡到可压缩流、湍流等更复杂的流动现象。对于每一种流动类型，我们都会深入分析其支配方程的特点，以及在不同假设下方程的简化与演化。例如，对于低雷诺数流动，我们会探讨斯托克斯（Stokes）方程的重要性；对于高速流动，则会详细解析激波的产生与传播机制。 理论的推导并非止步于方程本身。理解方程的物理内涵，例如惯性力、粘性力、压力梯度以及外力在流动中的作用，对于正确应用CFD至关重要。我们将通过具体的物理场景，如图层流、完全湍流、边界层分离等，来加深读者对这些力的认知。 然而，现实世界中的流体流动往往是非线性的、高度复杂的，无法直接通过解析方法求解。因此，数值求解成为CFD的核心。本部分将详细介绍求解纳维-斯托克斯方程组的数值离散化技术。我们将从最基础的有限差分法（Finite Difference Method, FDM）开始，讲解如何将连续的微分方程转化为代数方程组。这包括网格划分、离散格式的选择（如中心差分、迎风差分）以及它们在精度和稳定性上的权衡。 随后，我们将深入探讨有限体积法（Finite Volume Method, FVM）。FVM在CFD领域占据主导地位，其优势在于能够自然地处理非结构化网格，并且能够保证守恒律在数值计算中的严格满足，这对于模拟质量、动量和能量的传输至关重要。我们将详细讲解通量计算、积分守恒的实现以及不同通量求解器的原理。 最后，本部分还将简要介绍有限元法（Finite Element Method, FEM）在CFD中的应用。虽然FEM在结构力学领域更为常见，但其在处理复杂几何形状和特定边界条件时也展现出独特的优势。我们将对比FDM、FVM和FEM的特点，帮助读者理解不同方法的适用场景。 第二部分：数值求解器的奥秘——算法、迭代与收敛 一旦方程被离散化，就转化为一个庞大的代数方程组。如何高效、准确地求解这个方程组，是CFD技术的另一大挑战。本部分将聚焦于各种数值求解器的核心原理与算法。 我们将从最简单的线性方程组求解方法开始，如高斯消元法，然后过渡到迭代求解方法，如雅可比法（Jacobi Method）和高斯-赛德尔法（Gauss-Seidel Method）。理解这些迭代方法的收敛条件、收敛速度以及它们在CFD问题中的局限性是至关重要的。 对于求解大型稀疏线性方程组，这在CFD中是普遍存在的，我们将重点介绍更为先进的迭代求解器，如预条件共轭梯度法（Preconditioned Conjugate Gradient, PCG）、广义最小残差法（Generalized Minimal Residual, GMRES）等。这些方法通过引入预条件子来加速收敛，提高求解效率。我们将探讨不同预条件子的构造方法以及它们对求解性能的影响。 在CFD中，压力-速度耦合是一个核心难题。由于压力方程本身并没有一个独立的守恒方程，求解过程中容易出现压力和速度不匹配的问题。本部分将详细介绍解决这一问题的经典算法，如SIMPLER（Semi-Implicit Method for Pressure Linked Equations Revised）系列算法及其改进算法。我们将深入分析这些算法的迭代流程，以及它们如何通过预测-校正的机制来实现压力和速度的交替更新，直至达到收敛。 此外，我们还将探讨求解非定常流动（瞬态模拟）的算法。这包括显式和隐式时间推进方案，例如欧拉法（Eulerian Method）、龙格-库塔法（Runge-Kutta Method）等。我们将分析不同时间推进方案的稳定性和精度，以及它们在处理不同尺度时间行为时的优缺点。 收敛性是CFD模拟成功的关键。本部分将详细讲解如何评估数值解的收敛性，包括残差分析、监控关键物理量（如力、力矩、流量、温度等）的变化。我们将介绍网格无关性研究的重要性，以及如何通过细化网格来判断结果是否收敛到真实解。同时，我们还会讨论可能导致计算发散的原因，如不恰当的数值格式、过大的时间步长、不稳定的边界条件等，并提供相应的解决方法。 第三部分：湍流模拟的挑战与策略 湍流是自然界和工程中最为普遍但也最为复杂的流动现象。其尺度范围大、随机性和非线性特性，使得直接数值模拟（Direct Numerical Simulation, DNS）在实际工程应用中难以实现。本部分将聚焦于湍流模拟的核心挑战和主流的模拟策略。 我们将首先深入理解湍流的统计特性，包括湍动能、耗散率、伯格斯（Burgers）方程等概念。我们将详细阐述湍流的产生和发展机制，以及湍流边界层、湍流混合等关键现象。 在此基础上，我们将详细介绍雷诺平均（Reynolds Averaging, RANS）方法。RANS是目前工程应用中最广泛的湍流模型。我们将详细讲解如何对纳维-斯托克斯方程进行雷诺平均，并引入雷诺应力项。随后，我们将深入介绍各类RANS模型，包括代数模型（如零方程模型）、单方程模型（如Spalart-Allmaras模型）、两方程模型（如k-ε模型、k-ω模型）及其各种改进版本。我们将分析这些模型的物理假设，它们在不同流动场景下的适用性和局限性，以及如何根据具体问题选择合适的湍流模型。 除了RANS，我们还将介绍大涡模拟（Large Eddy Simulation, LES）。LES介于DNS和RANS之间，它直接求解大尺度湍流涡旋，并对小尺度湍流效应进行模型化。我们将阐述LES的滤波过程、亚格子尺度模型（Subgrid-Scale Models, SGS）的原理，以及LES相比于RANS在捕捉流动瞬态特性和复杂结构方面的优势。 最后，本部分还将简要介绍DNS的原理与挑战，以及一些新兴的湍流模拟方法，如混合RANS-LES方法（Hybrid RANS-LES）。我们将强调，理解湍流的本质是选择和应用最适合的湍流模型的前提。 第四部分：CFD在工程领域的前沿应用 在掌握了CFD的理论基础和数值求解技术后，本部分将带领读者走进CFD在各个工程领域的实际应用场景。我们将展示CFD如何成为解决复杂工程问题的强大工具，并探讨其未来的发展趋势。 航空航天工程： 从飞机机翼的气动外形优化，到火箭发动机的燃烧室设计，再到飞行器的气动噪声预测，CFD在提升航空器性能、降低燃油消耗、保障飞行安全方面发挥着至关重要的作用。我们将介绍如何利用CFD模拟复杂的跨音速、超音速流动，以及处理发动机内部的燃烧与传热过程。 汽车工程： 汽车的燃油经济性、舒适性和安全性都与流体动力学密切相关。CFD被广泛应用于汽车外形的气动阻力优化，降低风阻；车身内部的空调通风系统设计，提供舒适的驾乘环境；以及发动机冷却系统和排气系统的性能分析。我们将重点关注CFD在真实交通流场景下的应用，以及虚拟风洞的概念。 能源与化工： 在化石能源领域，CFD用于优化油气开采过程中的流体流动，提高采收率。在可再生能源领域，CFD在风力涡轮机叶片的气动设计、太阳能集热器的传热优化方面发挥着关键作用。在化工过程，CFD被用于反应器设计、混合器优化、传热传质过程分析，以提高生产效率和安全性。我们将深入探讨CFD在多相流、化学反应模拟等复杂场景中的应用。 环境工程： CFD在模拟大气污染物扩散、城市通风、河流湖泊的水流运动、海洋动力学等方面具有重要应用。例如，通过CFD预测城市空气质量，设计有效的通风系统，研究水体污染物迁移，以及模拟海啸等自然灾害的传播。 生物医学工程： 这是一个快速兴起的应用领域。CFD被用于模拟血液在血管中的流动，辅助心脏瓣膜和支架的设计；分析呼吸道内的气体交换；优化药物输送系统；甚至研究细胞与流体相互作用。我们将展示CFD如何为精准医疗提供科学依据。 其他领域： 除了上述主要领域，CFD还广泛应用于建筑风荷载分析、运动装备设计（如泳衣、头盔）、食品加工（如流体混合、加热）、电子设备的散热设计等。 在应用案例的介绍中，我们不仅仅列举结果，更会深入分析CFD模拟的流程：几何建模、网格生成、物理模型设置、求解器选择、结果后处理与验证。我们将强调CFD结果的可靠性与不确定性，以及如何通过实验数据进行验证，确保模拟的准确性。 结论 《流体动力学仿真：理论基础与前沿探索》旨在为读者提供一个全面、深入的CFD知识体系。我们相信，通过对流体力学方程的深刻理解，对数值算法的精湛掌握，以及对湍流模拟策略的灵活运用，读者将能够有效地利用CFD工具解决各种复杂的工程挑战，并积极探索其在未来科学技术发展中的无限潜力。本书的目的是激发读者的独立思考能力，使其不仅仅是CFD软件的操作者，更是CFD技术背后的理解者和创新者。

评分☆☆☆☆☆

翻开这本书，我被它在工程应用方面的广度所吸引。书中不仅涵盖了航空航天领域的CFD应用，例如翼型和机翼的气动性能分析，还深入探讨了汽车工业中的CFD模拟，包括车身外流场优化、发动机燃烧室流动与换热等。最让我惊喜的是，书中还专门开辟了章节讨论了生物医学工程中的CFD应用，比如心脏瓣膜血流动力学分析、血管内血流模拟等，这些跨学科的应用让我看到了CFD技术的巨大潜力。作者在介绍具体应用案例时，不仅仅是简单罗列，而是详细讲解了每个案例的仿真流程，包括几何建模、网格划分、物理模型设置、求解器选择以及后处理分析等步骤。特别是针对一些复杂的工程问题，如多相流、传热传质耦合等，书中给出了详细的建模思路和注意事项，这对于我们这些在实际工程中遇到类似问题的工程师来说，无疑是雪中送炭。例如，在讲述化工反应器模拟时，作者详细分析了反应动力学模型、传质模型以及停留时间分布等关键因素，并给出了相应的求解策略。这本书就像一位经验丰富的导师，循循善诱地引导我们如何将CFD理论转化为解决实际工程问题的利器，极大地拓宽了我的技术视野。

评分☆☆☆☆☆

作为一名在软件开发领域摸爬滚打多年的工程师，我对这本书在CFD软件二次开发和定制化方面的内容尤为关注。书中关于CFD求解器架构设计、可并行化算法的实现、以及用户自定义函数（UDF）的编写和应用，为我提供了宝贵的指导。作者详细介绍了如何利用现有的CFD软件平台，通过编写UDF来实现特定的物理模型、边界条件或求解算法，这对于我们开发定制化的CFD解决方案至关重要。书中对并行计算技术的阐述，包括MPI和OpenMP在CFD中的应用，以及如何优化算法以提高计算效率，都给我留下了深刻的印象。例如，在讲解如何实现一个新的湍流模型时，作者从算法的接口定义，到数据结构的组织，再到并行计算的策略，都进行了详细的分析。此外，书中还讨论了CFD结果可视化技术的原理和实现，如何生成高质量的流场图、动画以及其他后处理结果，这对于我们与客户沟通和展示仿真结果至关重要。这本书不仅仅是关于CFD的理论和应用，更是关于如何深入理解和驾驭CFD工具，对于有志于在CFD软件开发和工程化应用领域深耕的读者来说，这本书提供了扎实的技术基础和实用的开发思路，绝对是值得反复研读的宝典。

评分☆☆☆☆☆

这本书的排版和内容组织风格，给我带来了一种非常流畅的阅读体验。作者在讲解每一个概念时，都力求深入浅出，将复杂的数学公式与直观的物理图像相结合，使得即使是初学者也能轻松理解。我特别欣赏书中大量的图表和流程图，它们清晰地展示了CFD计算的各个环节，从前处理到后处理，每一个步骤都一目了然。在讲解离散化方法时，作者不仅给出了数学推导，还配以网格示意图，形象地展示了有限差分、有限体积和有限元方法的区别。在讨论求解器时，书中详细对比了不同求解方法的优缺点，并给出了如何根据具体问题的特点进行选择的建议。例如，在讲解压力-速度耦合算法时，作者清晰地展示了 SIMPLE、SIMPLER、PISO 等算法的演进过程，并解释了它们在收敛性和精度方面的差异。此外，书中还穿插了大量的工程案例分析，这些案例贴近实际工程问题，并详细阐述了CFD在解决这些问题中的作用。阅读这本书，我感觉自己仿佛置身于一个由经验丰富的CFD专家组成的学习小组，他们的讲解清晰、逻辑严谨，总能点拨到问题的关键之处，让我受益匪浅，对CFD技术的掌握又上了一个新的台阶。

评分☆☆☆☆☆

这本书最让我耳目一新的是其对CFD技术发展趋势的前瞻性探讨。书中不仅回顾了CFD从萌芽到蓬勃发展的历史，还对当前和未来可能的发展方向进行了深入的分析。我对此特别感兴趣的是关于高精度CFD、多物理场耦合以及人工智能在CFD中的应用等章节。作者对如何实现更高精度的CFD模拟，例如基于自适应网格技术、高阶数值格式等，进行了详尽的阐述，并展望了其在解决复杂流动问题中的应用前景。关于多物理场耦合，书中详细介绍了如何将CFD与其他仿真技术（如有限元分析、电磁场仿真等）相结合，以解决更复杂、更综合的工程问题。我尤其关注人工智能在CFD中的应用，例如如何利用机器学习和深度学习技术来加速CFD求解、优化CFD模型，甚至实现基于数据驱动的CFD预测。书中提供了一些初步的案例和思路，这让我看到了CFD技术未来无限的可能性。这本书不仅仅是一本关于现有CFD技术的教科书，更是一本激发思考、指引方向的指南，它让我看到了CFD技术未来的巨大潜力和令人兴奋的发展前景，充满了启发性和前瞻性。

评分☆☆☆☆☆

初识这本书，我本是带着对CFD（计算流体力学）基础理论的求知欲而来的。书中详细阐述了 Navier-Stokes 方程的推导过程，以及离散化方法（如有限体积法、有限差分法）的原理，这让我对CFD的数学基础有了更清晰的认识。特别是关于网格生成和质量评估的部分，作者通过大量图示和案例，生动地解释了不同网格类型的优劣，以及网格密度对计算结果的影响。我印象深刻的是关于湍流模型选择的章节，从RANS到LES，再到DNS，每一个模型都配有详尽的物理背景和数学形式，作者还分析了它们在不同工程问题中的适用性，这对我日后进行实际工程计算时，如何根据问题特性选择合适的模型提供了极大的帮助。书中还涉及了数值求解器的选择和稳定性分析，例如隐式与显式方法的区别，以及 CFL 条件的重要性，这些理论性的内容虽然略显枯燥，但却是理解CFD计算精度的关键。此外，作者对边界条件的设置也进行了深入的探讨，如何准确地模拟物理边界，对计算结果的可靠性至关重要。总的来说，这本书在理论基础的阐述上非常扎实，对于想深入理解CFD背后原理的读者来说，是一本不可多得的入门读物，让我对CFD不再是停留在“黑箱”操作的层面，而是有了一份敬畏和理解。

评分☆☆☆☆☆

还有比这个叫张师帅的作者更无耻的吗？还身为华中科技大学的教授。这本书的前5章理论部分简直就是一字不漏的抄袭王福军的那本《计算流体动力学分析--CFD软件原理与应用》，只加了第六章格子Boltzmann方法。后面的软件操作部分没有看，不知道有没有抄。人家是2004年出的第一版，你是2016年出的第一版。如此明目张胆的抄袭倒也是少见，我买来一看，从公式到文字，一模一样。王福军的那本明显比这本讲得清楚得多，这本还比那本贵，浪费我的钱啊。建议王福军起诉该作者，华中科技大学也应将这样的教授开除。

评分☆☆☆☆☆

还有比这个叫张师帅的作者更无耻的吗？还身为华中科技大学的教授。这本书的前5章理论部分简直就是一字不漏的抄袭王福军的那本《计算流体动力学分析--CFD软件原理与应用》，只加了第六章格子Boltzmann方法。后面的软件操作部分没有看，不知道有没有抄。人家是2004年出的第一版，你是2016年出的第一版。如此明目张胆的抄袭倒也是少见，我买来一看，从公式到文字，一模一样。王福军的那本明显比这本讲得清楚得多，这本还比那本贵，浪费我的钱啊。建议王福军起诉该作者，华中科技大学也应将这样的教授开除。

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还有比这个叫张师帅的作者更无耻的吗？还身为华中科技大学的教授。这本书的前5章理论部分简直就是一字不漏的抄袭王福军的那本《计算流体动力学分析--CFD软件原理与应用》，只加了第六章格子Boltzmann方法。后面的软件操作部分没有看，不知道有没有抄。人家是2004年出的第一版，你是2016年出的第一版。如此明目张胆的抄袭倒也是少见，我买来一看，从公式到文字，一模一样。王福军的那本明显比这本讲得清楚得多，这本还比那本贵，浪费我的钱啊。建议王福军起诉该作者，华中科技大学也应将这样的教授开除。

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还有比这个叫张师帅的作者更无耻的吗？还身为华中科技大学的教授。这本书的前5章理论部分简直就是一字不漏的抄袭王福军的那本《计算流体动力学分析--CFD软件原理与应用》，只加了第六章格子Boltzmann方法。后面的软件操作部分没有看，不知道有没有抄。人家是2004年出的第一版，你是2016年出的第一版。如此明目张胆的抄袭倒也是少见，我买来一看，从公式到文字，一模一样。王福军的那本明显比这本讲得清楚得多，这本还比那本贵，浪费我的钱啊。建议王福军起诉该作者，华中科技大学也应将这样的教授开除。

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