工程計算流體力學

前言

　　早在雷諾、牛頓、歐拉、Navier、Stokes及普朗特等人建立流體力學學科前，人們就成功地應用了流體力學原理，其中著名的古老例子有： 羅馬浴室和符合工程師設計要求的溝渠，各種設計風格的輪船及風工程系統(tǒng)等。20世紀后，流體動力學在人們日常生活中獲得了更加廣泛的應用，所有的設計都沒有應用到電子計算機，包括早期的動力如內燃機、燃氣渦輪、飛行器以及關于通風和污染控制的環(huán)境系統(tǒng)等?！　∮嬎懔黧w力學(CFD)是采取數值方法分析流體力學現象的一門新興學科。盡管近年來取得了很大進步，然而，與相對成熟的流體力學原理相比，CFD還只是一個不甚完美的工具，因為計算機得到普遍應用還只是近30年的事情。Navier　　?Stokes(N?S)方程組——關于粘性牛頓流體的控制方程組，早在一個世紀前就已經建立了。原則上，人們可以選取合適的邊界條件直接求解該方程組以分析任何流體動力學問題。然而，用解析方法求解N?S方程組非常繁瑣，成功的可能性很小，甚至用當前性能最強的超級計算機來精確求解三維、非定常的湍流流動，所需計算的機時非常龐大，花費巨大。因此，直接求解N?S方程組方法僅限于簡單外形低雷諾數等流動的基礎研究，將此“最直接”方法應用在工程領域中，目前仍不現實。　　考慮到計算機大規(guī)模應用之前流體力學所獲得的巨大成功，有人或許會問，是否有必要通過發(fā)展更新的數值計算技術來更好地理解流體力學原理。流體力學教材一般都介紹兩種方法來理解流體運動過程： 其一是根據演示性實驗數據并采用某些關聯來細化實驗研究，獲得對流體力學問題更深的認識和了解，并逐步改進； 其二是在一定的邊界條件下求解關于質量、動量及能量守恒的流體動力學簡化方程組。在處理復雜問題時，將兩種方法結合起來是非常有優(yōu)勢的。然而，直到現在，由解析方法或數值計算所得到的結果只能用于有限范圍，兩種方法結合的優(yōu)勢還很有限。顯然，通過求解更多類型的守恒方程來提高數值方法的計算精度無疑會被人們所歡迎。在大多數情況下，CFD方法被證明比解析方法更有效。比如，當流體通過燃氣輪機的三維葉片通道時，即使忽略湍流的影響，相應的方程也只能通過數值方法求解； 即便在發(fā)動機的進氣口，流體無粘，也不能完全通過解析方法求解。因此，如果沒有計算流體力學，就不能獲得非常詳細的流體參數以加深理解并為設計服務?！　∮幸稽c必須要認識到，就是實驗和數值計算都需要消耗資源，如某些實驗的費用非常昂貴，令人無法接受，比如飛機的飛行實驗，全尺度的燃氣渦輪的實驗，或者一些非常昂貴部件的破壞性實驗等。在這些情況下，就有可能通過CFD技術來減少實驗的次數，或僅僅通過比較少的實驗來檢驗數值方法的精度。當然，求解某些復雜流動方程組的數值方法的費用也非常巨大，但通常情況下，它比采取試驗得到結果的代價要小很多。在實際情況中，解決流體動力學問題的最經濟方法是實驗與計算相結合，雖然這兩種方法都不是很確定，但兩種方法的結合比單純應用任何一種方法都經濟和可靠。而且，隨著技術創(chuàng)新和降低成本等原因，這種方法或許可滿足提高產品性能和減少對環(huán)境沖擊的緊迫需求?！　”緯顷P于計算流體力學的介紹，重點介紹關于求解兩個獨立變量的可壓縮和不可壓流動的守恒方程組。在CFD所采用的眾多方法中，比如有限差分、有限體積、有限元、譜方法和直接數值模擬，在工程中大量采用的是前兩種。此外，本書主要介紹二維流動，刪去了有限元方法、譜方法和直接數值模擬的內容，使讀者更易理解書中的內容，也使得本書的篇幅適當。　　本書的排版確保了內容內在的邏輯性。第1章介紹了應用計算流體力學解決工程問題的一些例子；第2章介紹了守恒方程組，這只是簡單基本的介紹，因為其他參考書中一般都有詳細的推導；第3章介紹了湍流流動的重要屬性和湍流方程的模式，對修改模式中的參數作出了解釋?！　〉?章和第5章介紹求解守恒方程對應的典型方程的數值方法，這對確定在以后幾章考慮更加完整和復雜的拋物型、雙曲型和橢圓型偏微分方程的特性非常有用。第4章還討論了經典拋物型和橢圓方程的數值方法； 第5章是經典的雙曲型方程，還包括一些計算程序?！　〉?章和第7章介紹了無粘流動和邊界層方程的計算方法。其中第6章討論的是用有限差分法和面元法求解拉普拉斯方程，包括對單個和多個機翼的計算程序； 第7章討論了來流存在速度擾動和指定轉捩位置的層流邊界層和湍流邊界層的求解，還包括基于Keller有限差分方法的計算程序。　　預測層流到湍流轉捩的位置傳統(tǒng)上采用相關法，但是其應用范圍很窄。基于求解擾動方程的en方法是目前比較一般的方法。第8章介紹了OS方程的求解和用en方法來計算轉捩，也講述了如何把第6，7章的計算程序聯系起來解決工程中的實際問題?！　〉?章介紹網格生成方法，第10~12章講述了求解歐拉方程（第10章）、不可壓Navier?Stokes方程、可壓Navier?Stokes方程的方法，在其中每一章和附錄B中都有計算程序。　　對于高年級本科生和一年級研究生在一個學期內應該對第1，2，4，5和10章有一個初步的閱讀，這些章節(jié)包括了一些額外的例子并附帶一些計算程序來幫助學生對計算機工具有更好的理解。第3，6，7，9，11和12章的內容可以在第二個學期學習，在這些章節(jié)的內容中附帶了一些有用的信息和參考?！　∮蒆orizons和Springer?Verlag出版社出版的這方面書和求解手冊，包括這本書，其清單在Horizons網站上：　　http：//hometown.aol.com/tuncerc/　　作者們對于為此書付出了心血和時間的人們表示感謝。第一和第二作者在此特別對加利福尼亞技術研究所的Herb Keller、帝國理工學院的Jim Whitelaw、加利福尼亞政府大學長島的Hsun Chen表示感謝，非常感謝K.C. Chang先生對此書初稿的校樣和提供的有益意見。第三和第四作者非常感謝Bombardier航空宇宙為此書提供一些例子，非常感謝Kurt Mattes打印此書，非常感謝Karl Koch為此書出版做的工作。　　最后，要感謝我們的家人對我們的理解，感謝他們的持續(xù)支持和鼓勵。

內容概要

　　本書緊密結合工程實踐，介紹了計算流體力學的主要內容。全書從CFD在航空、汽車等領域的5個應用實例引入，詳細講解了守恒方程組、湍流模式、求解拋物型和橢圓模型方程的數值方法、雙曲型模型方程的數值方法、不可壓縮無粘流動方程、邊界層方程組、穩(wěn)定性與轉捩、網格生成、可壓縮無粘流動、不可壓Navier-Stokes方程以及壓縮Navier-Stokes方程等內容?！　”緯菫楣た葡嚓P專業(yè)本科生或研究生學習計算流體力學課程編寫的教材，也非常適合航空航天、汽車等領域的科研人員和工程師們參考閱讀。

書籍目錄

第1章 概論1.1 摩擦阻力降低方法1.1.1 層流流動控制1.1.2 NLF和HLFC機翼的計算1.2 多段機翼最大升力系數的預測1.3 飛機設計和發(fā)動機一體化1.4 結冰造成的飛機性能損失預測1.4.1 預測結冰形狀1.4.2 預測飛機氣動性能特征1.5 車輛空氣動力學1.5.1 CFD在汽車領域中的應用參考文獻第2章 守恒方程組2.1 引言2.2 Navier-Stokes方程組2.2.1 Navier-Stokes方程組：微分形式2.2.2 Navier-Stokes方程組：積分形式2.2.3 Navier-Stokes方程組：向量變量形式2.2.4 Navier-Stokes方程組：變換形式2.3 雷諾平均Navier-Stokes方程組2.4 Navier-Stokes方程組的簡化形式2.4.1 無粘流動2.4.2 Stokes流2.4.3 邊界層2.5 穩(wěn)定性方程2.6 守恒方程的分類2.7 邊界條件參考文獻習題第3章 湍流模式3.1 引言3.2 零方程模式3.2.1 Cebeci-Smith模式3.2.2 Baldwin-Lomax模式3.3 一方程模式3.4 兩方程模式3.5 初始條件參考文獻第4章 求解拋物型和橢圓型模型方程的數值方法4.1 引言4.2 模型方程4.3 采用有限差分法離散導數4.4 采用有限差分法求解拋物型方程4.4.1 顯式法4.4.2 隱式法：Crank-Nicolson方法4.4.3 隱式法：Keller盒子法（凱勒爾盒子法）4.5 采用有限差分法求解橢圓型方程4.5.1 直接法4.5.2 迭代法4.5.3 多重網格法參考文獻習題第5章 雙曲型模型方程的數值方法5.1 引言5.2 顯式法：兩步Lax-Wendroff法5.3 顯式法：MacCormack法5.4 隱式法5.5 迎風方法5.6 有限體積法5.7 收斂性和穩(wěn)定性5.8 數值耗散和數值色散：人工粘性參考文獻習題第6章 不可壓縮無粘流動方程6.1 引言6.2 Laplace方程及其基本解6.3 有限差分法6.4 Hess-Smith面元法6.5 二維翼型面元法程序6.5.1 主程序6.5.2 子程序COEF6.5.3 子程序GAUSS6.5.4 子程序VPDIS6.5.5 子程序CLCM6.6 面元法的應用6.6.1 NACA0012翼型的流場特征和分段特性6.6.2 圓柱繞流6.6.3 多段翼型附錄6A 圓柱繞流的計算程序附錄6B 翼型計算的面元法程序6B.1 主程序6B.2 子程序COEF6B.3 子程序VPDIS附錄6C 多段翼型面元法計算程序6C.1 主程序6C.2 子程序COEF6C.3 子程序VPDIS6C.4 子程序CLCM參考文獻習題第7章 邊界層方程組第8章 穩(wěn)定性與轉捩第9章 網格生成第10章 可壓縮無粘流動第11章 不可壓Navier Stokes方程第12章 可壓縮Navier Stokes方程附錄A 附送的CD-ROM上的計算程序附錄B 第一作者提供的計算程序

章節(jié)摘錄

　　第1章　概論　　本章主要介紹文獻中采用CFD技術解決工程實際問題的5個例子，主要介紹利用無粘、邊界層、Navier—Stokes方程來求解繞流問題。在其中一些流動中，采用守恒方程的簡化形式——比如無粘或邊界層方程——更合適；對于其他流動，則需要用到更一般的方程。因此，這本書的范圍不超過現有的術語和流體動力學知識?！　?.1　節(jié)中的第一個例子，介紹CFD在飛機減阻方面的應用。通過修改機翼形狀、在外表面打孔或是開槽吸氣調整壓力梯度分布以實現減小機翼阻力的目的。減小飛行器的阻力可以增加航程，提高飛行速度，減小飛行器尺寸和費用，并且可以減小耗油量。通過修改氣動外形來調整壓力梯度和通過吸氣控制層流邊界層是阻力縮減方法中非常有力和有效的兩種，并且已經證明自然層流邊界流動控制和混合層流流動控制是兩種有效的方法?！　?.2　節(jié)中的第二個例子，介紹飛機最大升力系數的預測方法。最大升力系數關系到飛機的失速速度，也決定了飛機可以保持巡航狀態(tài)的最低速度。在這個例子中介紹了預測高升力系統(tǒng)最大升力系數的計算方法，這個系數在飛機起飛和著陸性能中有著重要的作用?！　鹘y(tǒng)上，飛機的設計方法建立于理論空氣動力學和風洞試驗的基礎之上，最后再由飛行試驗定型。CFD技術在1960年末開始得到應用，隨著計算機計算速度和內存的提高，它在飛機設計中的地位也越來越重要。在今天，與風洞試驗和飛行試驗一樣，CFD是飛行器氣動外形設計中所發(fā)展的重要空氣動力學技術。在飛機設計中，任何一種先進技術都需要能夠實現高性能、低風險和低費用。

編輯推薦

　　《工程計算流體力學》是一本工業(yè)界的著名學者所寫的書，是一本理論聯系實際的書?！豆こ逃嬎懔黧w力學》凝聚了作者在波音公司數十年的工程實踐經驗，展現了對CFD的深入理解及其在工程研發(fā)中的神奇力量?！豆こ逃嬎懔黧w力學》的主要特點是：　　●深入揭示在解決工程實際問題中如何應用CFD或使用什么樣的CFD?！　　裰攸c突出，篇幅精當。在覆蓋了計算流體力學的主要內容的基礎上，《工程計算流體力學》重點介紹關于求解兩個獨立變量的可壓縮和不可壓流動的守恒方程組；主要集中于二維流動，而略去了有限元方法、譜方法和直接數值模擬等內容，使讀者更容易理解?！　　裨敿毥榻B了航空航天氣動問題中的流動穩(wěn)定性和轉捩問題的計算方法?！　　裨诟脚涔獗P中提供了書中計算方法和例題的源代碼和可執(zhí)行文件，對于讀者學習和解決實際問題有很大幫助。　　《工程計算流體力學》是為工科相關專業(yè)本科生或研究生學習計算流體力學課程編寫的教材，也非常適合航空航天、汽車等領域的科研人員和工程師們參考閱讀。

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