工程計(jì)算流體力學(xué)

前言

　　早在雷諾、牛頓、歐拉、Navier、Stokes及普朗特等人建立流體力學(xué)學(xué)科前，人們就成功地應(yīng)用了流體力學(xué)原理，其中著名的古老例子有： 羅馬浴室和符合工程師設(shè)計(jì)要求的溝渠，各種設(shè)計(jì)風(fēng)格的輪船及風(fēng)工程系統(tǒng)等。20世紀(jì)后，流體動(dòng)力學(xué)在人們?nèi)粘Ｉ钪蝎@得了更加廣泛的應(yīng)用，所有的設(shè)計(jì)都沒(méi)有應(yīng)用到電子計(jì)算機(jī)，包括早期的動(dòng)力如內(nèi)燃機(jī)、燃?xì)鉁u輪、飛行器以及關(guān)于通風(fēng)和污染控制的環(huán)境系統(tǒng)等?！　∮?jì)算流體力學(xué)(CFD)是采取數(shù)值方法分析流體力學(xué)現(xiàn)象的一門(mén)新興學(xué)科。盡管近年來(lái)取得了很大進(jìn)步，然而，與相對(duì)成熟的流體力學(xué)原理相比，CFD還只是一個(gè)不甚完美的工具，因?yàn)橛?jì)算機(jī)得到普遍應(yīng)用還只是近30年的事情。Navier　　?Stokes(N?S)方程組——關(guān)于粘性牛頓流體的控制方程組，早在一個(gè)世紀(jì)前就已經(jīng)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(dòng)力學(xué)問(wèn)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(dāng)前性能最強(qiáng)的超級(jí)計(jì)算機(jī)來(lái)精確求解三維、非定常的湍流流動(dòng)，所需計(jì)算的機(jī)時(shí)非常龐大，花費(fèi)巨大。因此，直接求解N?S方程組方法僅限于簡(jiǎn)單外形低雷諾數(shù)等流動(dòng)的基礎(chǔ)研究，將此“最直接”方法應(yīng)用在工程領(lǐng)域中，目前仍不現(xiàn)實(shí)?！　】紤]到計(jì)算機(jī)大規(guī)模應(yīng)用之前流體力學(xué)所獲得的巨大成功，有人或許會(huì)問(wèn)，是否有必要通過(guò)發(fā)展更新的數(shù)值計(jì)算技術(shù)來(lái)更好地理解流體力學(xué)原理。流體力學(xué)教材一般都介紹兩種方法來(lái)理解流體運(yùn)動(dòng)過(guò)程： 其一是根據(jù)演示性實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并采用某些關(guān)聯(lián)來(lái)細(xì)化實(shí)驗(yàn)研究，獲得對(duì)流體力學(xué)問(wèn)題更深的認(rèn)識(shí)和了解，并逐步改進(jìn)； 其二是在一定的邊界條件下求解關(guān)于質(zhì)量、動(dòng)量及能量守恒的流體動(dòng)力學(xué)簡(jiǎn)化方程組。在處理復(fù)雜問(wèn)題時(shí)，將兩種方法結(jié)合起來(lái)是非常有優(yōu)勢(shì)的。然而，直到現(xiàn)在，由解析方法或數(shù)值計(jì)算所得到的結(jié)果只能用于有限范圍，兩種方法結(jié)合的優(yōu)勢(shì)還很有限。顯然，通過(guò)求解更多類(lèi)型的守恒方程來(lái)提高數(shù)值方法的計(jì)算精度無(wú)疑會(huì)被人們所歡迎。在大多數(shù)情況下，CFD方法被證明比解析方法更有效。比如，當(dāng)流體通過(guò)燃?xì)廨啓C(jī)的三維葉片通道時(shí)，即使忽略湍流的影響，相應(yīng)的方程也只能通過(guò)數(shù)值方法求解； 即便在發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣口，流體無(wú)粘，也不能完全通過(guò)解析方法求解。因此，如果沒(méi)有計(jì)算流體力學(xué)，就不能獲得非常詳細(xì)的流體參數(shù)以加深理解并為設(shè)計(jì)服務(wù)?！　∮幸稽c(diǎn)必須要認(rèn)識(shí)到，就是實(shí)驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算都需要消耗資源，如某些實(shí)驗(yàn)的費(fèi)用非常昂貴，令人無(wú)法接受，比如飛機(jī)的飛行實(shí)驗(yàn)，全尺度的燃?xì)鉁u輪的實(shí)驗(yàn)，或者一些非常昂貴部件的破壞性實(shí)驗(yàn)等。在這些情況下，就有可能通過(guò)CFD技術(shù)來(lái)減少實(shí)驗(yàn)的次數(shù)，或僅僅通過(guò)比較少的實(shí)驗(yàn)來(lái)檢驗(yàn)數(shù)值方法的精度。當(dāng)然，求解某些復(fù)雜流動(dòng)方程組的數(shù)值方法的費(fèi)用也非常巨大，但通常情況下，它比采取試驗(yàn)得到結(jié)果的代價(jià)要小很多。在實(shí)際情況中，解決流體動(dòng)力學(xué)問(wèn)題的最經(jīng)濟(jì)方法是實(shí)驗(yàn)與計(jì)算相結(jié)合，雖然這兩種方法都不是很確定，但兩種方法的結(jié)合比單純應(yīng)用任何一種方法都經(jīng)濟(jì)和可靠。而且，隨著技術(shù)創(chuàng)新和降低成本等原因，這種方法或許可滿足提高產(chǎn)品性能和減少對(duì)環(huán)境沖擊的緊迫需求?！　”緯?shū)是關(guān)于計(jì)算流體力學(xué)的介紹，重點(diǎn)介紹關(guān)于求解兩個(gè)獨(dú)立變量的可壓縮和不可壓流動(dòng)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(shù)值模擬，在工程中大量采用的是前兩種。此外，本書(shū)主要介紹二維流動(dòng)，刪去了有限元方法、譜方法和直接數(shù)值模擬的內(nèi)容，使讀者更易理解書(shū)中的內(nèi)容，也使得本書(shū)的篇幅適當(dāng)?！　”緯?shū)的排版確保了內(nèi)容內(nèi)在的邏輯性。第1章介紹了應(yīng)用計(jì)算流體力學(xué)解決工程問(wèn)題的一些例子；第2章介紹了守恒方程組，這只是簡(jiǎn)單基本的介紹，因?yàn)槠渌麉⒖紩?shū)中一般都有詳細(xì)的推導(dǎo)；第3章介紹了湍流流動(dòng)的重要屬性和湍流方程的模式，對(duì)修改模式中的參數(shù)作出了解釋?！　〉?章和第5章介紹求解守恒方程對(duì)應(yīng)的典型方程的數(shù)值方法，這對(duì)確定在以后幾章考慮更加完整和復(fù)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(jīng)典拋物型和橢圓方程的數(shù)值方法； 第5章是經(jīng)典的雙曲型方程，還包括一些計(jì)算程序?！　〉?章和第7章介紹了無(wú)粘流動(dòng)和邊界層方程的計(jì)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(duì)單個(gè)和多個(gè)機(jī)翼的計(jì)算程序； 第7章討論了來(lái)流存在速度擾動(dòng)和指定轉(zhuǎn)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(jì)算程序。　　預(yù)測(cè)層流到湍流轉(zhuǎn)捩的位置傳統(tǒng)上采用相關(guān)法，但是其應(yīng)用范圍很窄?；谇蠼鈹_動(dòng)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(lái)計(jì)算轉(zhuǎn)捩，也講述了如何把第6，7章的計(jì)算程序聯(lián)系起來(lái)解決工程中的實(shí)際問(wèn)題。　　第9章介紹網(wǎng)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(jì)算程序?！　?duì)于高年級(jí)本科生和一年級(jí)研究生在一個(gè)學(xué)期內(nèi)應(yīng)該對(duì)第1，2，4，5和10章有一個(gè)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(jì)算程序來(lái)幫助學(xué)生對(duì)計(jì)算機(jī)工具有更好的理解。第3，6，7，9，11和12章的內(nèi)容可以在第二個(gè)學(xué)期學(xué)習(xí)，在這些章節(jié)的內(nèi)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(shū)和求解手冊(cè)，包括這本書(shū)，其清單在Horizons網(wǎng)站上：　　http：//hometown.aol.com/tuncerc/　　作者們對(duì)于為此書(shū)付出了心血和時(shí)間的人們表示感謝。第一和第二作者在此特別對(duì)加利福尼亞技術(shù)研究所的Herb Keller、帝國(guó)理工學(xué)院的Jim Whitelaw、加利福尼亞政府大學(xué)長(zhǎng)島的Hsun Chen表示感謝，非常感謝K.C. Chang先生對(duì)此書(shū)初稿的校樣和提供的有益意見(jiàn)。第三和第四作者非常感謝Bombardier航空宇宙為此書(shū)提供一些例子，非常感謝Kurt Mattes打印此書(shū)，非常感謝Karl Koch為此書(shū)出版做的工作?！　∽詈螅兄x我們的家人對(duì)我們的理解，感謝他們的持續(xù)支持和鼓勵(lì)。

內(nèi)容概要

　　本書(shū)緊密結(jié)合工程實(shí)踐，介紹了計(jì)算流體力學(xué)的主要內(nèi)容。全書(shū)從CFD在航空、汽車(chē)等領(lǐng)域的5個(gè)應(yīng)用實(shí)例引入，詳細(xì)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(shù)值方法、雙曲型模型方程的數(shù)值方法、不可壓縮無(wú)粘流動(dòng)方程、邊界層方程組、穩(wěn)定性與轉(zhuǎn)捩、網(wǎng)格生成、可壓縮無(wú)粘流動(dòng)、不可壓Navier-Stokes方程以及壓縮Navier-Stokes方程等內(nèi)容?！　”緯?shū)是為工科相關(guān)專(zhuān)業(yè)本科生或研究生學(xué)習(xí)計(jì)算流體力學(xué)課程編寫(xiě)的教材，也非常適合航空航天、汽車(chē)等領(lǐng)域的科研人員和工程師們參考閱讀。

書(shū)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(dòng)控制1.1.2 NLF和HLFC機(jī)翼的計(jì)算1.2 多段機(jī)翼最大升力系數(shù)的預(yù)測(cè)1.3 飛機(jī)設(shè)計(jì)和發(fā)動(dòng)機(jī)一體化1.4 結(jié)冰造成的飛機(jī)性能損失預(yù)測(cè)1.4.1 預(yù)測(cè)結(jié)冰形狀1.4.2 預(yù)測(cè)飛機(jī)氣動(dòng)性能特征1.5 車(chē)輛空氣動(dòng)力學(xué)1.5.1 CFD在汽車(chē)領(lǐng)域中的應(yīng)用參考文獻(xiàn)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(jiǎn)化形式2.4.1 無(wú)粘流動(dòng)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(lèi)2.7 邊界條件參考文獻(xiàn)習(xí)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(xiàn)第4章 求解拋物型和橢圓型模型方程的數(shù)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(dǎo)數(shù)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(wǎng)格法參考文獻(xiàn)習(xí)題第5章 雙曲型模型方程的數(shù)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(fēng)方法5.6 有限體積法5.7 收斂性和穩(wěn)定性5.8 數(shù)值耗散和數(shù)值色散：人工粘性參考文獻(xiàn)習(xí)題第6章 不可壓縮無(wú)粘流動(dòng)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(yīng)用6.6.1 NACA0012翼型的流場(chǎng)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(jì)算程序附錄6B 翼型計(jì)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(jì)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(xiàn)習(xí)題第7章 邊界層方程組第8章 穩(wěn)定性與轉(zhuǎn)捩第9章 網(wǎng)格生成第10章 可壓縮無(wú)粘流動(dòng)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(jì)算程序附錄B 第一作者提供的計(jì)算程序

章節(jié)摘錄

　　第1章　概論　　本章主要介紹文獻(xiàn)中采用CFD技術(shù)解決工程實(shí)際問(wèn)題的5個(gè)例子，主要介紹利用無(wú)粘、邊界層、Navier—Stokes方程來(lái)求解繞流問(wèn)題。在其中一些流動(dòng)中，采用守恒方程的簡(jiǎn)化形式——比如無(wú)粘或邊界層方程——更合適；對(duì)于其他流動(dòng)，則需要用到更一般的方程。因此，這本書(shū)的范圍不超過(guò)現(xiàn)有的術(shù)語(yǔ)和流體動(dòng)力學(xué)知識(shí)?！　?.1　節(jié)中的第一個(gè)例子，介紹CFD在飛機(jī)減阻方面的應(yīng)用。通過(guò)修改機(jī)翼形狀、在外表面打孔或是開(kāi)槽吸氣調(diào)整壓力梯度分布以實(shí)現(xiàn)減小機(jī)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(fèi)用，并且可以減小耗油量。通過(guò)修改氣動(dòng)外形來(lái)調(diào)整壓力梯度和通過(guò)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(jīng)證明自然層流邊界流動(dòng)控制和混合層流流動(dòng)控制是兩種有效的方法。　　1.2　節(jié)中的第二個(gè)例子，介紹飛機(jī)最大升力系數(shù)的預(yù)測(cè)方法。最大升力系數(shù)關(guān)系到飛機(jī)的失速速度，也決定了飛機(jī)可以保持巡航狀態(tài)的最低速度。在這個(gè)例子中介紹了預(yù)測(cè)高升力系統(tǒng)最大升力系數(shù)的計(jì)算方法，這個(gè)系數(shù)在飛機(jī)起飛和著陸性能中有著重要的作用。　　傳統(tǒng)上，飛機(jī)的設(shè)計(jì)方法建立于理論空氣動(dòng)力學(xué)和風(fēng)洞試驗(yàn)的基礎(chǔ)之上，最后再由飛行試驗(yàn)定型。CFD技術(shù)在1960年末開(kāi)始得到應(yīng)用，隨著計(jì)算機(jī)計(jì)算速度和內(nèi)存的提高，它在飛機(jī)設(shè)計(jì)中的地位也越來(lái)越重要。在今天，與風(fēng)洞試驗(yàn)和飛行試驗(yàn)一樣，CFD是飛行器氣動(dòng)外形設(shè)計(jì)中所發(fā)展的重要空氣動(dòng)力學(xué)技術(shù)。在飛機(jī)設(shè)計(jì)中，任何一種先進(jìn)技術(shù)都需要能夠?qū)崿F(xiàn)高性能、低風(fēng)險(xiǎn)和低費(fèi)用。

編輯推薦

　　《工程計(jì)算流體力學(xué)》是一本工業(yè)界的著名學(xué)者所寫(xiě)的書(shū)，是一本理論聯(lián)系實(shí)際的書(shū)。《工程計(jì)算流體力學(xué)》凝聚了作者在波音公司數(shù)十年的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，展現(xiàn)了對(duì)CFD的深入理解及其在工程研發(fā)中的神奇力量?！豆こ逃?jì)算流體力學(xué)》的主要特點(diǎn)是：　　●深入揭示在解決工程實(shí)際問(wèn)題中如何應(yīng)用CFD或使用什么樣的CFD?！　　裰攸c(diǎn)突出，篇幅精當(dāng)。在覆蓋了計(jì)算流體力學(xué)的主要內(nèi)容的基礎(chǔ)上，《工程計(jì)算流體力學(xué)》重點(diǎn)介紹關(guān)于求解兩個(gè)獨(dú)立變量的可壓縮和不可壓流動(dòng)的守恒方程組；主要集中于二維流動(dòng)，而略去了有限元方法、譜方法和直接數(shù)值模擬等內(nèi)容，使讀者更容易理解?！　　裨敿?xì)介紹了航空航天氣動(dòng)問(wèn)題中的流動(dòng)穩(wěn)定性和轉(zhuǎn)捩問(wèn)題的計(jì)算方法?！　　裨诟脚涔獗P(pán)中提供了書(shū)中計(jì)算方法和例題的源代碼和可執(zhí)行文件，對(duì)于讀者學(xué)習(xí)和解決實(shí)際問(wèn)題有很大幫助?！　　豆こ逃?jì)算流體力學(xué)》是為工科相關(guān)專(zhuān)業(yè)本科生或研究生學(xué)習(xí)計(jì)算流體力學(xué)課程編寫(xiě)的教材，也非常適合航空航天、汽車(chē)等領(lǐng)域的科研人員和工程師們參考閱讀。

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