計(jì)算流體力學(xué)基礎(chǔ)理論與實(shí)際應(yīng)用

內(nèi)容概要

本書主要介紹流場(chǎng)數(shù)值計(jì)算基本概念，流場(chǎng)計(jì)算模型方程的數(shù)值計(jì)算方法，不可壓縮流場(chǎng)數(shù)值計(jì)算方法，可壓縮流場(chǎng)數(shù)值計(jì)算方法，結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格生成方法，多重網(wǎng)格法流場(chǎng)計(jì)算加速技術(shù)以及網(wǎng)格自適應(yīng)和TVD離散格式概念，幾種典型模型流場(chǎng)的計(jì)算實(shí)例，并在附錄中列出相應(yīng)的FORTRAN和C語言源代碼。    本書可作為高等院校航空宇航推進(jìn)理論與工程、熱能與動(dòng)力工程及其他相關(guān)專業(yè)本、?？平滩?，也可供航空航天、熱能工程、天氣預(yù)報(bào)、海浪及風(fēng)暴潮預(yù)報(bào)等專業(yè)工程技術(shù)人員參考。

書籍目錄

1  概述  1.1  計(jì)算流體力學(xué)的發(fā)展及特點(diǎn)簡(jiǎn)述  1.2  流場(chǎng)數(shù)值模擬概念2  流場(chǎng)數(shù)值模擬數(shù)學(xué)模型及定解條件  2.1  可壓縮非定常黏性流數(shù)學(xué)模型  2.2  不可壓縮非定常黏性流數(shù)學(xué)模型  2.3  無黏流數(shù)學(xué)模型  2.4  常用的模型方程  2.5  偏微分方程的數(shù)學(xué)性質(zhì)及其與流體運(yùn)動(dòng)的關(guān)系    2.5.1  擬線性偏微分方程組的分類    2.5.2  偏微分方程組分類的通用方法    2.5.3  計(jì)算流體力學(xué)控制方程類型  2.6  流體力學(xué)問題的定解條件3  有限差分近似及其數(shù)學(xué)性質(zhì)  3.1  差分格式和精度分析    3.1.1  一階偏導(dǎo)數(shù)差分格式    3.1.2  二階偏導(dǎo)數(shù)差分格式    3.1.3  差分方程  3.2  差分方程的數(shù)學(xué)性質(zhì)4  模型方程的常用差分格式  4.1  對(duì)流方程的差分格式  4.2  擴(kuò)散方程差分格式  4.3  對(duì)流擴(kuò)散方程差分格式  4.4  計(jì)算實(shí)例——兩平行平板間非定常流  4.5  多維問題的幾種常用差分格式  4.6  數(shù)值效應(yīng)5  不可壓流場(chǎng)的數(shù)值計(jì)算  5.1  不可壓流場(chǎng)計(jì)算的流函數(shù)渦量法    5.1.1  不可壓無粘流場(chǎng)計(jì)算的流函數(shù)渦量法    5.1.2  計(jì)算實(shí)例——內(nèi)置方形體的突然擴(kuò)張通道流    5.1.3  不可壓黏性流計(jì)算    5.1.4  計(jì)算實(shí)例——平板驅(qū)動(dòng)方腔內(nèi)流場(chǎng)計(jì)算  5.2  不可壓黏性流求解的原始變量法    5.2.1  不可壓流基本方程分析    5.2.2  人工壓縮性方法    5.2.3  壓力修正方法    5.2.4  邊界條件6  可壓縮流場(chǎng)的數(shù)值計(jì)算  6.1  MacCormack格式    6.1.1  對(duì)流模型方程的MacCormack格式    6.1.2  一維歐拉方程的MacCormack格式    6.1.3  多維歐拉方程MacCormack格式  6.2  多步龍格一庫(kù)塔格式    6.2.1  一維歐拉方程的四步龍格一庫(kù)塔格式    6.2.2  二維歐拉方程的四步龍格一庫(kù)塔格式  6.3  矢通量分裂差分格式    6.3.1  一維歐拉方程逆風(fēng)差分    6.3.2  二維歐拉方程逆風(fēng)差分  6.4  TVD格式    6.4.1  總變差及其衰減    6.4.2  TVD格式  6.5  隱式時(shí)間離散  6.6  可壓縮黏性流的差分計(jì)算  6.7  計(jì)算舉例——超音速平板流的數(shù)值計(jì)算7  流場(chǎng)網(wǎng)格生成  7.1  貼體坐標(biāo)  7.2  坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系    7.2.1  一維坐標(biāo)轉(zhuǎn)換    7.2.2  二維和三維坐標(biāo)轉(zhuǎn)換    7.2.3  任意曲線坐標(biāo)系下的基本方程  7.3  網(wǎng)格生成    7.3.1  代數(shù)生成方法    7.3.2  微分方程生成方法    7.3.3  壁面處網(wǎng)格正交性分析    7.3.4  自適應(yīng)網(wǎng)格簡(jiǎn)介    7.3.5  計(jì)算網(wǎng)格生成實(shí)例——卡門翼型繞流計(jì)算網(wǎng)格8  三維紊流平均流的有限差分計(jì)算  8.1  三維紊流平均流N-S方程  8.2  紊流模型方程    8.2.1  Baldwin-Lomax模型的雙層代數(shù)紊流模型    8.2.2  κ-ε兩方程紊流模型  8.3  控制方程的空間離散  8.4  人工黏性  8.5  控制方程的時(shí)間離散  8.6  加速技術(shù)    8.6.1  局部時(shí)間步長(zhǎng)    8.6.2  隱式殘值光順9  流場(chǎng)計(jì)算多重網(wǎng)格加速方法  9.1  迭代法的誤差衰減  9.2  多重網(wǎng)格法的計(jì)算過程  9.3  非定常NS方程多重網(wǎng)格法計(jì)算過程附錄  附錄Ⅰ-1  兩平行平板間非定常流動(dòng)源代碼(C語言)  附錄Ⅰ-2  兩平行平板間非定常流動(dòng)源代碼(FORTRAN語言)  附錄Ⅱ-1  內(nèi)置方形體突然擴(kuò)張通道內(nèi)流動(dòng)(C語言)  附錄Ⅱ-2  內(nèi)置方形體突然擴(kuò)張通道內(nèi)流動(dòng)(FORTRAN語言)  附錄Ⅲ-1  平板驅(qū)動(dòng)方腔流動(dòng)(C語言)  附錄Ⅲ-2  平板驅(qū)動(dòng)方腔流動(dòng)(FoRTRAN語言)  附錄Ⅳ-1  卡門翼型網(wǎng)格生成源代碼(C語言)  附錄Ⅳ-2  卡門翼型網(wǎng)格生成源代碼(FORTRAN語言)  附錄Ⅴ  卡門翼型xy坐標(biāo)值參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

　　1 概述　　1.1 計(jì)算流體力學(xué)的發(fā)展及特點(diǎn)簡(jiǎn)述　　流體力學(xué)研究主要有三種方法，即實(shí)驗(yàn)研究、理論分析和流場(chǎng)數(shù)值模擬（CFD，ComputationalFluidDynamics）。實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果真實(shí)可靠，是發(fā)現(xiàn)流動(dòng)規(guī)律、檢驗(yàn)理論和為流體機(jī)械設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)的基本手段。但實(shí)驗(yàn)也有其局限性，對(duì)于大尺寸的研究對(duì)象（比如飛機(jī)），必須制作縮尺模型。嚴(yán)格來說，模型流場(chǎng)所有無量綱參數(shù)應(yīng)與真實(shí)流動(dòng)相同，實(shí)際上這很難辦到，通常只能滿足主要而忽略次要。實(shí)驗(yàn)還要受測(cè)量技術(shù)的制約，而且實(shí)驗(yàn)周期長(zhǎng)、費(fèi)用高。理論分析方法利用簡(jiǎn)化流動(dòng)模型假設(shè)，給出所研究問題的解析解，這種方法只能對(duì)一些非常簡(jiǎn)單的流動(dòng)問題進(jìn)行求解。不過理論工作者在研究流體運(yùn)動(dòng)規(guī)律的基礎(chǔ)上建立了各種類型控制方程，奠定了計(jì)算流體力學(xué)基礎(chǔ)。　　1946年第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)問世以來，計(jì)算機(jī)技術(shù)迅速發(fā)展。計(jì)算流體力學(xué)作為流體力學(xué)研究的另一分支應(yīng)運(yùn)而生，并借助于計(jì)算機(jī)技術(shù)而快速發(fā)展。20世紀(jì)70年代至80年代，由于受計(jì)算機(jī)內(nèi)存和速度的限制，僅能對(duì)無黏流場(chǎng)和一些簡(jiǎn)單的二維黏性流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。80年代后，隨著數(shù)值模擬實(shí)用價(jià)值在工程實(shí)際中的展示以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，吸引了大批研究人員投身于此項(xiàng)工作，構(gòu)造出很多適合于各種流動(dòng)情況的數(shù)值計(jì)算方法。現(xiàn)在工程中的大部分流動(dòng)問題都可以用計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)值模擬。在航空上比較復(fù)雜的流動(dòng)，比如飛機(jī)全機(jī)身繞流（外流問題）、航空發(fā)動(dòng)機(jī)各零部件三維黏性流場(chǎng)（內(nèi)流問題）等都可以采用數(shù)值計(jì)算比較準(zhǔn)確地模擬。對(duì)于復(fù)雜而實(shí)驗(yàn)測(cè)量較困難的流動(dòng)問題，比如航空發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)和渦輪轉(zhuǎn)子葉尖間隙區(qū)流動(dòng)，數(shù)值模擬還用來部分代替實(shí)驗(yàn)探索流動(dòng)規(guī)律。

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