计算流体力学基础

本教材由3部分组成。第1部分介绍了计算流体力学的基本思想和基本原理，详细讨论了流体力学的基本方程，以有限体积法求解管道流动问题为例详细介绍了偏微分方程的离散方法，包括有关的基本概念和求解流动问题的一些常用数值方法。第2部分主要讨论典型的流动基于有限体积法的求解过程，包括扩散问题的有限体积法求解过程、对流扩散问题的有限体积法求解过程，定常流压力与速度耦合求解算法和离散方程求解方法。第3部分讨论了CFD商业软件在几个流体问题中的应用。在算例中采用了不同的求解方法求解湍流模型和网格分布等问题，以加深对计算流体力学数值方法的理解。 本书可供本科高年级学生实用，同时也适用于研究生先期阶段的CFD课程教学。

吴小胜，北京理工大学工学博士，1979年10月出生。主要从事飞行器气动设计、复杂流动数值模拟方面工作，主持过国防973专题以及多个装备预研基金和基础研究基金；参与多项国家自然科学基金与弹箭型号的研制工作，获得多个工业总公司国防科技成果。出版了专著《弹箭旋转空气动力效应》，译著《航空航天科技出版工程-流体动力学与空气热力学》和教材《空气动力学》等。以第一作者在学术期刊发表论文20余篇。

第1章 计算流体力学基本原理 1.1 计算流体力学简介 1.2 计算流体力学的离散化方法 1.2.1 基于有限差分法的离散化 1.2.2 基于有限体积法的离散化 1.3 基于有限体积法的一维管道流动算例 1.3.1 基于有限体积法的离散化 1.3.2 离散方程的组合与边界条件的应用 1.3.3 离散方程的求解 1.3.4 网格收敛性 1.3.5 离散误差 1.3.6 非线性的处理 1.3.7 直接求解和迭代求解 1.3.8 迭代收敛性 1.3.9 数值稳定性 1.4 小结 第2章 流体力学的控制方程组 2.1 基本概念 2.1.1 控制体与流体单元 2.1.2 流体运动的描述方式 2.1.3 随体导数 2.1.4 速度散度 2.2 连续性方程 2.3 动量方程 2.4 能量方程 2.5 欧拉方程和纳维尔-斯托克斯方程分类 2.6 小结 第3章 流动控制方程的有限体积法求解 3.1 引言 3.2 有限体积法求解过程简介 3.3 一维问题扩散方程的有限体积法 3.4 一维对流扩散问题的有限体积法 3.4.1 迎风差分格式 3.4.2 中心差分格式 3.4.3 乘方差分格式 3.4.4 QUICK差分格式 3.5 小结 第4章 定常流压力与速度耦合求解算法 4.1 CFD数值计算的主要方法 4.2 交错网格 4.3 动量方程 4.4 SIMPLE算法 4.5 SIMPLE算法实例 4.6 小结 第5章 湍流模拟方法 5.1 湍流的基本特征 5.2 直接数值模拟方法 5.2.1 雷诺数限定 5.2.2 空间离散 5.2.3 时间离散 5.2.4 边界条件和初始条件 5.3 大涡模拟方法 5.3.1 显式LES 5.3.2 隐式LES 5.3.3 LES的应用 5.4 雷诺平均N-S方程模型 5.5 常用的湍流模型 5.5.1 线性涡黏模型 5.5.2 非线性涡黏性模型 5.5.3 非线性涡黏性和显式代数应力模型 5.6 小结 第6章 网格生成技术 6.1 简介 6.2 网格生成策略 6.2.1 结构网格 6.2.2 非结构网格 6.2.3 网格生成过程 6.3 自适应网格 6.4 网格生成技术的发展趋势 6.5 小结 第7章 边界条件处理 7.1 概述 7.2 进出口边界条件处理 7.2.1 入口边界条件 7.2.2 出口边界条件 7.3 固体壁面边界条件处理 7.3.1 层流状态固壁边界条件处理 7.3.2 湍流状态固壁边界条件处理 7.3.3 移动壁面边界 7.4 常压边界条件、对称边界条件和周期或循环边界条件 7.4.1 常压边界条件 7.4.2 对称边界条件 7.4.3 周期或循环边界条件 7.5 小结 第8章 CFD数值模拟应用实例 8.1 平板流动的数值模拟 8.2 绕翼型的不可压缩流与可压缩流 8.3 喷管内部的非定常流动 8.3.1 利用Gambit建立计算模型 8.3.2 利用Fluent进行喷管内流动的仿真计算 8.4 三角翼外部绕流的数值模拟 8.4.1 利用Gambit建立计算模型 8.4.2 利用Fluent进行仿真计算 8.5 不同雷诺数下绕圆柱流动 8.5.1 概述 8.5.2 实例简介 8.5.3 实例操作步骤 8.6 小结 参考文献