Computational Fluid Dynamics:Principles and Applications
《计算流体力学:原理与应用》中文翻译。个人翻译仅供参考。
目录
目录 第 1 章 绪论 1 绪论 第 2 章 控制方程 2.1 流动及其数学描述 2.1.1 有限控制体 2.2 守恒定律 2.2.1 连续性方程 2...
第 01 章 绪论
第 02 章 控制方程
2.1 流动及其数学描述
第 2 章 控制方程 2.1 流动及其数学描述 在开始推导描述流体行为的基本方程之前,有必要先澄清“流体动力学”这一术语的含义。它实际上研究的是大量个体粒子相互作用时的运动;在这里,这些粒子是分...
2.2 守恒定律
2.2 守恒定律 2.2.1 连续性方程 若只考虑单相流体,质量守恒定律表达的是:在这样的流体系统中,质量既不能产生,也不能消失。连续性方程中也不存在扩散通量的贡献,因为对于静止流体,任何质量变...
2.3 黏性应力
2.3 黏性应力 流体与微元表面之间的摩擦所产生的黏性应力,由应力张量 $ \overline{\overline{\tau}} $ 描述。在 笛卡尔(Cartesian)坐标系中,其一般形式为...
2.4 完整的 Navier–Stokes 方程组
2.4 完整的 Navier–Stokes 方程组 前面几节分别推导了质量、动量和能量守恒定律。现在可将它们组合成一个方程组,以便更清楚地考察其中的各项。为此,回到式(2.2)所表达的矢量物理量...
2 参考文献
参考文献 [1] Lax PD. 非线性双曲型方程的弱解及其数值计算(Weak solutions of nonlinear hyperbolic equations and their num...
第 03 章 控制方程的求解原理
3.1 空间离散
第 3 章 控制方程的求解原理 上一章给出了完整的 Navier–Stokes/Euler 方程组,补充了完全气体的热力学关系,并为化学反应气体定义了附加输运方程。现在,我们可以求解整个控制方程...
3.2 时间离散
3.2 时间离散 如本章开头所述,求解 Euler 方程和 Navier–Stokes 方程的绝大多数数值格式采用线方法,即分别进行空间与时间离散。这种方法具有最大的灵活性,因为可以根据待求问题...
3.3 湍流建模
3.3 湍流建模 对于无黏流或层流,求解控制方程(2.19)不存在根本性困难。然而,湍流模拟却是一个重大问题。尽管现代超级计算机性能很高,利用含时 Navier–Stokes 方程(2.19)直...
3.4 初始条件与边界条件
3.4 初始条件与边界条件 无论选择何种数值方法求解控制方程(2.19),都必须给出合适的初始条件与边界条件。初始条件确定 t = 0 时,或迭代格式第一步时的流体状态。显然,初始猜测越好(越接...
3 参考文献
参考文献 [1] Frymier PD, Hassan HA, Salas MD. Navier-Stokes calculations using cartesian grids: I. La...
第 04 章 结构有限体积格式
4.1 控制体的几何量
第 4 章 结构有限体积格式 如第 3 章引言所述,求解 Euler 和 Navier–Stokes 方程的绝大多数数值格式采用线方法,即分别进行空间和时间离散。因此,可以根据待求问题的需要,对...
4.2 一般离散方法
4.2 一般离散方法 本章引言已提到控制体定义与流动变量布置的三种方法。本节将逐一详细介绍,并讨论其优缺点。 4.2.1 单元中心格式 当控制体与网格单元相同、流动变量定义在单元形心(如图 4....
4.3 对流通量的离散
4.3 对流通量的离散 前面各节讨论了空间离散的一般方法。本节将详细介绍如何近似对流通量。 如第 3.1.5 节所述,在有限体积方法中,基本可以选择: 中心格式; 通量矢量分裂格式; ...
4.4 黏性通量的离散
4.4 黏性通量的离散 为获得相容的空间离散,黏性通量通常使用与对流通量相同的控制体。唯一例外是采用重叠控制体的单元顶点格式(第 4.2.2 节);主要出于稳定性考虑 $ [97–99] $,黏...
4 参考文献
参考文献 [1] Hirsch C. Numerical computation of internal and external flows, vols. 1 and 2. Chicheste...
第 05 章 非结构有限体积格式
5.1 控制体的几何量
第 5 章 非结构有限体积格式 如第 3 章引言所述,绝大多数求解 Euler 方程和 Navier–Stokes 方程的数值格式采用线方法,即分别进行空间离散和时间离散。其主要优点是可以为空间...
5.2 一般离散方法
5.2 一般离散方法 本章开头已提到,定义控制体及确定流动变量位置的两种最常用方法,是单元中心格式和中位对偶格式。本节将更详细地介绍它们。 不过,首先简要讨论非结构网格流动求解器所需的基本数据结...
5.3 对流通量的离散
5.3 对流通量的离散 前几节讨论了空间离散方法的一般问题及所需数据结构。下文进一步介绍对流通量计算的具体实现。 如 3.1.5 节所述,在有限体积方法框架内,主要可选择以下格式: 中心格式...
5.4 黏性通量的离散
5.4 黏性通量的离散 计算式(5.2)的扩散通量 $ \bar{F}_{ v} $,需要知道控制体面上的流动量及其一阶导数。为方便,黏性通量采用与对流通量相同的控制体,以获得相容的空间离散并简...
5 参考文献
参考文献 [1] Hirsch C. Numerical computation of internal and external flows, vols. 1 and 2. Chicheste...
第 06 章 时间离散
6.1 显式时间推进格式
第 6 章 时间离散 采用线方法,即对控制方程(2.19)分别进行空间离散和时间离散,并为每个控制体写出方程,得到以下关于时间的耦合常微分方程组: $$ \frac{\mathrm{d}\lef...
6.2 隐式时间推进格式
6.2 隐式时间推进格式 在式(6.2)中取 $ \beta\neq0 $,可得到各种隐式时间积分格式。对定常流动问题,取 $ \omega=0 $ 的隐式格式最适合;非定常流动见 6.3 节。...
6.3 非定常流动的求解方法
6.3 非定常流动的求解方法 非定常流动模拟如今在许多工程领域十分重要,例如叶轮机械静止与旋转部件的相互作用、活塞发动机、流固耦合、直升机空气动力学、气动声学、湍流的 DNS 或 LES、爆轰等...
6 参考文献
参考文献 [1] Jameson A, Schmidt W, Turkel E. Numerical solutions of the Euler equations by finite vol...
第 07 章 湍流建模
7.1 湍流基本方程
第 7 章 湍流建模 湍流与层流相比,最突出的特征是流体分子沿复杂而不规则的路径作混沌运动。强烈的混沌运动使流体各层之间发生剧烈混合。由于分子之间以及分子与固体壁面之间的动量和能量交换增强,在相...
7.2 一阶封闭模型
7.2 一阶封闭模型 一阶封闭模型是近似计算 Reynolds/Favre 平均 Navier–Stokes 方程中 Reynolds 应力的最简便方法。它们基于 7.1.5、7.1.6 节分别...
7.3 大涡模拟
7.3 大涡模拟 Smagorinsky 早在 1963 年就在气象学(大气环流)中采用了所谓的 LES 方法 $ [98] $。Deardorff 于 1970 年给出了 LES 的首个工程应...
7 参考文献
参考文献 [1] Liu C, Liu Z. Multigrid methods and high order finite difference for flow in transition....
第 08 章 边界条件
8.1 虚拟单元的概念
第 8 章 边界条件 任何数值模拟都只能考虑真实物理区域或系统的一部分。区域截断会引入人工边界,必须在这些边界上指定某些物理量的值。此外,与流体接触的壁面构成物理区域的自然边界。边界条件的数值处...
8.2 固体壁面
8.2 固体壁面 8.2.1 无黏流动 在无黏流动中,流体沿表面滑动。由于没有摩擦力,速度矢量必须与表面相切,等价于表面法向没有流动,即 $$ \vec{ v}\cdot\vec{n}=0\qq...
8.3 远场
8.3 远场 对翼型、机翼、汽车及其他构型周围的外部流动进行数值模拟,必须采用有限区域,因此需要人工远场边界条件。远场边界条件的数值实现必须满足两个基本要求:首先,与无限区域相比,截断区域不应对...
8.4 入口/出口边界
8.4 入口/出口边界 人们为 Navier–Stokes 方程的入口,尤其是出口(又称开放)边界条件,提出了多种数值实现方法 $ [22–26] $。这里重点介绍为叶轮机械应用发展的方法。适宜...
8.5 喷注边界
8.5 喷注边界 喷注速度和其他流动变量由给定的质量流量 $ \dot{m} $ 及喷注温度 $ T_{inj} $ 计算。这里假设质量沿边界法向喷入。对流通量采用式(2.21)计算,逆变速度 ...
8.6 对称面
8.6 对称面 若流动关于某条直线或某个平面对称,首先必须满足没有穿过边界的通量,即对称边界上的法向速度为零。此外,以下梯度必须为零: 标量沿边界法向的梯度; 切向速度沿边界法向的梯度;...
8.7 坐标切口
8.7 坐标切口 这种边界条件仅出现在结构网格中。坐标切口是人工边界,并非物理边界;它由计算坐标不同、物理位置相同的网格点构成一条线,三维时为一个面。这意味着网格经过折叠后与自身接触。11.1....
8.8 周期边界
8.8 周期边界 某些实际应用中的流场沿一个或多个坐标方向具有周期性,此时只需在其中一个重复区域内模拟流动,并通过周期边界条件保证其与其余物理区域之间的正确相互作用。 周期边界有两种基本类型。第...
8.9 网格块之间的接口
8.9 网格块之间的接口 在 3.1 节讨论结构网格空间离散时,已经指出通常无法在几何形状复杂的区域中生成单个网格(见图 3.4)。当时介绍了两种解决方法:多块方法和 Chimera 方法。下面...
8.10 非结构网格边界处的流动梯度
8.10 非结构网格边界处的流动梯度 5.3.4 节已指出,中位对偶格式计算流动梯度时需要谨慎处理。如果在三角形或四面体网格上采用式(5.50)的 Green–Gauss 方法计算梯度,区域边界...
8 参考文献
参考文献 [1] Kroll N, Jain RK. Solution of two-dimensional Euler equations—experience with a finite v...
第 09 章 加速技术
9.1 局部时间推进
第 9 章 加速技术 为加速定常问题中控制方程(2.19)的求解,人们发展了多种方法。这些加速技术也适用于双时间推进格式(6.3 节)的内迭代。本章讨论以下数值方法: 局部时间推进; 焓...
9.2 焓阻尼
9.2 焓阻尼 某些情况下,总焓 H(式(2.12))在整个流场中保持常数,例如由 Euler 方程描述、没有热源及外力的外部流动。可以利用这一特点降低计算成本。 图 9.1 非结构网格无黏...
9.3 残差光顺
9.3 残差光顺 通过优化级系数 $ [5-7] $,可在一定程度上改变显式多级时间推进格式(6.1.1、6.1.2 节)的最大 CFL 数和收敛性质。Jameson 和 Baker $ [8]...
9.4 多重网格
9.4 多重网格 多重网格是一种强有力的加速技术(参见图 3.7)。它在一系列逐渐变粗的网格上求解控制方程,然后将粗网格的解更新量合并并加到最细网格的解上。Brandt $ [19] $ 最初为...
9.5 低马赫数预处理
9.5 低马赫数预处理 在低亚声速马赫数范围,当流速远小于声速时,控制方程(2.19)的对流项出现刚性。以下示例可以说明这一点。三维情况下,五个特征值为 $$ \begin{aligned}(\...
9.6 并行化
9.6 并行化 如今,几乎所有计算机——台式机、笔记本电脑和平板电脑——的中央处理器(CPU)都由多个核心组成。此外,现代图形处理器(GPU)还提供数百乃至数千个可进行通用编程的处理单元。然而,...
9 参考文献
参考文献 [1] Kroll N, Jain RK. Solution of two-dimensional Euler equations—experience with a finite v...
第 10 章 相容性、精度与稳定性
10.1 相容性要求
第 10 章 相容性、精度与稳定性 在有限体积方法中,需要采用适当方法,近似计算每个控制体上 Navier–Stokes 方程(2.19)的面积分。第4章和第5章介绍了多种空间离散方案。由于对穿...
10.2 离散格式的精度
10.2 离散格式的精度 离散格式的精度与其截断误差有关。例如,若截断误差的主项与 $ \Delta x $ 成正比,则称为空间一阶精度格式;若主项随 $ (\Delta x)^{2} $ 变化...
10.3 von Neumann 稳定性分析
10.3 von Neumann 稳定性分析 在实现新的离散方法之前,至少应大致了解它对数值格式稳定性与收敛行为的影响。已有大量实践证实,von Neumann 稳定性分析能够可靠地评估求解格式...
10 参考文献
参考文献 [1] Roache PJ. Quantification of uncertainty in computational fluid dynamics. Ann Rev Fluid ...
第 11 章 网格生成原理
11.1 结构网格
第 11 章 网格生成原理 在数值求解控制方程之前,必须离散所有边界表面,并在流动区域内部生成体网格。如第3章开头的3.1节所述,基本上可选择: 结构网格; 非结构网格。 图11.1...
11.2 非结构网格
11.2 非结构网格 非结构网格通常由二维三角形或三维四面体组成。但如今,用多种单元类型构造非结构网格越来越常见。例如,以六面体或棱柱体离散边界层,流动区域其余部分用四面体填充,并在六面体或棱柱...
11 参考文献
参考文献 [1] Brodersen O, Hepperle M, Ronzheimer A, Rossow CC, Schöning B. The parametric grid genera...
第 12 章 软件应用
12.1 稳定性分析程序
第 12 章 软件应用 软件包包含若干一维、二维流动求解器及网格生成器的源代码和可执行程序,并提供多种一维、二维流动算例的输入数据与网格。此外,还包含两个用于显式、隐式时间推进格式 von Ne...
12.2 一维结构网格生成器
12.2 一维结构网格生成器 grid_1d 目录包含生成一维结构网格的程序。每个网格节点对应一个截面积,沿 x 轴的面积分布对应 Laval 喷管,按以下关系计算: $$ \begin{gat...
12.3 二维结构网格生成器
12.3 二维结构网格生成器 grid_struct_2d 目录包含三个生成二维外流与内流结构网格的程序。第一个的源代码位于 cgrid 子目录,用于生成翼型周围 C 型网格,见11.1.1节及...
12.4 结构网格转非结构网格程序
12.4 结构网格转非结构网格程序 grid_unstr_2d 目录中的程序,将二维结构网格转换为非结构三角形网格。它连接距离较短的一对对角节点,将结构网格的每个四边形单元划分为两个三角形。所得...
12.5 准一维 Euler 求解器
12.5 准一维 Euler 求解器 structured_1d 目录包含求解准一维 Euler 方程的程序,描述喷管或管道中的无黏流动。方程的守恒微分形式为 $ [3] $ $$ \frac{...
12.6 二维结构 Euler/Navier–Stokes 求解器
12.6 二维结构 Euler/Navier–Stokes 求解器 structured_2d 目录包含在结构贴体网格上求解二维 Euler 方程和 Navier–Stokes 方程的程序。空间...
12.7 二维非结构 Euler/Navier–Stokes 求解器
12.7 二维非结构 Euler/Navier–Stokes 求解器 unstructured_2d 和 C++/unstructured_2d 目录包含在非结构三角形网格上求解二维 Euler...
12.8 并行化
12.8 并行化 Parallelization 目录包含采用异步代理库、CUDA、MPI 和 OpenMP 实现的并行程序示例,见9.6节。待并行化的程序求解二维 Laplace 方程, $$...
12 参考文献
参考文献 [1] Farin GE. Curves and surfaces for computer aided geometric design—a practical guide. 3rd...
附录
中文译文;节编号与原书一致。
A.1 控制方程的微分形式
附录 A.1 控制方程的微分形式 假设对流通量与黏性通量连续,则先应用 Gauss 定理,可将控制方程(2.19)由积分形式转为微分形式,得到 $$ \frac{\partial}{\parti...
A.2 Euler 方程的拟线性形式
A.2 Euler 方程的拟线性形式 这种形式有助于理解控制方程的数学性质,也便于发展和分析数值格式。 拟线性形式由控制方程的微分形式(A.4)推导得到。这里仅考虑 Euler 方程,即 $$ ...
A.3 控制方程的数学类型
A.3 控制方程的数学类型 偏微分方程(PDE)的数学类型,可用经典的二阶拟线性方程说明: $$ a\frac{\partial^{2}U}{\partial x^{2}}+b\frac{\pa...
A.4 旋转参考系中的 Navier–Stokes 方程
A.4 旋转参考系中的 Navier–Stokes 方程 在某些情况下,例如叶轮机械、螺旋桨或地球物理应用中,计算域绕某条轴匀速旋转。此时,将 Navier–Stokes 方程变换到旋转参考系更...
A.5 动网格上的 Navier–Stokes 方程
A.5 动网格上的 Navier–Stokes 方程 在研究流固耦合或模拟外挂物分离等问题时,必须在移动、甚至变形的网格上求解控制方程。最常用的两种方法,是任意 Lagrange–Euler(A...
A.6 薄剪切层近似
A.6 薄剪切层近似 高 Reynolds 数流动中,黏性应力仅在物体周围的狭窄区域影响流动。因此,可合理假设壁面法向梯度占主导,忽略其他方向的梯度 $ [21, 22] $。这就是 Navie...
A.7 PNS 方程
A.7 PNS 方程 当满足以下三个条件时: 流动为定常,即 $\partial\vec W/\partial t=0$; 流体主要沿一个方向运动,且不得发生边界层分离; 横流分量可...
A.8 Navier–Stokes 方程的轴对称形式
A.8 Navier–Stokes 方程的轴对称形式 模拟圆柱形物体绕流或圆柱形腔内流动时,通常可假设流动关于纵轴对称。这意味着没有旋流,且流动量沿周向的导数为零。在这些条件下,可从 Navie...
A.9 对流通量 Jacobian 矩阵
A.9 对流通量 Jacobian 矩阵 对流通量 Jacobian 表示对流通量对守恒变量的梯度,即 $$ \bar{A}_{c}=\frac{\partial\vec{F}_{c}}{\pa...
A.10 黏性通量 Jacobian 矩阵
A.10 黏性通量 Jacobian 矩阵 黏性通量 Jacobian 表示黏性通量对守恒变量的梯度,即 $$ \bar{A}_{ v}=\frac{\partial\vec{F}_{\math...
A.11 从守恒变量到特征变量的变换
A.11 从守恒变量到特征变量的变换 对流通量 Jacobian(A.9节)具有实特征值和完整的特征向量组,因此可对角化为 $ [25] $ $$ \bar{A}_{c}=\bar{T}\bar...
A.12 GMRES 算法
A.12 GMRES 算法 考虑线性方程组 $$ \bar{A}\vec{x}=\vec{b}.\tag{A.90} $$ 寻求以下形式的近似解: $$ \vec{x}=\vec{x}_{0}...
A.13 张量记号
A.13 张量记号 坐标 $ (x_{i}) $ 或速度分量 $ ( v_{i}) $ 这样的表达式表示一阶张量,具有三个分量,对应矢量。因此, $$ \begin{aligned}x_{i}&...
附录 参考文献
参考文献 [1] Sommerfeld AJW. Partial differential equations in physics. New York: Academic Press; 194...