计算流体力学基础及其应用

安德森《计算流体力学基础及其应用》中文译版，流体入门象计算流体力学基础及其应用敏、相倩、孙潜等参加了郃分翻译工作,在此向这些研究生表示感谢。全书由吴颂平教授整理、统穑。由于时闻仓促和译者水平所限,书中难免有不妥和错误之处,敔读批评指正。译者原书序这是一本为初学考写的计算流体力学( Computational Fluid Dynamics,CFD)书籍。如果你以前从来没有学过CFD,如果你从未在这一领域工作过,如果你对这一学科的整体情况还没有真正的了解,那么这本书就是为你所写。本号设在族此书之前对于CFD没有任何了解。作者写这本书的惟一目的就是为第一次学习CFD的读考提供一种简单、实用面且有趣钬方法。目煎在工业界,CFD还是一门深奥的学科。在大学里,也普遍认为CFD是一门研究兰的课程,现有的教材和大多数专门开设的期课程都是针对研究生的。而本书是要战为这些教学活动的先修教材,希望本书熊够为读者克!最初的困难。在你继鏤学习其做的教科书、参如这一学科的各种短期课程、阅读有关时文献之前,首先学习和掌握这本书,是本书立意的独特之处。这是一本筒单而有趣的书,它为你学习其他更复杂的内容做好了准备,让你对CFD的基本原理和思路有全面的了解,使你以后能更清楚地理解那些复杂的内容。阅读本书所要求的数学知识和流体力学背景都是大学本科工程和物理专业商年级学生应该堂握的。实际上,这本书起初就是打算用大学本科高年级的CFD课程,学卧为一个学期,也可以用于研究生一年级的基础课程。目前还没有针对本科生的CFD教材。如果你问人家应该釆用什么样的教材,那么十个人会有十种不同的答案,而本书就是作者的答案。尽管太书还不够完美,但是其中包含了作者多年的教学经验和恳想。为了使本书达到上面所说的目标,作者对有关内容进行了艰难的挑选和组织。当然,水书不想介绍当前CFD中前沿性的那些复杂方法,这种选材方式会使初学者一头雾水作者多火看到CFD約初学者由于对其中复杂的处理慼到厌烦,从而失去了继续跞入学列的兴趣,实际上,本书的最终目的就是使读者以后能从这些复杂的处辉中受益。木书给出了对CF整休的介绍,希堇能将读者变为一个了解CFD的专业人士,而不是让人对CFD敬而远之。因业,本书中大量使用了直观并且有物理背景的方式来介绍CFD。专家在评价这本书时,第一印象可能是觉得它有些过时,因为其中的一些内容代表了80年代的岍究水平。但恰恰是这些看郏来过时了的、但匕经被实践反复证实了的思路,成为初学者最直观、最容易理解的学习体验。利用木书提供的背景,读者可以在研究生阶段或者工怍中进一步学习CFD中更为复杂的内容。但是,为了使读者能够学到更多的东西,本书第11章讨沦了较为前沿性的CFD技术,第12章个绍了-些最新的、有价值的CHD算例。按照这样的安排,当你读完水书的最后一页,你已经为学寻这门学科中更为复杂的内容慑好了准备本书的部分内容来源于作者的教学实践。作为为期一周的短期课程,作者十年前曾在比利时的冯·卡门流体力学研兖所(Ⅴ〕讲授过《计算流休力学引论》,最近几年在英国的罗尔斯一罗伊斯公司也讲过。通过这些教学,作者发现了许多东西,它们能够使初学考更容易接受CFD的基木概念,觉得CFD是容易接受的、有用的,并对其产生兴趣。本书直接反应了作者在这方面的经验。在此特别感谢VK的所长 Jahn F. Wendt博士,是他首先认识到际计算流体力学基础及其应用需要这样—门介CFD的课程,并且在十年前就鼓励作者在VK开设这门课程。在接下来的几年中,人们对《计算流体方学引论》这门误的骺求超乎想象。最近,由 John F. Wendt编著的《计算流体力学引论》已经自 Springer-Verlag出版社出版,其中就包含了VK误程的些内容。木书就是对ⅤKI《计算洸依力学引论》-书的扩展和深入,希望将共扩充为学期的课堂教学的教材,但是仍然保持共筒单而有趣的基本精神。本书苗4部分组成。第1部分介绍了CFD的基本思想和基本原理,国时弹细讨论了沈低力学的基本方程一个学习CFD的学生,对这些基物理方程的充分理解和接受是十分重耍的,它们是CFD的基础。作者对充分理解和重祝这些方程的重要性感触颇深,因此在第2章中详尽地推导和讨论了这些方程。在某种惫义上,第2章可以独立地作为介绍流体力学控制方程的微型教材。实际情况表明,学习CFD的学生具有不同的背景,因而他们对流体力学控制方程的理解程度也有很大差别,有些人理解得比较充分,有些人却一无所知。所有这些学生一直都感谢作者在第2章中所讲的内容。那些--无所知的学生很高兴有机会充分掌握这些方程,而对于已经有了充分了解的学生,也狠愿意对那些程有一个综合而全面的回顾,褐示出各秤不同形式控铜方程中的奥妙。第2章强调了这样一外观点:一个出色的计算流体力学二作者苜先必须是一个优秀的流体力学工作者。駕2部分介绍了基本的数学离散方法,详细讨论了偏徽分方程的篱散方法(有限差分法),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。对于积分形式控制方程的有限体积离散方法,则是通过几个课外作业的方式作了介绍第3部分讨论了CⅣD在四个流体力学问题中的应用。这壁问题有众所周知的解析解,可以作为与CFD数值解进行对比的基础。显然,在CFD的实际应用中遇到的河题通常是没有解析解的。实际上,对于那些用其他方法无法解决的流动问趣,CFD正是求解它们的方法。但是,夲书的原意是介绍￠FD的基本概念,如果选择那些难以验证结果的算例,我们将得不到任何东西。反之,如果选择那些带有解析解的简单问题,读者就能感在解析解的基础上了数值方法的优缺点。本书对这部分中的每一个算例都进行了非常详细的介绍,读者可以从中看到本书第l和第2部分中CFD基础知识的许多直接的应用。本书也數勋读者自已編程去解垙这些问题,以验证第7章至第10章中的结果。实陈上,然这是一本套对计算流体力学的书,但它也是使镤者奧彻地了解流体力学的一个工具。作若着璽强调了冬种流动问题的物理背最,以加班读者对这些问颊的全面理解。学牡通常是在学习下一个课程时才真正领会了刚刚学完的那门课程。从某种意义上讲,本书就是一个例子。对于流体力学的基木问题,书就是下一个课程第4部分介绍内容要比節儿部分更深一些,这些内容构成了现代CFD前沿性的方法和应用。关于这些高级专题的详细讨论已经完全超出了本书的范围,读者可以在以后的进步学习中学到它们。在第11章中,对这些问题只是进行了简单的讨论,以便使读者对今后更具吸引力的学习有一个预先的认识。第11章的目的仅仅是让你熟悉当今正在发展的CU技术中的思路和用最。同样,第】2章讨论了CFD的来来,給出了一患前沿性的最新算例。在这一章里,通过进一步订论本柠第1章中介绍过的某些思想,使本书构成了一个整体作者还面临另外一个困难的选择,就是关于计算机编程的问题。本书是否应该详细列出有关的计算机栏序,来型助读者编写计算程序并使其认识到编程对于CFD的重要性呢?最原书序后的决定是否定的。本书中仅在附呆中列出了求解库埃特( Couette)流动的托马斯(Thomas)算法(也称作追赶法—译者注)。编程技术有好有坏,读者应该熟悉如何编写有数的程序,但这不是太书的职贵。相反,我们鼓励读者自己编写程序求解第3部分的算例,而不是仅仅买用作者的程序,因为这也是读者学习此书的过程之一。作者希望读者通过编写程序来亲手实践CFD,这是你现陝段学习CFD过程的重要组成部分。第3部分中各个算例的评细程序全都列在本书的才题解答手册中,这本手是给辅导教师用的。当然,教师可以报据情况将这些程序部分或全部地发给学生。有关计算机绘的问趣也需要谈一谈。有一位评阅人建议在书中如入一些有关计算机绘图的内容,这个建议很好。因此,第6章专、用了一个小节来解释和说明CFD中常用时计算机绘图技术。书中终出的许多计算结果,都釆用了标准的计算机图形格式。这些结果分布在书中的各个章节对于介绍性的C上课程和高级CD课程,都有必要谈到课外作业的重要性,本书出不倒外,这是一个严肃的问题,作者深思熟虑了很长时间。即使是本书中最简单的算例,读者要想用CFD的方法得到合理的结果也需要一个深入学习的过程。因此,在本书的前几章中并没有太多的课外作业供读者练打。对于大多数工斗课程,都是通过要求学生完成指定的课外作业夹进行教学的,本书则与之不同。水书的读者在开始的时候学时是CFD的用语、定俾、思想和穊念,在第3部分中才会有实际的应用。实际上,我们鼓勋读者均已去计算这些算例,并从肀积累应用CFD的经验。这些算例与课外作业相比,更像是一些小型的计算项日。本书的评阅入对书中是否应该包含课后练习持不同意见。一部分评阅入认为应该有课外汴业,另一邹分人则认为这是不必要的ε作者釆取了折衷的方式,书宁包含了一些课后练习,但并不多,主要是为了槨助读者思考书中一些概念的细节。目前关于如何进行本科阶段的CFD教学还没有定论,所以作者更應意将课外作业的河题留给堪明的读者和捕导教师,使他们可以发挥自已的创遣性。本书保持了作者以前著作中一贯的风格,尽可能用筒单易懂的浯言去讨论书中时内容。书守采月了对话的方式以使读者更容易理解那些难懂的内容正如前面萨讲的,本书的怍一用途是用于工程和物理专业的朮科课程。从17世纪开始,工程和科学就沿着两条平行的軌道发展:一个是进行试验硏究。另一个是进行堙论分析。实际上,当今工科和理科的本科生课程也反映了这种传统。这种做法为学生打下了坚实的试验基础和理论基础。但是,计算力学在今天已经成为与试验研究和理论研究并存的第三种研究方法。每一个饼究生将来都会以这样或那样的方式接鮭到计算力学。因业,在流体力学专业的本科生课程中有必要加入一些CFD的内容,使他们对当今的这三种研究方法都能有所了解。本书就是尝试在本科生中升展这样的CD教学,并希望这种教学能使教师和学全都感到快乐。谈一下本苄的风糝。作者是一岱空气动力学专家,自然会讨论一些与航空有关的问题。然而,CFD是跨学科的,它深入到了航天工程、力学、二木工程、化工,甚至息子工程,也包括物理和化学。在写这本书的时候,作者要为来自上述所有领域均*者着想。实际上,在作着讲述CFD短期谦程时,学生就来自上面提到的各个专业,他们都对CFD有兴遷。因此,书中有一些涉及其他学科的内容,其深度甚至超过航空航天工程的肉容。实际上,力学和土木二程师会在第1章里发现许多熬悉的应用,还会对第6葷中的AD方法和压计算流体力学基础及其应用力修正沄感兴趣。第9章中压力修正法在粗性不可压缩流屮的应用,就是同时针对力学工程师和土木工程师的。不论你将CFD应用到何处,请记住本书的内容是通用的,来自各行各业的读老都是受欢迎的。水书的内容是如何编排呢?在一个学期的课程内,时间不够的读者能否跳过戴者略去部分肉容呢?答案当然是肯定的。且然作看对内容进行了精心的编排,按照顺序圓读能够使初学者最大限度地了解CFD,但是作者也知道许多读者和教师没有充足的附间来这样做因此,在本书的重要位置上都醒目她列出了读指南,提示读者如何按照自已的要求剪娥书中的内容作者特别感谢美国空军学院航空专业约Co, Wayne Halgren教授,他研读了水书的原稿,将其编持成一学的高年级课程,并于1993年春天在他所在的学院进行了课堂教学试验。然后,他又不存时间地造访作者,号作者分享他在课上的经验。这种有独立来源的信息是无价的,本书中的许多特点都来狼于这种交流。实际上,为了加强这种交流,几年前 Wayne成为了我的一名博士研究生。拥有这样的学生是我的福气,我为此感到骄傲。作者也要感谢CFD领减中的所有同事,感谢他们与我进行了令人戴舞的讨论,我们讨沦了什么是(}D的基础。特别要感谢书稿的评叫人,这本书也是和他们讨论的产物。做们是Ahmed Busnaina, Clarkson UniversityChien- Pin Chen, University of Alabama-HuntsvilleGeorge S. Dulikrevich, Pennsylania State UniversityIra Jacubsurl, Universily of virginiaOsama A, Kadil, Old DotriniuI UniversityJames McDonough, Uriversity of KentuckyTunas ]. mueller. Uri versity of Notre duineRichard Pletcher, luwa stule universityPaavo Repri, Florida Institute of TechnologyP, L, Roe, University of Michigan-Ann ArborChristopher Rutland, University of wisconsinJoe F. Thompson, Mississippi State UniversitySusan Ying, Florida University问时,特别感谢作者的私人文字秘书 Susan Cunningam小姐,她为书穡做了细致的工作。sue喜欢输入公式,水书也应该给她带来了许多享受和欢乐。当然,还要特别感谢马旦兰大学以及我的夫人,他们在作者的生活中都是十分重要的。马里兰大学为本书的写作提供了必要的创作环竟,而我夫人Sarh-Al]ln的理解与支持也很重要,她陪我度过了那些寂寞无语的写作时光。我心地感谢所有的人。我希盟渎者能骅在快乐的学习与计算中有所收获。寓教于乐,是我宴正的愿望。John d. Ande录译者序原书序第1部分基本思想和基本方程第1章计算流体力学的基本2.5.2随流体运动的有限原理控制体模型……………352.5.3空间位置固定的无1.1为什么要学习计算流体力学……1穷小微团模型351.2作为研究工具的计算流体2.5.4随流体运动的无穷力学…3小微团模型1.3作为设计工具的计算流体2.5.5方程不同形式之间力学的转化……381.4计算流体力学的应用实例82.5.6积分形式与微分形1.4.1汽车和发动机式的重要注释1.4.2工业制造………………………112.6动量方程411.4.3土木工程132.7能量方程461.4.4环境工程142.8流体力学控制方程的总1.4.5造船(潜水艇)16结与注释1.5计算流体力学的研究范畴……162.8.1粘性流动的纳维-斯托克斯1.6学习本书的目的………………19Navier-Stokes第2章流体力学的控制方方程程组2.8.2无粘流欧拉( Euler)24方程…532.1引言………………………242.8.3关于控制方程的注释542.2流动模型…………262.9物理边界条件………………552.2.1有限控制体……262.10适合CFD使用的控制2.2.2无穷小流体微团…26方程…572.2.3注释……272.II小结…2.3物质导数(运动流体微团的时习题…………………………………65间变化率)…………………282.4速度散度及其物理意义…31第3章偏微分方程的数学性质2.5连续性方程…………………32对CFD的影响2.5.1空间位置固定的有3.1引言…………………66限控制体模型…………333.2拟线性偏微分方程的分类67X计算流体力学基础及其应用3.3确定偏微分方程类型的一3.4.3椭圆型方程··*·++++·,···“般方法——特征值法713.4.4注释823.4不同类型偏微分方程的3.5定解问题的适定性…83般性质…………………………743.6小结833.4.1双曲型方程*+*++···“74习题833.4.2抛物型方程77第2部分基本的数值方法6.2拉克斯-温德罗夫(Lax- Wendrof)第4章离散化的基本方法85方法………………………1504.1引言……856.3麦考马克( MacCormack)4.2有限差分基础方法…1534.3差分方程·………·……·:··*“““6.4粘性流动、守恒形式和空4.4显式方法与隐式方法间推进1554.5误差与稳定性分析…1056.4.1粘性流动1554.6小结1136.4.2守恒形式155习题…1146.4.3空间推进6.5松弛法及其在低速无粘流第5章网格生成与坐标动中的应用……58变换………1166.6数值耗散、色散及人工5.1引言116粘性…………………1605.2方程的一般变换………1186.7交替方向隐式(AD)方法…1675.3度量和雅可比行列式1226.8压力修正法及其在不可压5.4再论适合CFD使用的控制粘性流动中的应用170方程……1276.8.1关于不可压纳维斯托克斯5.5注释…12( Navier-Stokes)方程5.6拉伸(压缩)网格129的注释5.7贴体坐标系:椭圆型网格6.8.2交错网格的应用172生成1336.8.3压力修正法的基本原理…1745.8自适应网格……………1396.8.4压力修正公式……………1755.9网格生成的进展1446.8.5数值方法: SIMPLE5.10有限体积网格生成的进展……145算法……………………1795.11小结…6.8.6压力修正法的边界条件…180习题…………6.9用于CFD的计算机绘图技术…………………181第6章计算流体力学的基本6.9.1xy图…182方法1496.9.2等值线图…826.1引言……………………1496.9.3向量图和流线图目录《Ⅺ6.9.4散布图…………………1886.9.7关于计算机绘图的总结…1916.9.5网格图………1886.10小结………………………1916.9.6组合图189习题…………………………193第3部分计算流体力学的应用第7章拟一维喷管流动的数7.7小结……255值解195第8章二维超声速流动的数值解7.1引言195一普朗特一迈耶7.2物理问题简介…196稀疏波2577.3亚声速一超声速等熵喷管流动的CFD解法…1988.1引言2577.3.1问题的提法……1988.2物理问题简介:普朗特一7.3.2最初几步的中间结果……21迈耶( Prandtl-Meyer)7.3.3最终的数值结果——定稀疏波的解析解258常解………………………2158.3普朗特一迈耶( Prandtl7.4全亚声速等熵喷管流动的Meyer)稀疏波流场的CFD解法222数值解…2597.4.1问题的提法:边界8.3.1控制方程…………………259条件和初始条件…………2238.3.2问题的提法……………2657.4.2最终的数值结果—8.3.3中间结果273麦考马克( Mac Cormack)8.3.4最终结果…………………282方法2268.4小结………2867.4.3求解失败的原因28第9章不可压库埃特( Couette)7.5再论亚声速一超声速等熵喷管流动的CFD流的数值解………288解法………………2309.1引言2887.5.1守恒型基本控制方程2309.2物理问题及其解析解………2887.5.2问题的提法2339.3数值方法:隐式克兰克7.5.3第一个时间步的计算尼科尔森( Crank- Nicolson)结果237方法…………………2907.5.4最终的数值结果9.3.1数值方法291定常解2429.3.2问题的提法……2937.6激波捕捉24593.3中间结果2947.6.1问题的提法…2469.3.4最终结果……2987.6.2时间推进过程—人工9.4另一种数值方法;压力修粘性249正法7.6.3数值结果…2509.4.1问题的提法302