经典！这本美国教材已有多个版本引进中国！经过半个多世纪的迅猛发展

流体力学，是研究流体（液体和气体）的力学运动规律及其应用的学科，是研究在各种力的作用下，流体本身的状态，以及流体和固体壁面、流体和流体间、流体和其他运动形态之间相互作用的力学分支。计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics，简写CFD）是20世纪60年代开始伴随计算科学与工程（Computational Science and Engineering，简称CSE）迅速崛起的一门学科分支。经过半个多世纪的迅猛发展，计算流体力学这门学科已经相当成熟。一个重要的标志就是近几十年来，各种CFD通用软件的陆续出现，并成为商品化软件，服务于传统的流体力学和流体工程领域，如航空、航天、船舶、水利等。随着CFD通用软件的性能日益完善，应用范围不断扩大，在化工、冶金、建筑、环境等相关领域中也被广泛应用。

在医疗方面的应用（人造器官）

在环境能源方面的应用（风力发电机叶片）

在体育领域的应用

现代流体力学研究方法包括理论分析、数值计算和试验研究三个方面。这些方法从不同的角度进行研究，相互补充。理论分析能够表述参数影响形式，为数值计算和试验研究提供有效的指导；试验研究是认识客观现实的有效手段，验证理论分析和数值计算的正确性；数值计算（计算流体力学）通过提供模拟真实流动的经济手段补充理论及试验的空缺。

更重要的是，计算流体力学提供了廉价的模拟、设计和优化的工具，以及提供了分析三维复杂流动的工具。在复杂的情况下，测量往往是很困难的，甚至是不可能的，而计算流体力学则能方便地提供全部流场范围的详细信息。与试验研究相比，计算流体力学具有对于参数没有什么限制、费用少、流场无干扰的特点。出于计算流体力学如此的优点，可以选择它来进行模拟计算。简单来说，计算流体力学所扮演的角色是：通过直观地显示计算结果，对流动结构进行仔细的研究。

计算流体力学大体上沿两个方向发展：一个是在简单的几何外形下，通过数值方法来发现一些基本的物理规律和现象，或者发展更好的计算方法；另一个则是解决工程实际需要，直接通过数值模拟进行预测，为工程设计提供依据。理论的预测出自于数学模型的结果，而不是出自于一个实际的物理模型的结果。计算流体力学是多领域交叉的学科，涉及计算机科学、流体力学、偏微分方程的数学理论、计算几何、数值分析等，这些学科的交叉融合，相互促进和支持，推动了学科的深入发展。

CFD方法是对流场的控制方程用计算数学的方法将其离散到一系列网格节点上求其离散的数值解的一种方法。控制所有流体流动的基本定律是：质量守恒定律、动量守恒定律和能量守恒定律。由它们分别导出连续性方程、动量方程（N-S方程）和能量方程。应用CFD方法进行平台内部空气流场模拟计算时，首先需要选择或者建立过程的基本方程和理论模型，依据的基本原理是流体力学、热力学、传热传质等平衡或守恒定律。

由基本原理出发可以建立质量、动量、能量、湍流特性等守恒方程组，如连续性方程、扩散方程等。这些方程构成连理的非线性偏微分方程组，不能用经典的解析法，只能用数值方法求解。

求解上述方程必须首先给定模型的几何形状和尺寸，确定计算区域并给出恰当的进出口，壁面以及自由面的边界条件。而且还需要适宜的数学模型及包括相应的初值在内的过程方程的完整数学描述。

求解的数值方法主要有有限差分法（FDM）和有限元（FEM）以及有限分析法（FAM），应用这些方法可以将计算域离散为一系列的网格并建立离散方程组，离散方程的求解是由一组给定的猜测值出发迭代推进，直至满足收敛标准。常用的迭代方法有Gauss-Seidel迭代法、TDMA方法、SIP法及LSORC法等。利用上述差分方程及求解方法既可以编写计算程序或选用现有的软件实施过程的CFD模拟。

小麦今天推荐的“Computational Fluid Dynamics: The Basics with Applications”（双语注释版中文名《计算流体力学：基础与应用》）一书非常适合计算流体力学（CFD）的初学者，其作者为史密斯学会美国国家航空航天博物馆空气动力学馆的馆长小约翰.D.安德森。该书目前已有多个版本引进中国，计有翻译版、翻译改编版、影印版以及航空工业出版社新近出版、由西北工业大学航空学院李杰教授团队操刀注释的双语版等。航空工业出版社双语版采用原著影印加中文加注的形式，读者除了可以学习纯正的专业英语及表述，更关键的是还能在加注者的帮助下系统、迅速地准确掌握该书知识要点，这对国内读者是个福音。如果你以前从未学习过计算流体力学，也没有从事这方面的工作，抑或你对它完全没有概念，那么，这本书就是为你写的——该书假定读者对 CFD没有任何了解！

《计算流体力学：基础与应用》

出版社：

航空工业出版社

出版时间：2018年1月

ISBN：9787516514719

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关于作者

小约翰.D.安德森

1937年10月1日出生于宾夕法尼亚州的蓝卡特市。1959年以优异的成绩毕业于佛罗里达州大学，获得航空工程学士学位。1959~1962年，他作为随军任务科学家在莱特.帕特森空军基地航空航天实验室工作。1962~1966年，他进入俄亥俄州立大学学学，并在美国国家自然科学基金会和NASA奖学金的资助下，攻读航空航天工程学博士学位。1966年，他加入美国海军军械实验室，任高超声速研究组的首席科学家。1973年他成为马里兰大学航空航天工程系系主任，并自1980年起在那里任教授，1982年获得该校“杰出学者/教授”称号。在马里兰大学，他还于1993年被聘为自然科学哲学和科学委员会全职教员，并在1996年被聘为历史系教员。1996年，他被授予“格伦.L.马丁航空航天工程教育杰出教授”称号。1999年，他从马里兰大学退休，并获“荣誉退休教授”称号。他目前是史密斯学会美国国家航空航天博物馆空气动力学馆的馆长。

安德森博士出版了8本专著（McGraw-Hill Education（MHE）出版了其中6本。我国航空工业出版社已从MHE引进或计划引进5本，包括《空气动力学基础》（2014年2月出版）、《现代可压缩流：以历史的视角》（2017年6月出版）、《飞行导论》（2017年11月出版）、《计算流体力学》（2017年11月出版）、《飞行器性能与设计》（计划）），发表了120多篇论文。安德森博士被收入《美国名人录》。他是美国航空航天学会（AIAA）荣誉会员、伦敦英国皇家航空学会会员。1988年，他被选为AIAA教育委员会副主席。1989年，他获得美国工程教育学会和AIAA联合颁发的John Leland Atwood奖，以表彰他“对航空航天工程教育的贡献所产生的永久性的影响”。1995年，他被授予AIAA航空航天文献奖，以表彰其“在航空航天工程领域编写了因易读、表述清晰且包括历史内容而在世界范围内引起广泛赞誉的本科生和研究生教材”。1996年，他被选为AIAA出版委员会副主席。2000年，他被AIAA授予航天学“冯?卡门讲师”荣誉称号。从1987年至今，安德森博士一直是McGraw-Hill Education航空航天工程系列丛书的资深顾问编辑。

关于本书

作者写该书的目的是为 CFD的初学者提供一种简单、实用而且有趣的方法。当前，CFD在业界仍然被认为是一门深奥的学科。在大学里，CFD相关课程被普遍认为是研究生阶段的课程，当前大部分的教材也都是针对研究生的。该书可以看成是这些课程的预习，希望能够为读者解决阅读其他CFD书籍和参考文献，或者学习其他 CFD课程之前存在的困惑。该书假定读者拥有理工科院校高年级学生的数理基础。因此，该书的主要对象就是大学本科的高年级学生以及低年级的研究生。

该书没有选择当前 CFD的前沿方法，因为那些会让初学者难以接受。作者在多年的教学中，多次看到初学者因为教材的无趣和晦涩而放弃学习计算流体力学。实际上，该书的目标是使读者在日后阅读那些前沿的资料时能从该书中受益，而不是吓倒读者。故而书中使用了直观的、结合物理背景的方式来介绍计算流体力学。计算流体力学的专家在评价这本书时，也许会觉得是“过时的”，因为有些部分只是20世纪80年代的研究水平。但是就是因为这些看起来过时的、已经被反复证明了的思路，恰恰能为初学者提供较直观、较容易理解的学习方式。有了本书的学习背景，读者能在后续的研究生学习阶段和工作阶段中很快地进入计算流体力学更复杂的领域。当然，为了让读者更快地步入这些领域，该书的第 11章介绍了一些较为前沿的 CFD技术，第 12章介绍了一些前沿的、有影响力的算例。

该书的部分内容来自于作者10余年在比利时冯·卡门流体力学研究所（VKI）讲授短期课程“计算流体力学概论”的经验。这些内容过去在英国的罗尔斯-罗伊斯公司也讲过。基于这些经验，作者发现了很多能够让初学者对 CFD的基础概念易于接受、觉得有用并产生兴趣的东西。该书的内容直接反映了作者在这方面的经验。

该书共分为４个部分，涵盖了计算流体力学的基本思想和控制方程、基本数值方法、应用实例以及现代计算流体力学的初步讨论与展望。第一部分（第1~3章）介绍计算流体力学的研究意义、控制方程的推导和数学特性；第二部分（第4~6章）介绍数值离散、误差和稳定性分析、网格变换、计算格式、求解方法以及流场后处理方法；第三部分（第7~10章）介绍几种应用实例，分别为拟一维喷管流动、二维超声速膨胀波流动、不可压缩库埃塔流动、超声速平板流动；第四部分（第11、12章）介绍现代计算流体力学中的雅可比矩阵、隐式推进、迎风格式、高分辨率和高阶精度格式、通量限制器、多重网格以及未来展望。

关于目录

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第一部分基本思想和控制方程

第 1章计算流体力学的基本理论

1.1 计算流体力学：为什么？

1.2 作为研究工具的计算流体力学

1.3作为设计工具的计算流体力学

1.4计算流体力学的影响——其他案例

1.4.1汽车和发动机领域的应用

1.4.2工业制造领域的应用

1.4.3土木工程领域的应用

1.4.4环境工程领域的应用

1.4.5造船（如潜水艇）领域的应用

1.5计算流体力学：是什么？

1.6本书的目的

第 2章流体力学的控制方程组：推导过程、物理含义和适合于CFD 的表达形式

2.1引言

2.2流动模型

2.2.1有限控制体模型

2.2.2无穷小流体微团模型

2.2.3注释

2.3物质导数（运动的流体微团的时间变化率）

2.4速度散度及其物理含义

2.4.1注释

2.5连续性方程

2.5.1空间位置固定的有限控制体模型

2.5.2随流体运动的有限控制体模型

2.5.3空间位置固定的无穷小微团模型

2.5.4随流体运动的无穷小微团模型

2.5.5不同形式方程之间的转化

2.5.6方程积分形式与微分形式的重要注释

2.6动量方程

2.7能量方程

2.8流体力学控制方程的总结和注释

2.8.1黏性流动方程（纳维 -斯托克斯方程）

2.8.2无黏流方程（欧拉方程）

2.8.3关于控制方程的注释

2.9物理边界条件

2.10适用于 CFD的控制方程：对守恒型、激波装配法和激波捕捉法的注解

2.11小结

习题

第 3章偏微分方程的数学性质：对计算流体力学的影响

3.1引言

3.2拟线性偏微分方程的分类

3.3确定偏微分方程类型的一般方法：特征值法

3.4不同类型偏微分方程的一般性质：对物理学和计算流体力学的影响

3.4.1双曲型方程

3.4.2抛物型方程

3.4.3椭圆型方程

3.4.4 注释：超声速钝体问题回顾

3.5适定性问题

3.6小结

习题

第二部分基本数值方法

第 4章离散化的基本方法

4.1引言

4.2有限差分引论

4.3差分方程

4.4显式方法与隐式方法：定义和对比

4.5误差与稳定性分析

4.5.1 稳定性分析：更广阔的视野

4.6小结

引导

习题

第 5章网格与相应变换

5.1引言

5.2方程的一般变换

5.3几何变换系数和雅可比行列式

5.4特别适合于 CFD应用的控制方程形式：变换后的控制方程

5.5注释

5.6拉伸（压缩）网格

5.7贴体坐标系：椭圆网格生成法

引导

5.8自适应网格

5.9网格生成中的一些现代进展

5.10有限体积法中网格生成的一些现代技术：非结构网格和笛卡儿网格的回归

5.11　小结

习题

第 6章　一些简单的 CFD技术：入门

6.1引言

6.2拉克斯 -温卓夫格式

6.3麦科马克格式

引导

6.4　一些注释：黏性流动，守恒型，空间推进

6.4.1黏性流动

6.4.2守恒型

6.4.3空间推进

6.5松弛技术及其在低速无黏流动中的应用

6.6数值耗散，数值色散，人工黏性

6.7交替隐式方法（ADI）

6.8压力修正技术：应用于不可压缩黏性流动

6.8.1关于不可压缩纳维 -斯托克斯方程的一些评述

6.8.2关于不可压缩纳维 -斯托克斯方程采用中心差分的评述：需要交错网格

6.8.3压力修正理论

6.8.4压力修正方程

6.8.5数值计算过程：SIMPLE算法

6.8.6压力修正方法的边界处理

引导

6.9 CFD中使用的计算机图形技术

6.9.1 xy图

6.9.2等值线图

6.9.3矢量图和流线图

6.9.4散点图

6.9.5网格图

6.9.6组合图

6.9.7计算机图形技术总结

6.10 小结

习题

第三部分　应用实例

第 7章　拟一维喷管流动的数值解

7.1引言：第三部分的章节布局

7.2物理问题简介：亚声速-超声速等熵流动

7.3亚声速-超声速等熵流动的 CFD解：麦科马克方法

7.3.1求解设置

7.3.2中间数值结果：前几个时间步

7.3.3最终数值结果：定常解

7.4完全亚声速等熵喷管流动的CFD解

7.4.1求解设置：边界条件和初始条件

7.4.2最终数值解：麦科马克方法

7.4.3失败算例的分析

7.5亚声速－超声速等熵流动的进一步讨论：守恒型控制方程的应用

7.5.1守恒型基本方程

7.5.2求解设置

7.5.3中间步的计算：第一个时间步

7.5.4最终数值解：定常解

7.6一个激波捕捉的例子

7.6.1求解设置

7.6.2时间推进的中间过程：人工黏性的添加

7.6.3数值解

7.7小结

第 8章　二维超声速流动的数值模拟：普朗特-迈耶膨胀波

8.1引言

8.2物理问题介绍：普朗特 -迈耶膨胀波及其解析解

8.3普朗特 -迈耶膨胀波流场的数值解

8.3.1　控制方程

8.3.2求解设置

8.3.3中间结果

8.3.4最终结果

8.4　小结

第 9章　不可压缩库埃特流动：采用隐式方法和压力修正方法求解

9.1引言

9.2物理问题及其精确解析解

9.3数值求解方法：隐式克兰克-尼科尔森方法

9.3.1数值求解公式

9.3.2求解设置

9.3.3中间结果

9.3.4最终结果

9.4另外一种数值方法：压力修正法

9.4.1求解设置

9.4.2结果

9.5小结

习题

第 10章　超声速平板流动：数值求解全纳维 -斯托克斯方程

10.1引言

10.2物理问题

10.3数值方法：二维全纳维 -斯托克斯方程显式差分法

10.3.1流动控制方程

10.3.2求解设置

10.3.3有限差分方程

10.3.4计算空间与时间步长

10.3.5初始条件与边界条件

10.4求解纳维 -斯托克斯方程的代码组织结构

10.4.1总览

10.4.2主程序

10.4.3麦科马克子过程

10.4.4　最后的讨论

10.5最终结果：定常解

10.6小结

第四部分其他专题

第 11章　现代 CFD中的某些高级问题

11.1引言

11.2再论守恒型流动控制方程：系统雅可比

11.2.1一维特例

11.2.2小结

11.3再论隐式方法

11.3.1方程的线性化：比姆 -沃明方法

11.3.2多维问题：近似因式分解

11.3.3块三对角矩阵

11.3.4小结

11.4迎风格式

11.4.1矢通量分裂

11.4.2戈杜诺夫方法

11.4.3　注释

11.5　二阶迎风格式

11.6高分辨率格式：总变差减小格式和通量限制器

11.7若干结果

11.8多重网格

11.9小结

习题

第 12章　CFD的未来

12.1再论 CFD的重要性

12.2 CFD中的计算机图形学

12.3 CFD的未来：对设计方法的促进

12.4 CFD的未来：增进对流体力学的理解

12.5结论

附录 A　三对角方程组的托马斯解法

参考文献

索引

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图 | 网络

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