计算流体力学入门_（美），安德森著姚朝晖，周强译_9787302234876

《计算流体力学入门》是计算流体力学的入门教材，系统地介绍了计算流体力学的基本原理、控制方程、数值分析、计算方法、网格生成及其在工程中的应用，对计算流体力学现状和发展前景也作了概要综述。全书分成4部分：第l部分是基本原理和方程；第2部分是数值分析基础；第3部分是应用实例；第4部分是现代计算流体力学概述。《计算流体力学入门》适合作为力学、计算数学及工程科学的大学生，非力学专业的研究生以及有关领域的科研、工程技术人员学习计算流体力学的第一《计算流体力学入门》。

　　这本计算流体力学（CFD）教材是真正为CFD初学者提供的。如果读者在此之前从来没有学习过CFD，或者从未在CFD领域工作过，甚至对CFD这一学科没有基本的认识，那么本书将是非常适合的。学习本书绝对不需要CFD的任何知识，只需要有想了解CFD这一学科的愿望就可以了。
　　作者希望用一种简单、有趣的方式向初次学习CFD的读者展示这一学科。在数学上，今天的CFD是非常复杂的学科。在大学里，CFD一般被认为是研究生阶段的课程，现有的教科书和大多数的专业短期培训课程都将其定位于研究生阶段的学习内容。本书的目的就是为读者在阅读CFD领域现有的教科书和文献之前，在参加短期CFD培训课程之前提供坚实的基础。本书的特点是简单和目标明确，本书旨在给读者提供一个基本的体系和概念，这对读者将来接触更复杂的CFD是非常有意义的。本书所用的数学和流体力学知识相当于工程和物理学专业高年级本科生的水平。实际上，本书主要面对本科高年级一个学期CFD课程的学生，同时也适用于研究生先期阶段的CFD课程教学。
　　本科生CFD方面的书尚没有固定的模式，可谓仁者见仁，智者见智。本书以这样一种形式呈现给读者，尽管可能不够完美，却是基于作者多年的教学经验和思考。为了实现本书的编写目标，作者在内容的组织方面进行了艰难的抉择。本书在介绍最近的、复杂的CFD时没有引入“专门”的处理方式，作者深知毫无经验的读者往往被这些高深的“专门”处理弄得一头雾水。经常发生这样的现象：一些想了解CFD的学生，因为这些先进复杂的处理方法半途而废，失去了继续学习CFD的信心和动力。因此，本书的目的就是为读者以后学习和应用先进的CFD处理方法做准备。本书给出了CFD的发展前景，使得读者有兴趣转向CFD的研究。作者从直观和物理角度来组织相关的CFD的材料。当一个CFD专家阅读本书时，也许其第一印象是本书有点“过时”，因为本书的一些内容是20世纪80年代的材料，然而正是这些“过时”但是被证明是可靠的思想对初学者来说是非常宝贵的经验。通过本书的学习，读者将在研究生阶段和工作阶段，在复杂的CFD方面不断取得进步。然而，为了扩展读者的视野，第11章将讨论CFD的一些“专门”的处理方法，一些比较超前且有用的CFD算例将在第12章展示。因此，当读者完成了本书最后几页的学习时，就已经在CFD学科上上了一个台阶。
　　本书的部分内容来自作者十年来在比利时冯·卡门流体力学研究所（VKI）的一周短期培训课程“计算流体力学引论”和近年来在英国Rolls\|Royce公司的培训课程。通过多年的教学经验，作者探索出了一种易被初学者接受的、具有学习成就感和吸引力的教学方法，本书便直接反映了作者在此方面的经验。作者特别感谢VKI的主任John Wendt博士，他首先意识到需要这种导论性的CFD课程，且早在十年前就让作者在VKI准备这样的课程。在后来的年份，这种对“计算流体力学引论”的需求已远远超出了我们当初最大胆的想象。最近由John F. Wendt博士主编的，Springer\|Verlag出版社1992年出版的《计算流体力学：引论》一书即是VKI课程笔记。本书是这一VKI版的极大扩充，适用于一学期的C`FD课程教学，但是仍保持了简洁和激励的基本精髄。
　　本书由4部分组成。第Ⅰ部分介绍了与CFD相关的基本思想和体系和与之相联系的对流体力学的控制方程的广泛讨论，这对学生充分认识CFD和感知其相关物理方程是非常重要的，它们是CFD的生命线。作者强烈感受到对控制方程的充分认识和理解的必要性，因此第2章着力于方程的获取和深入讨论，在某种意义上，第2章是相对独立的，可看成是控制方程的“小型课程”。经验表明，学习CFD的学生往往来自不同的背景，因此他们对流体力学控制方程的认识程度也相当不同，从几乎一无所知到相当了解的均有。不同背景的学生已经对本章学到的内容表达了感激之情，那些对流体力学控制方程一无所知的学生，非常高兴有机会对这些方程产生亲切感；那些对流体力学控制方程有一定了解的学生很高兴本书剥去各种形式控制方程的神秘外衣，给出其完整的描述和深入的阐述。第2章重点强调的哲学思想是一名优秀的计算流体力学家首先必须是一名优秀的流体力学家。
　　第Ⅱ部分展示了控制方程数值离散的基本方面，详细介绍了偏微分方程的离散（有限差分方程），引入了基本数值问题，给出了几种求解流动问题的常用数值方法，最后通过几个家庭作业来简单介绍了积分形式方程的有限体积离散。
第Ⅲ部分包含了4个经典动力学问题的CFD应用，众所周知，这些问题是涉及精确解析解的问题，可以作为CFD数值结果的比较基础。很明显，CFD将要求解的真实世界的问题是没有已知的解析解的。事实上，CFD是求解那些不能用其他方法求解的问题的工具。然而，本书的目的是为读者介绍CFD方面的基础知识，选择那些难以验证的应用范例对此毫无益处，因此作者宁愿选择那些简单的具有精确解的问题，这样读者可以根据已知的精确解来判别某一给定的计算方法的优缺点。书中对这4种应用进行了详细的介绍，读者可以清晰地看到在第Ⅰ和第Ⅱ部分所提到的CFD基础知识的直接应用。本书也鼓励读者自己编写计算机程序来求解这些问题，并用第7~10章中给出的结果来进行校核。从某种意义上讲，尽管本书是计算流体力学教程，但事实上也是读者获取更全面的流体力学知识的载体，作者有意识地强调各种流体问题的物理背景，目的就是加强读者的全面理解。有这样一种说法：当学生学习了第N＋1门课，才能真正掌握第N门课的内容。在流体力学的某些方面本书是这一说法的一个佐证，本书就是第N＋1门课。
　　本书的前几部分是CFD算法和应用方面的基础知识，而第Ⅳ部分介绍了比本书前几章讨论的方法更先进的反映当代专门算法的一些专题。对这些高层次专题，本书没有详细讨论，因为这将超出本书的范围。这些专题等待读者在以后的学习中多多关注。因此只是在第11章中对这些专题进行了简单介绍，以使读者提前对未来的学习产生兴趣。第11章的目的就是让读者对当今的CFD技术有一些基本思想和概念。第12章阐述了CFD的未来，给出了一些近期的应用。第12章通过在一定程度上扩展第1章中具有激励性的讨论来结束本书。
　　事实上，在计算程序的编排上作者面临着艰难的选择，是否应该将计算程序详细地列在书中，以帮助读者进行计算机编程，认识计算效率的重要性以及CFD的模块式计算程序？最后作者决定不采用这种形式。本书除了在附录A中给出了在求解库埃特流所用到的Thomas算法的计算程序外，没有再给出其他计算程序。虽然给出好的和差的计算方法的相应程序有助于读者熟习和理解计算效率，但这并不是本书的目的。当读者尝试自己动手编写计算程序而不是抄写作者预先列出的程序，来求解第Ⅲ部分中的应用题并得到合适的结果时，这将是莫大的鼓励。这一点被看成是学习过程的一部分。自己编写CFD程序是CFD学习阶段认知过程的重要组成部分。另一方面，第Ⅲ部分所讨论的应用，其详细计算程序全部列在为本书服务的求解手册中，该手册是为讲课教师服务的。教师可以自由地将所列的计算程序根据需要部分或全部提供给学生。
　　关于计算图形需要说明一下，一位审稿者建议本书中应该涉及一些计算图形，这是一个好建议，因此第6章用了一整节的篇幅解释和说明CFD经常用到的各种计算图形技术，而且标准的计算图形样式遍布书中。
　　另外，对于像本书这种导论性的本科高年级CFD课程，家庭作业问题需要说明一下。关于本书中的家庭作业问题，作者是经过深思熟虑的。CFD的实际应用，即使是列在本书中的最简单技术，在读者能够确实做出合理的计算之前也需要一个扎实的学习过程。因此在本书的前几章，读者没有较多的机会通过家庭作业来练习计算。这不同于更典型的本科生工程课题，可以通过立即布置的家庭作业，使学生沉浸于边做边学的过程中。本书的读者在学习前期未接触到第Ⅲ部分的应用之前，完全沉浸于CFD的基本词汇、体系、思想和概念中，事实上读者在这些应用中应当做一些计算以使自己得到一些CFD的经验，即使在这些部分，这些应用实质上也大多数属于小计算项目，而不是家庭作业。本书的审稿者在家庭作业的问题上也分两派，一半审稿者认为需要留家庭作业，而另一半的审稿者则认为家庭作业没有必要。对此作者采用了折衷的立场，本书中有一些家庭作业，但不是很多。有几章有家庭作业，以帮助读者对文中讨论的概念进行深入的思考。由于本科生阶段关于CFD的书尚未建立相应的模式，因此本书无规可循，作者宁愿将何为适当的家庭作业的问题留给读者和授课者来思考，让他们在此方面发挥自己的想象力。
　　本书保持了作者以前著作的特点，即尽力用读者容易理解的书写方式来论述。本书以对话的方式和读者交流，使得读者能够很容易地理解那些原本不容易理解的内容。
　　如上所述，本书的一个特色是主要针对工科和理科的本科生。自从17世纪以来，科学和工程沿着两条平行的轨道发展着，一个用纯实验方法处理问题，一个用纯理论方法处理问题。事实上现在的本科生工程和科学课程反映了这一传统，他们给学生提供了坚实的实验和理论基础，然而在技术发达的今天，随同实验方法和理论方法，计算力学作为新的第三种方法已经出现。在未来，每位毕业生都会以某种方式接触计算力学，因此为了让学生对当今的三种研究方法有全面了解，在流体力学方面将CFD课程加入本科生课程中是非常必要的。本书旨在本科生中开设CFD课程，希望尽可能使学生和教师体会其中的快乐。
　　说到本书的“偏好”，由于作者是位空气动力学家，因此讨论与航空相关的课题有种自然趋势，然而CFD是多学科的，除去航空航天领域，在机械、土木、化工，甚至电子工程以及在物理学和化学中都有CFD的应用。在写本书时，作者考虑了所有这些领域读者的要求。事实上在作者教授的CFD短期课程中，学生就来自上述领域，作者很高兴有此经历。因此本书所包含的材料不仅与航天航空工程有关，还与其他学科有关。机械和土木工程师在第1章将会看到许多熟悉的应用，也将对第6章中讨论的ADI方法和压力修正技术特别感兴趣。事实上，第9章中的黏性不可压缩流动的压力修正技术的求解就是针对机械和土木工程师的。然而不管应用的对象是谁，请记住本书中提供的材料是最基础的，它面向各领域的读者。
本书中所提供的素材是如何安排的？读者如果没有时间综观全书，他（她）能否跳过某些章节呢？答案基本上是肯定的。尽管作者编写本书使得按顺序连贯阅读本书的读者对基础CFD有一广泛的了解，但是我也认识到很多时候读者是没有这么多时间的。因此作者从战略高度来综观全书，特别是通过醒目的路标来指导读者如何阅读本书，如何根据自己的特殊需要来查找所需的内容，这些路标也出现在目录表中，随时供读者参考。
　　作者特别感谢美国空军学会的航空学教授Col.WayneHalgren。Colonel Halgren教授花时间阅读了本书的手稿，在学会的一期高级讲座上还用到了本书，使本书在1993年的春天在课堂上得以接受检验。随后他不惜花时间拜访Park学院的作者来分享他教学实践中的经验。这些来自不同地方的信息是相当珍贵的，本书中的一些特色即出自这些相互交流。事实上，为了加强这样的交流，Wayne几年前曾来做作者的博士生，作者很自豪能有这样高水平的学生。
　　我还要感谢我在CFD领域的所有同事，他们在CFD基本结构上给出了很有价值的意见，特别是书稿的评阅人，他们是Clarkson University的Ahmed Busnaina, Alabama\|Huntsville University的Chien\|Pin Chen, Pennsylania State University的George S. Dulikravich, University of Virginia的Ira Jacobson, Old Dominion University的Osama A. Kandil, University of Kentucky的James McDonough, University of Notre Dame的Thomas J. Mueller, Iowa State University的Richard Pletcher, Florida Institute of Technology的Paavo Repri, University of Michigan\|Ann Arbor的Roe P. L., University of Wisconsin的Christopher Rutland, Mississippi State University的Joe F. Thompson和Florida State University的Susan Ying,本书的部分内容是与他们讨论的结果。同时还要特别感谢Susan Cunningham女士，她是作者的特别助理，她为本书进行了细致的准备工作，包括公式的录入，在本书编排过程中她得到了很大的乐趣。当然，特别的感谢还要送给作者生命中最重要的两个组成部分——为本书的编写提供了必需的人文环境的University of Maryland(马里兰大学)和我的妻子Sarah\|Allen，作者在家里花费难以计数的时间写作本书时，她给予了充分的理解和支持。对以上各位，我谨表示衷心的感谢！
现在让我们开始学习吧！希望在快乐阅读和计算时，读者将有丰富的收获和乐趣。学海无涯，乐在其中。

作者

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