[問題討論]計算流體力學參考書

一、中文參考書:

1. 中國人民解放軍總裝備部軍事訓練教材編輯工作委員會,計算流體力學及應用,國防工業出版社,2003年。(*****重點推薦)

該書比較系統,有限基本解法(亞超聲速流的有限基本解方法),有限差分法和有限體積法均有介紹,對于應用的網格生成技術(網格生成基本方法,網格分區與重疊網格技術,非結構網格生成技術),非線性速勢方程解法,不可壓NS方程計算(壓力泊松方程方法,壓力修正方法(SIMPLE方法),虛擬壓縮性方法),可壓縮的Euler和NS方程計算(MacCormack顯式差分法,Beam-Warming因式分解格式,Jameson有限體積格式,TVD格式,NND格式,ENO及ENN格式,幾種常用的隱式(時間方向離散)算法(近似因式分解方法,對角化算法,LU-ADI算法,LU-SGS算法),湍流模型)以及稀薄氣體的蒙特卡羅的數值模擬都有專題,知識介紹結構清晰,有助于了解計算流體力學的整體知識框架。 

2. 蘇銘德,黃素逸,計算流體力學基礎,清華大學出版社,1997年。(*****重點推薦) 

該書雖說取名為基礎,但如果能全部看明白,倒也很不容易。該書分為若干個專題:數值模擬專題,數值計算方法,流場的數值計算。里面從發展型方程的有限差分法講起,講到偏微分方程的幾種常用數值方法(特征線法,有限元法,泊松方程的直接方法,對流擴散方程的有限解析法,發展方程的譜方法),再轉到流場的數值計算(無粘性流體流動的數值計算(等熵流動的數值計算,Burgers方程及其求解,激波的捕捉,Riemann問題的解和Godunov格式,多維氣體流動的數值計算),粘性流體流動的數值計算(可壓粘性流動數值計算的MacCormack格式、Beam-Warming格式、反擴散和NND格式、通量分裂法和推進迭代法;用流函數-旋度方程、有限解析法、有限差分法、推進迭代法、譜方法等求解不可壓粘性流動方程)上應用;該書總體來講還算是淺顯易懂;通過看這本書我們能學習到很多東西,比如各種數值方法(有限差分法,有限解析法,有限元法,譜方法,邊界元法)的區別和聯系小知識等等。 

3. 張涵信,沈孟育,計算流體力學-差分方法的原理和應用,國防工業出版社,2003年。(*****重點推薦) 

該書首先從流體力學的各級近似方程開始,從分析方程數學性質,到定解條件的提法;再用模型方程及其差分計算的分析理論,引出一系列的經典的差分格式(MacCormack格式,基于Runge-Kutta法的顯式耗散格式,Beam-Warming隱式耗散格式,Jameson隱式耗散格式,混合反擴散格式)以及無波動的不含自由參數的差分格式;由低階格式的模擬能力限制提出了建立高階格式的必要、建立高階精度格式的原則,介紹了一些典型的高精度差分格式(三階ENN格式,ENO格式,廣義緊致格式,時空守恒方法);由低維流動問題的差分格式到多維流動問題的差分格式(半離散化的多維差分格式,Runge-Kutta方法,交替方向隱式(ADI)方法,時間分裂格式(分數步格式),隱式近似因式分解方法);最后講述了邊界條件的數學處理,網格生成技術以及一些實用的數值計算規律。這本書有點像工具書,內容全面而實用。

4. 劉儒勛,舒其望,計算流體力學的若干新方法,科學出版社,2003年。(****一般重點推薦) 

該書深入地介紹了當代偏微分方程數值方法的新發展,特別是其中最具有理論意義和實用價值的間斷解或弱解的數值方法,以及我們面臨的新課題和新挑戰。對于研究比較前沿課題和需要在CFD方面進階的同學,這本書算是一本很不錯的參考書。該書主要內容包括:預備篇(有關數學模型的簡單介紹(線性試驗模型,非線性發展方程試驗模型,流體動力學的某些數值模擬實驗模型),關于有限差分方法和其他數值方法的某些重要概念(差分格式的相容性、收斂性和穩定性,有限差分法和其他數值方法的守恒性、單調性問題,差分格式和其他數值方法的迎風性設計,間斷解或者弱解的一些重要概念,Riemann問題的數值方法),有限差分方法的數值耗散、數值頻散和數值群速度效應(有限差分格式的修正方程和格式余項效應分析方法,數值模擬中所發生的奇怪現象的解釋,差分格式的改造、改進和優化);間斷解問題篇(間斷分解和Riemann問題的特征表示,Riemann間斷分解問題的Roe解法(基本思想,Roe參向量和近似Riemann解算子,Roe方法提高求解精度的關鍵和存在的問題),積分平均型間斷解問題方法的設計和討論(積分平均型守恒、單調格式的一般構思,Van Leer的MUSCL方法的構造,Collela和Woodward的PPM,積分平均格式構造的進一步討論);高分辨率方法篇(TVD方法的構造和控制函數(從Lax-Wendroff格式談起,TVD格式的構造與討論,限制函數或限制器的簡單討論),ENO和WENO格式(一維、二維標量方程的ENO和WENO格式,時間離散的Runge-Kutta方法,方程組問題);有限體積法篇(非結構網格的生成與構造,非結構網格有限體積法);非標準有限方法篇(混合有限元簡介,運動有限元方法,間斷有限元方法,時空有限元方法);運動界面追蹤問題的數值方法篇(VOF方法和運動界面的重構方法,等值面(Level Set)函數方法)。

5. 李萬平,計算流體力學基礎,華中科技大學出版社,2004年。(****一般重點推薦)

短小精悍是該書的一大特點,適合于初學者結合其他書籍作輔助性閱讀。該書偏重于流體力學的有限體積法介紹,通過閱讀An Introduction to Computational Fluid Dynamics: The Finite Volume Method (1995 H. K. VERSTEEG)不難發現,這本中文書很大部分是對這本英文書的翻譯,書中的其他部分則是《計算流體力學基礎》(蘇銘德,黃素逸)中有關發展型方程差分方法的章節。該書內容主要包括:流體流動的數學模型,湍流與湍流模型,發展方程的有限差分法,有限體積法(擴散問題的有限體積法,對流擴散問題的有限體積法,定常流動的壓強速度耦合算法,非定常流動的有限體積法),網格生成技術以及數值模擬二維不可壓縮粘性流體繞圓柱的流動。

6. 吳江航,韓慶書,計算流體力學的理論,方法及應用,科學出版社,1988年。(****一般重點推薦) 

該書比較老,不過里面的有些內容還是比較好的,能做很好的輔助性閱讀,比如,離散近似的偽物理效應及其修正等等,數值方法主要講述有限差分法,有限元法,有限分析法。該書主要內容包括:流體力學基本方程組,流體力學的模型方程及其數學物理性質,有限差分近似及其數學性質,數值解算的數學理論基礎,離散近似的偽物理效應(“逆風”效應與“迎風”修正,數值耗散與數值頻散,能量增長與反常能量譜轉移效應,偽湍流現象),流體力學模型方程的幾種差分格式(過程的穩定性和定解條件的恰當性(小擾動方程的由來),對流方程的幾種差分格式,擴散方程和對流擴散方程的差分格式,KdV方程的差分格式,雙曲型方程組特征型和守恒型的差分格式),非線性方程的差分格式(無粘性方程的差分格式,粘性方程的差分格式,隱式格式,線性化方法,精解差分格式),求解多維初值問題的分步方法和交替方向的隱式格式,計算氣體與淺水波運動物理解的差分格式(單調差分格式,一維、二維Godunov格式,活動網格的Godunov格式),不可壓粘性流的差分解(網格步長與差分格式的選取,定常Navier-Stokes方程的差分格式,邊界格式,壓力的泊松方程格式,人工壓縮性方法的交替方向隱式(ADI)格式,不定常的Navier-Stokes方程的差分格式,MAC方法,罰函數方法),流體力學中的有限元方法,二維不可壓粘性流與淺水流動的有限元解,對流擴散問題與不可壓粘性流的有限分析方法,對流擴散問題與不可壓粘性流的分布雜交方法,流體力學中的Green函數方法。

7. 傅德薰,馬延文,計算流體力學,高等教育出版社,2002年。(***一般推薦)

該書給我最大的印象就是嚴重偏向于可壓縮流體的計算,雖說目錄章節框架看起來比較系統,但內容讀起來有點亂有點兒晦澀難懂,不易閱讀。內容主要包括:流體力學方程及模型方程,偏微分方程的數值解法(有限差分法,偏微分方程的全離散(非定常流動時間方向的離散方法(時間導數簡單離散法,Taylor級數展開法,Runge-Kutta方法,多步法)),有限體積法,有限元方法,譜方法),高精度有限差分法及數值解的行為分析(模型方程及半離散化方程,高精度差分逼近式,數值解的精度及分辨率分析,數值解的耗散效應與色散效應,數值解的群速度,時間離散的色散與耗散效應),代數方程的求解(Gauss消去法,追趕法,交替方向追趕法,非線性方程的求解,時間關系法及局部時間步長法,多重網格技術),可壓縮流體力學方程組的離散(一維流體力學方程及Jacobian系數矩陣的分裂,一維Euler方程的離散,Godunov間斷分解法,Roe格式與Roe分解,多維問題的差分逼近,粘性項的差分逼近),激波高分辨率差分格式(數值解中的非物理振蕩,一階、二階TVD格式,MUSCL格式),不可壓Navier-Stokes方程的差分逼近,網格技術。

8. 吳子牛,計算流體力學基本原理,科學出版社,2001年。(**一般推薦) 

拜讀作者的前言及后語,終于明白作者的原意是盡量避開較為煩瑣的各種計算格式介紹,重點介紹基本原理;可仔細閱讀書的內容之后,卻給人一種頭重腳輕虎頭蛇尾的感覺。流體力學中的各種形式的方程倒是介紹了一大堆,這對于寫論文需要這個的同學倒是一個不錯的參考;等講到構造計算格式的基本原理的時候,書也快結束了,你的感覺才剛剛開始,卻發現書已經結束了,但里面的基本原理也許真的像作者的原意那樣具有重要的啟發性意義吧。 

二.英文參考書

1.John D.Anderson,Computational fluid dynamics  The basics with applications,1995,McGraw-Hill Press。(*****重點推薦)

該書在國內有清華大學的影印版。很多大學在講授CFD課程時都喜歡推薦這本書給學生做開始讀物,該書在基礎方面的確很不錯,前面講述了相關的流體力學基礎知識,應該比國內很多中文書都講的好,概念清楚易懂,后面介紹了計算流體力學的一些基礎及基本應用。該書中有關知識點作者都用框架圖畫出,使讀者對該領域有個總體框架的印象。但對于已經有一定基礎的人,參考價值不是很大。

2.John C. Tannehill, Dale A. Anderson, Richard H. Pletcher, Computational Fluid Mechanics and Heat Transfer, Taylor & Franics Publisher, 1997。(*****重點推薦)

該書比較系統,從偏微分方程入手,講到基本的離散方法,再講到模型方程的數值方法;然后列出流體力學和傳熱學中控制方程,緊接著重點根據物理近似講述各種近似方程的數值解法:無粘流的數值方法,邊界層方程的數值方法,拋物化NS方程的數值方法以及NS方程的數值方法,最后介紹了網格生成方面的知識。層次清晰,根據流體方程講述不同的數值方法。

3.Joel H. Ferziger, Milovan Peric, Computational Methods for Fluid Dyanmics, Springer-Verlag, 2002。(*****重點推薦)

該書層次相當地清晰,涵蓋了CFD流程中的大部分內容,從數值方法(主要為有限差分法和有限體積法)入手,講述不同的物理方程的數值解法,較為經典。該書附有網址,提供了一些可以下載的代碼使用。

4.J.Blazek, Computational Fluid Dynamics: Pinciples and Applications, Elsevier, 2001年。(*****重點推薦)

該書首先講述流體力學控制方程,然后講述求解控制方程的原理,接著講述空間離散(結構網格和非結構網格的有限體積方法),時間離散,湍流模型,邊界條件,加速技術,計算格式相容性精度以及穩定性要求與分析方法,最后講述了網格生成原理。隨書光盤提供了一些網格生成,以及一維二維Euler方程求解器的代碼。

5.T. J. Chung, Computational Fluid Dyanmics, Cambridge University Press, 2002年。(*****重點推薦)

該書也是重點講述不同的數值方法在不同物理方程數值計算中的應用,重點介紹有限差分法,有限體積法,有限元法。內容很全,除了傳統的計算流體力學,還包括多相流計算,化學反應流與燃燒計算,計算聲學,混合模型的輻射傳熱學計算,磁流體力學計算,相對大氣流動計算等。有點像工具書。

6.C.A.J.Fletcher, Computational Techniques for Fluid Dynamics 1 Fundamental and General Techniques & 2 Specific Techniques for Different Flow Categories, Springer-Verlag,1987年。(*****重點推薦)

該書分為上下兩個分冊,第一冊重點講述偏微分方程數值方法基礎,講述典型的模型方程的數值計算方法,穩態問題的數值方法,發展問題的數值方法;第二冊重點講述那些數值方法在不同流動下的應用,無粘流動,邊界層流動,物理近似的NS方程計算,不可壓粘性流動,可壓縮粘性流動等等。該書知識框架明確,不像很多中文書說不清楚CFD到底包括那些過程,書中包括大量的代碼是該書的另一大特色。

7.H.K.Versteeg, An Introduction to Computational Fluid Dynamics: The Finite Volume Method, Longman Scientific & Technical,1995年。(****一般重點推薦)

該書比較簡短,主要介紹有限體積法在計算流體力學中的應用,從模型方程開始,到流動方程的數值計算,一步步地深入,限于它的篇幅,內容不太全面。

8.O.C.Zienkiewicz,The Finite Element Method Volume 3: Fluid Dynamics, Butterworth Heinemann,2000。(****一般重點推薦)

該書是有限元法牛人O.C.Zienkiewicz的經典之作The Finite Element Method三卷本中的第三本,數值方法顯然會主要講解有限元法在計算流體力學中的應用。沒有仔細讀過,不太好評論,估計大牛的書應該錯不了。

9.Dimitris Drikakis,William Rider,High-Resolution Methods for Incompressible and Low-Speed Flows,Springer,2005。(****一般重點推薦)

該書主要講述不可壓低速流動的高分辨率計算方法,書中的內容比較新,對于做這方面研究的人是很好的參考。

10. K A.Hoffmann,Computational Fluid Dynamics Volume 1,2,3,A Publication of Engineering Education System,1989,1993,1998,2000年。(****一般重點推薦)

這套書是工具書,陣容龐大,有點兒偏向于偏微分方程的數值解法,當然包括了CFD中的絕大部分內容,第三分冊主要講述湍流。

11.Joe F Thompson,Handbook of Grid Generation,CRC Press,1998年。(*****重點推薦)

網格生成手冊,顯然有工具書的味道,書的內容相當龐大,有這一本在手,網格生成方面的大部分問題應該能在上面找到。

12.M. Farraskhalvat,Basic Structured Grid Generation with an introduction to unstructured grid generation,Butterworth Heinemann,2003。(*****重點推薦)

該書寫的相當精致工整,看起來很舒服,里面附有一些代碼。對于不太復雜的網格生成該書是比較好的參考書。

13.Alfio Quarteroni,Numerical Mathematics,Springer,2000年。(*****重點推薦)

該書主要講述數值計算方法,對于CFD中的代數方程組求解方法有一定的全面的介紹。

14.Richard Barrett etc.Templates for the Solution of Linear Systems Building Blocks for Iterative Methods,CFD Online。(*****重點推薦)

該文章簡短地講述幾乎所有可能用到的線性方程組的數值解法

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