扒一扒计算流体力学(CFD)相关的那些书

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所属分类:学霸天地

作者:旭

“每一种具体的理论或数值方法都是暂时的,而对流动本质的理解却是永恒的。”

——题(bi)记(ge)

一言不合就先放张图,镇个楼吧。

扒一扒计算流体力学(CFD)相关的那些书

今天笔者终于下定决心早起,目的就是为了来吹一吹CFD,毕竟笔者是治学风工程的,一天不吹总觉得好像少了点什么。有人曾问过笔者:煤球儿,你小子不吹X能死吗?我的回答是:不吹X不能死,但吹X我会舒服点。

臧克家说过:有的人活着,他已经死了;有些人死了,他还不叫别人好好活着,比如,普朗特,纳维,斯托克斯,伯努利,冯·卡门,冯·诺依曼,欧拉,拉格朗日之流,这帮人死后依然在用他们的聪明才智,疯狂的吊打着我们。

今天煤球儿就来随便吹一下,可以管窥流体世界的那些书吧!同样以下仅为一孔偏见,无意冒犯,欢迎指正。

流体力学

计算流体力学就是对流体力学的数值求解,所以在学习CFD之前,读者们可以先熟悉一下流体力学的基本知识,至少要知道N-S方程,伯努利方程,涡旋,涡量等的基本概念吧。从1738年伯努利提出水动力学以来,流体力学经历了漫长的发展过程,流体力学相关的好书实在太多,笔者抛砖引玉,这里就先扔两个吧:

  • Frank M. White的《Fluid Mechanics》

  • Bruce R. Munson的《Fundamentals of Fluid Mechanics》

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推荐这两本书的原因,主要是因为这两本书是彩页的,毕竟这是一个看脸的世界,插图漂亮些,文章才容易被宠幸!当然在逻辑和内容上,这两本书也算是上上之作。

此外,史里希廷 (Schilichting) 的《Boundary Layer Theory》,上图右一,在边界层理论这一领域也算得上是经典的传世之作,把边界层的相关理论阐述的很是透彻,主要可用于收藏和重温经典,新的理论倒是不多。

史里希廷的老师就是哥廷根大学流体力学研究所所长,大名鼎鼎的普朗特(现代流体力学之父)。史里希廷还有一个师兄,叫冯·卡门,没错,就是提出卡门涡街(下图)的那个。冯·卡门有个学生,叫钱学森,后来辗转回到祖国做了导弹。普朗特还有一个中国女学生(也是唯一的一个女学生),叫做陆士嘉,陆老回国后参与筹建了北京航空航天大学,并在北航主持建设了新中国的第一个风洞实验室。如果你觉得陆士嘉这个名字比较陌生的话,那么陆老有个外孙你一定知道,就是写了《同桌的你》《睡在我上铺的兄弟》等歌曲的高晓松。“谁把你的长发挽起,谁给你做的嫁衣”,写到这里小煤球儿我也想起了自己年少轻狂的青葱岁月,那都是一把辛酸泪啊。

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湍流

流体力学的复杂之处主要集中就在湍流,如果固体力学里面的非线性、开裂、损伤你就觉得头疼的话,那么湍流则是会让你分分钟想死。

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图左:线性与非线性;图右:湍流

也许正是由于湍流的混沌性,也吸引着无数牛逼的学者为之痴迷,可能牛逼的人都喜欢挑战一下人类的极限,借以证明自己的牛逼吧。当然了,挑战的结果无外乎都是折戟沉沙,饮恨乌江。

G.I.Taylor,就是提出“涡旋冻结假说”的那个人,在上世纪三十年代的时候,对湍流开展了大量研究,后来及时醒悟,发觉做湍流就是死(人会被搞死的死)路一条,改行做了爆炸等别的东西。Taylor有个学生,就是赫赫有名的G.K Batchelor(本文的题记,就是引用了他说的话),前赴后继,沿着老师的路继续干湍流,Batchelor曾经一度以为可以在他手上终结湍流问题(以他的牛逼,他也应该有这个自信)。所以在那段时间里,Batchelor在湍流研究上特别努力,结果当然是大失所望。Batchelor后来被湍流折磨得心力交瘁,后期就逐渐把精力从科研转移到了写书,所以Batchelor的那本《An Introduction to Fluid Dynamics》(下图)理所当然的成为了流体力学方面的传世佳作,一时洛阳纸贵。这个故事也告诉我们,如果想多活两年,就千万不要碰湍流。

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另一个被湍流折磨死掉的大牛就是量子力学里面的Heisenberg,海森堡年轻的时候,靠着他的天赋异禀,胡乱猜了一个湍流解获得了博士学位,后半生被湍流研究折磨致死,临终时候都对湍流念念不忘(可见下图)。

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引用自:[漫画]《流体力学非典型手册》作者:ziper,转载自科学松鼠会

二战开始后,海森堡帮助纳粹德国研制原子弹,引发了他的前同事波尔(提出原子稳定性的那个)的不满,二者嫌隙终身。颇具讽刺的是,海森堡这位一直未能被玻尔谅解的物理学家,却在1970年获得了“玻尔国际奖章”,而这一奖章是用以表彰“在原子能和平利用方面做出了巨大贡献的科学家或工程师”的。历史就像海森堡提出的“不确定性原理”一样,总让人感到无尽的困惑与不解。

笔者也曾尝试着想要解决湍流中的一个小小小小的问题,结局也是理所当然的呵呵了。毕竟有那么多先贤倒在了湍流这条大河里,煤球儿我败了,也不算丢人。上星期有位老师曾问过小煤球儿:你对计算流体力学有什么贡献?小煤球儿我想了想回答道:也许是我毕业后将转行,不再从事计算流体力学的相关工作了吧。

如果各位看官有心情,想了解一下湍流的话,小煤球儿我斗胆介绍湍流相关的两本书吧:

  • Pope的《TurbulentFlows》。Pope教授是当今湍流问题研究的领军人物,据称其花了三年时间,才完成此大作,此书无论从在内容或是逻辑上,都远胜同类产品。

  • Durbin的《StatisticalTheory and Modeling for Turbulent Flows》,Durbin的书曾饱受我一位师兄的好评,但可能是个人口味的差异吧,我觉得丫写的太学术了,公式有点多。

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有限体积法

好了,上面扯了那么多,终于铺垫到了计算流体力学这部重头戏了。目前主流的CFD求解器都是基于有限体积法 (FVM) 和有限差分法 (FDM) 开发的,很少有基于有限单元法 (FEM) 的。这可能是因为有限体积法的质量守恒原理和差分原理,同流动的物理意义更相配吧。所以目前大多数关于CFD的书,都是介绍基于FVM法如何对流体的控制方程(N-S方程)进行离散,如何对离散的方程进行求解,如何处理湍流模型的。固体力学里用的FEM在计算流体力学中应用很少,所以如果想学习CFD那么需要重新学习的东西还很多。

提到了CFD相关的书籍,不得不提的一个人就是JohnD.Anderson,姑且不论Anderson的学术造诣怎么样,但是他的书写的都算得上是上乘之作。Anderson先写了《空气动力学基础》,一部一千多页,三斤多重的砖头(很多高校都用此书做教材)。随后写了一本关于CFD的书《计算流体力学入门》。有一次开一个无聊的评审会,笔者在会上将此书撸完,当时就有一种相见恨晚的感觉,后来才发现该书的作者同上述砖头的作者是同一个人,便顿生敬仰之情。该书内容以有限差分法为主,离散格式是时空耦合离散,如今CFD的求解器都是时空分别离散的,可能对理解现代CFD软件的运行机制帮助不大,但书中对于基本概念的讲解,还是很透彻的。

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此外,如果想快速入门CFD的话,那么下列三本书这是不可多得的好书,他们的特点都是逻辑非常清晰,通俗易懂,小煤球儿我也是靠着下面三本书,才入了CFD这个坑的,一入CFD深似海,从此发际线是路人。

  • 陶文铨院士的《数值传热学》

  • 费斯泰赫 (H. Versteeg) 的《AnIntroduction to Computational Fluid Dynamics: The Finite Volume Method》

  • Joel H.Ferziger的《ComputationalMethods for Fluid Dynamics》

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如果看了上面的三本书还觉得不过瘾的话,那么下面这两本神器一定会让你欲仙欲死。

  • F. Moukalled的《The FiniteVolume Method in Computational Fluid Dynamics: An Advanced Introduction withOpenFOAM and Matlab》。此书主要讲有限体积法,其中采用OpenFoam进行算法演示。此书也是学习OpenFoam的必备书籍,此外学习OpenFoam的资料当然还包括Jasak(OpenFoam开发者)的博士论文,和CFDonline论坛(如果有机会我们也可以聊一下,笔者学习OpenFoam的失败经历)。

  • Jiri Blazek的《ComputationalFluid Dynamics:Principles and Applications》,此书被誉为CFD领域的神器,如果非要让凡人煤球儿评论一下这本书的话,那么我想此书的最大作用就是书后面的参考文献吧,真的是涵盖了一切可以涵盖的,笔者的博士论文也参考了此书中的很多内容。

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流体力学应用书籍

如果读者只想应用CFD软件(CFX,FLUENT,STAR-CCM+, Phonecis等)来解决工程问题的话,湍流模型的改进&高效稳定数值算法的提出就让牛逼的人去做吧。那么笔者认为值得一看的书有两本:

  • 王福军的《计算流体动力学分析:CFD软件原理与应用》

  • 胡坤的《ANSYS ICEM CFD工程实例详解》

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王福军老师的书,侧重于软件的内在原理,条分缕析,内容涵盖广且都是重点,薄薄一册把该阐述的都阐述了;胡坤的书侧重于软件的应用,把每个参数的定义讲解的比较透彻。如果胡坤这个名字比较陌生的话,那么流沙大哥这个名字是不是就如雷贯耳了呢,流沙大哥在攻读博士期间做了很多CFD的教程,尤其是使用ICEM划分网格的教程,并基于互联网的分享精神,将之发布于网上,笔者也深受其益。

流沙大哥博士毕业后在西南某高校执教,然后推出了《详解》这本书,讲真,这本书出来的时候,笔者已经不是那个CFD小白了,那时这本书对笔者来说是可有可无之物,但是为了表达对流沙大哥的崇敬之情,笔者还是买了两本此书。一本自己留着收藏,一本则作为分手礼物送给了前女友,并在书的内页上写了:“请原谅我的笨口拙舌,画得出绚丽的网格,却说不出你想要的灿烂生活。请原谅我的昏聩糊涂,分析得了千万级的自由度,却求解不出你想要的稳稳的幸福”。(别问小煤球儿为什么是前女友,你要送一个文科妹子这种书,她要不和你提分手,那绝B是真爱。)

终极杀器

最后,小煤球儿我还是想毫无保留的给大家推荐几本学好流体力学的终极秘籍吧,这几本书高屋建瓴,可以让你在被湍流折磨的时候,有一丝活下去的希望。如下:

  • 《颈椎病康复指南》

  • 《论持久战》

  • 《苦难辉煌》

  • 《老子》

  • 《活着就有希望》

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“李白斗酒诗百篇,煤球千字一包烟”,小煤球儿我一口气真的只能写这么三、四千字,多了就喘不上气,好像身体被掏空。

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始发于微信公众号:声振之家

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