搜索扒一扒計(jì)算流體力學(xué)（CFD）相關(guān)的那些書【轉(zhuǎn)發(fā)】
2017-05-05 by:CAE仿真在線 來源:互聯(lián)網(wǎng)
“每一種具體的理論或數(shù)值方法都是暫時的,而對流動本質(zhì)的理解卻是永恒的。”——題(bi)記(ge)
一言不合就先放張圖,鎮(zhèn)個樓吧。
今天筆者終于下定決心早起,目的就是為了來吹一吹CFD,畢竟筆者是治學(xué)風(fēng)工程的,一天不吹總覺得好像少了點(diǎn)什么。有人曾問過筆者:煤球兒,你小子不吹X能死嗎?我的回答是:不吹X不能死,但吹X我會舒服點(diǎn)。
臧克家說過:有的人活著,他已經(jīng)死了;有些人死了,他還不叫別人好好活著,比如,普朗特,納維,斯托克斯,伯努利,馮-卡門,馮-諾依曼,歐拉,拉格朗日之流,這幫人死后依然在用他們的聰明才智,瘋狂的吊打著我們。今天煤球兒我就來隨便吹一下,可以管窺流體世界的那些書吧!同樣以下僅為一孔偏見,無意冒犯,歡迎指正。
一、流體力學(xué)
計(jì)算流體力學(xué)就是對流體力學(xué)的數(shù)值求解,所以在學(xué)習(xí)CFD之前,讀者們可以先熟悉一下流體力學(xué)的基本知識,至少要知道N-S方程,伯努利方程,渦旋,渦量等的基本概念吧。從1738年伯努利提出水動力學(xué)以來,流體力學(xué)經(jīng)歷了漫長的發(fā)展過程,流體力學(xué)相關(guān)的好書實(shí)在太多,筆者拋磚引玉,這里就先扔兩個吧:
1)Frank M. White的《Fluid Mechanics》
2)Bruce R. Munson的《Fundamentals of Fluid Mechanics》
推薦這兩本書的原因,主要是因?yàn)檫@兩本書是彩頁的,畢竟這是一個看臉的世界,插圖漂亮些,文章才容易被寵幸!當(dāng)然在邏輯和內(nèi)容上,這兩本書也算是上上之作。
此外,史里希廷(Schilichting)的《Boundary Layer Theory》,上圖右一,在邊界層理論這一領(lǐng)域也算得上是經(jīng)典的傳世之作,把邊界層的相關(guān)理論闡述的很是透徹,主要可用于收藏和重溫經(jīng)典,新的理論倒是不多。
史里希廷的老師就是哥廷根大學(xué)流體力學(xué)研究所所長,大名鼎鼎的普朗特(現(xiàn)代流體力學(xué)之父)。史里希廷還有一個師兄,叫馮*卡門,沒錯,就是提出卡門渦街(下圖)的那個。馮*卡門有個學(xué)生,叫錢學(xué)森,后來輾轉(zhuǎn)回到祖國做了導(dǎo)彈。普朗特還有一個中國女學(xué)生(也是唯一的一個女學(xué)生),叫做陸士嘉,陸老回國后參與籌建了北京航空航天大學(xué),并在北航主持建設(shè)了新中國的第一個風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室。如果你覺得陸士嘉這個名字比較陌生的話,那么陸老有個外孫你一定知道,就是寫了《同桌的你》、《睡在我上鋪的兄弟》等歌曲的高曉松?！罢l把你的長發(fā)挽起,誰給你做的嫁衣”,寫到這里小煤球兒我也想起了自己年少輕狂的青蔥歲月,那都是一把辛酸淚啊。
二、湍流
流體力學(xué)的復(fù)雜之處主要集中就在湍流,如果固體力學(xué)里面的非線性、開裂、損傷你就覺得頭疼的話,那么湍流則是。。。。。。。。。。會讓你分分鐘想死。
(線性與非線性) (湍流)
也許正是由于湍流的混沌性,其也吸引著無數(shù)牛逼的學(xué)者為之癡迷,可能牛逼的人都喜歡挑戰(zhàn)一下人類的極限,借以證明自己的牛逼吧。當(dāng)然了,挑戰(zhàn)的結(jié)果無外乎都是折戟沉沙,飲恨烏江。
G.I.Taylor,就是提出“渦旋凍結(jié)假說”的那個人,在上世紀(jì)三十年代的時候,對湍流開展了大量研究,后來及時醒悟,發(fā)覺做湍流就是死(人會被搞死的死)路一條,改行做了爆炸等別的東西。Taylor有個學(xué)生,就是赫赫有名的G.K Batchelor(本文的題記,就是引用了他說的話),前赴后繼,沿著老師的路繼續(xù)干湍流,Batchelor曾經(jīng)一度以為可以在他手上終結(jié)湍流問題(以他的牛逼,他也應(yīng)該有這個自信)。所以在那段時間里,Batchelor在湍流研究上特別努力,結(jié)果當(dāng)然是大失所望。Batchelor后來被湍流折磨得心力交瘁,后期就逐漸把精力從科研轉(zhuǎn)移到了寫書,所以Batchelor的那本《An Introduction to Fluid Dynamics》(下圖)理所當(dāng)然的成為了流體力學(xué)方面的傳世佳作,一時洛陽紙貴。這個故事也告訴我們,如果想多活兩年,就千萬不要碰湍流。
另一個被湍流折磨死掉的大牛就是量子力學(xué)里面的Heisenberg,海森堡年輕的時候,靠著他的天賦異稟,胡亂猜了一個湍流解獲得了博士學(xué)位,后半生被湍流研究折磨致死,臨終時候都對湍流念念不忘(可見下圖)。
(引用自:[漫畫]《流體力學(xué)非典型手冊》作者:ziper,轉(zhuǎn)載自科學(xué)松鼠會。)
二戰(zhàn)開始后,海森堡幫助納粹德國研制原子彈,引發(fā)了他的前同事波爾(提出原子穩(wěn)定性的那個)的不滿,二者嫌隙終身。頗具諷刺的是,海森堡這位一直未能被玻爾諒解的物理學(xué)家卻在1970年獲得了“玻爾國際獎?wù)?/span>”,而這一獎?wù)率怯靡员碚?/span>“在原子能和平利用方面做出了巨大貢獻(xiàn)的科學(xué)家或工程師”的。歷史就像海森堡提出的“不確定性原理”一樣,總讓人感到無盡的困惑與不解。
筆者也曾嘗試著想要解決湍流中的一個小小小小的問題,結(jié)局也是理所當(dāng)然的呵呵了。畢竟有那么多先賢倒在了湍流這條大河里,煤球兒我敗了,也不算丟人。上星期有位老師曾問過小煤球兒:你對計(jì)算流體力學(xué)有什么貢獻(xiàn)?。小煤球兒我想了想回答道:也許是我畢業(yè)后將轉(zhuǎn)行,不再從事計(jì)算流體力學(xué)的相關(guān)工作了吧。
如果各位看官有心情,想了解一下湍流的話,小煤球兒我斗膽介紹湍流相關(guān)的兩本書吧:
1)Pope的《TurbulentFlows》。Pope教授是當(dāng)今湍流問題研究的領(lǐng)軍人物,據(jù)稱其花了三年時間,才完成此大作,此書無論從在內(nèi)容或是邏輯上都遠(yuǎn)勝同類產(chǎn)品。
2)Durbin的《StatisticalTheory and Modeling for Turbulent Flows》,Durbin的書曾飽受我一位師兄的好評,但可能是個人口味的差異吧,我覺得丫寫的太學(xué)術(shù)了,公式有點(diǎn)多。
三、有限體積法
好了,上面扯了那么多,終于鋪墊到了計(jì)算流體力學(xué)這部重頭戲了。目前主流的CFD求解器都是基于有限體積法(FVM)和有限差分法(FDM)開發(fā)的,很少有基于有限單元法(FEM)的。這可能是因?yàn)橛邢摅w積法的質(zhì)量守恒原理和差分原理,同流動的物理意義更相配吧。所以目前大多數(shù)關(guān)于CFD的書,都是介紹基于FVM法如何對流體的控制方程(N-S方程)進(jìn)行離散,如何對離散的方程進(jìn)行求解,如何處理湍流模型的。固體力學(xué)里用的FEM在計(jì)算流體力學(xué)中應(yīng)用很少,所以如果想學(xué)習(xí)CFD那么需要重新學(xué)習(xí)的東西還很多。
提到了CFD相關(guān)的書籍,不得不提的一個人就是JohnD.Anderson,姑且不論Anderson的學(xué)術(shù)造詣怎么樣,但是他的書寫的都算得上是上乘之作。Anderson先寫了《空氣動力學(xué)基礎(chǔ)》,一部一千多頁,三斤多重的磚頭(很多高校都用此書做教材)。隨后寫了一本關(guān)于CFD的書,《計(jì)算流體力學(xué)入門》。有一次開一個無聊的評審會,筆者在會上將此本書擼完,當(dāng)時就有一種相見恨晚的感覺,后來才發(fā)現(xiàn)該書的作者同上述磚頭的作者是同一個人,便頓生敬仰之情。該書內(nèi)容以有限差分法為主,離散格式是時空耦合離散,如今CFD的求解器都是時空分別離散的,可能對理解現(xiàn)代CFD軟件的運(yùn)行機(jī)制幫助不大,但書中對于基本概念的講解,還是很透徹的。
此外,如果想快速入門CFD的話,那么下列三本書這是不可多得的好書,他們的特點(diǎn)都是邏輯非常清晰,通俗易懂,小煤球兒我也是靠著下面三本書,才入了CFD這個坑的,一入CFD深似海,從此發(fā)際線是路人。
1)陶文銓院士的《數(shù)值傳熱學(xué)》
2)費(fèi)斯泰赫(H. Versteeg)的《AnIntroduction to Computational Fluid Dynamics: The Finite Volume Method》
3)Joel H.Ferziger的《ComputationalMethods for Fluid Dynamics》
如果看了上面的三本書還覺得不過癮的話,那么下面這兩本神器一定會讓你欲仙欲死。
F. Moukalled的《The FiniteVolume Method in Computational Fluid Dynamics: An Advanced Introduction withOpenFOAM and Matlab》。此書主要講有限體積法,其中采用OpenFoam進(jìn)行算法演示。此書也是學(xué)習(xí)OpenFoam的必備書籍,此外學(xué)習(xí)OpenFoam的資料當(dāng)然還包括Jasak(OpenFoam開發(fā)者)的博士論文,和CFDonline論壇(如果有機(jī)會我們也可以聊一下,筆者學(xué)習(xí)OpenFoam的失敗經(jīng)歷)。
Jiri Blazek的《ComputationalFluid Dynamics: Principles and Applications》,此書被譽(yù)為CFD領(lǐng)域的神器,如果非要讓凡人煤球兒評論一下這本書的話,那么我想此書的最大作用就是書后面的參考文獻(xiàn)吧,真的是涵蓋了一切可以涵蓋的,筆者的博士論文也參考了此書中的很多內(nèi)容。
四、流體力學(xué)應(yīng)用書籍
如果讀者只想應(yīng)用CFD軟件(CFX, FLUENT, STAR-CCM+, Phonecis等)來解決工程問題的話,湍流模型的改進(jìn)&高效穩(wěn)定數(shù)值算法的提出就讓牛逼的人去做吧。那么筆者認(rèn)為值得一看的書有兩本:
王福軍的《計(jì)算流體動力學(xué)分析:CFD軟件原理與應(yīng)用》
胡坤的《ANSYS ICEM CFD工程實(shí)例詳解》
王福軍老師的書,側(cè)重于軟件的內(nèi)在原理,條分縷析,內(nèi)容涵蓋廣且都是重點(diǎn),薄薄一冊把該闡述的都闡述了。
胡坤的書側(cè)重于軟件的應(yīng)用,把每個參數(shù)的定義講解的比較透徹。如果胡坤這個名字比較陌生的話,那么流沙大哥這個名字是不是就如雷貫耳了呢,流沙大哥在攻讀博士期間做了很多CFD的教程,尤其是使用ICEM劃分網(wǎng)格的教程,并基于互聯(lián)網(wǎng)的分享精神,將之發(fā)布于網(wǎng)上,筆者也深受其益。
流沙大哥博士畢業(yè)后在西南某高校執(zhí)教,然后推出了《詳解》這本書,講真,這本書出來的時候,筆者已經(jīng)不是那個CFD小白了,那時這本書對筆者來說是可有可無之物,但是為了表達(dá)對流沙大哥的崇敬之情,筆者還是買了兩本此書。一本自己留著收藏,一本則作為分手禮物送給了前女友,并在書的內(nèi)頁上寫了
“請?jiān)徫业谋靠谧旧?畫得出絢麗的網(wǎng)格,卻說不出你想要的燦爛生活。
請?jiān)徫业幕杪樅?分析得了千萬級的自由度,卻求解不出你想要的穩(wěn)穩(wěn)的幸福”。(別問小煤球兒為什么是前女友,你要送一個文科妹子這種書,她要不和你提分手,那絕B是真愛。)
五、終極殺器
最后,小煤球兒我還是想毫無保留的給大家推薦幾本學(xué)好流體力學(xué)的終極秘籍吧,這幾本書高屋建瓴,可以讓你在被湍流折磨的時候,有一絲活下去的希望。如下:
《頸椎病康復(fù)指南》
《論持久戰(zhàn)》
《苦難輝煌》
《老子》
《活著就有希望》
“李白斗酒詩百篇,煤球千字一包煙”,小煤球兒我一口氣真的只能寫這么三、四千字,多了就喘不上氣,好像身體被掏空。至于其它的故事,各位讀者稍安勿躁,且聽小煤球兒我下回分解吧。
1980年,深圳新區(qū)成立的時候,無數(shù)人徹夜未眠,想著如何大干一場,一展平生抱負(fù)。2017年,雄安新區(qū)成立的時候,也有無數(shù)人徹夜未眠,想著的竟是如何去新區(qū)炒房,筆者一直很困惑于這社會主義初級階段的怪現(xiàn)狀。但筆者堅(jiān)信,無論外界環(huán)境如何風(fēng)云突變,小同人工作室都將堅(jiān)定不移走科技為本,實(shí)業(yè)興國這一戰(zhàn)略路線,不忘初心,砥礪前行。
ps:“扒一扒”系列已經(jīng)出到第三篇,在業(yè)內(nèi)反響熱烈~如果感興趣進(jìn)一步交流可先關(guān)注小同人工作室。歡迎大家積極給公眾號留言分享觀后心得。同時也感謝大家對小同人的支持和鼓勵,祝大家有美好的一天。
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