《計算空氣動力學並行編程基礎》從基本假設出發，較為詳細地推導出計算空氣動力學在曲線坐標系下適用於編程的方程形式與求解過程。分別討論了對流項與粘性項的離散求解方法、二階與高精度格式計算模板、有限體積與有限差分多重格線方法以及採用無矩陣技術的Krylov子空間方法。對比分析了有限體積與有限差分方法的異同，歸納了湍流模型與高溫氣體模型方程，講解了計算空氣動力學常用的數據檔案格式、氣動特性計算方法以及並行編程框架等相關內容。
基本介紹
- 書名：計算空氣動力學並行編程基礎
- 作者：劉巍 張理論
- 出版日期：2013年8月1日
- 語種：簡體中文
- 品牌：國防工業出版社
- 外文名：Foundations of Computational Aerodynamics Parallel Programming
- 出版社：國防工業出版社
- 頁數：326頁
- 開本：16
內容簡介,圖書目錄,
內容簡介
《計算空氣動力學並行編程基礎》由國防工業出版社出版。
圖書目錄
第1章基本方程形式
1.1引言
1.1.1計算空氣動力學的作用
1.1.2計算空氣動力學的特點
1.1.3計算空氣動力學的步驟
1.2熱力學基礎
1.2.1氣體狀態方程
1.2.2比熱、內能和焓
1.2.3黏性係數
1.2.4傳熱係數
1.3直角坐標系下微分形式N—S方程
1.3.1筆續介質假設
1.3.2方程通用形式
1.3.3質量方程
1.3.4動量方程
1.3.5能量方程
1.3.6N—S方程組
1.4無量綱化
1.4.1特徵量的選取方法
1.4.2方程組無量綱化因子
1.4.3方程組無量綱化
1.4.4特徵速度不同引起的表達式差異
1.5下線坐標系下微分形式N—S方程
1.5.1度量係數
1.5.2坐標變換
1.5.3有限差分法
1.6積分形式N—S方程
1.6.1直角坐標系下積分形式N—S方程
1.6.2曲線坐標系下積分形式N—S方程
1.6.3有限體積法
1.6.4有限體積法度量係數
1.6.5有限體積法單元體積
1.7有限差分法與有限體積法
1.7.1有限差分法與有限體積法的異同
1.7.2有限差分一有限體積混合方法
第2章時間離散格式
2.1顯式Runge—Kutta法
2.2隱式方法殘差項線性化
2.2.1對流通量Jacobian矩陣與分裂
2.2.2黏性通量Jacobian矩陣與譜半徑
2.2.3有限體積法七對角矩陣
2.2.4有限差分法十三對角矩陣
2.3隱式線性化定常流動求解方法
2.3.1當地時間步長
2.3.2定常流方程組形式
2.3.3點鬆弛SGS解法
2.3.4線鬆弛SGS解法
2.3.5LU—SGS解法
2.3.6LU—ADI解法
2.3.7Jacobi疊代法
2.4隱式線性化非定常流動求解方法
2.4.1單時間步法
2.4.2雙時間步法
2.5初始條件
2.5.1給定原始變數
2.5.2給定飛行高度、馬赫數、攻角與側滑角
2.5.3給定雷諾數、馬赫數、溫度、攻角與側滑角
2.6收斂判據
2.6.1定常流動疊代收斂判據
2.6.2非定常流動亞疊代收斂判據
第3章空間離散格式
3.1曲線坐標系下的導數計算
3.2對流項半點重構
3.2.1二階MUSCL重構
3.2.2五階顯式WCNS重構
3.3對流通量導數
3.3.1矢通量分裂格式（FVS）
3.3.2通量差分裂格式（FDS）
3.3.3混合格式（AUSM）
3.4黏性通量導數
3.4.1完全N—S方程
3.4.2薄層近似方程
3.5再論通量Jacobian矩陣
第4章邊界條件處理
4.1虛格線概念
4.2特徵分析
4.2.1邊界信息傳播方向
4.2.2特徵線相容關係式
4.3遠場邊界條件
4.3.1遠場特徵變數邊界條件
4.3.2遠場Riemann邊界條件
4.4壁面邊界條件
4.4.1無黏壁面
4.4.2黏性壁面
4.5對稱邊界條件
4.6內邊界條件
第5章加速收斂技術
5.1多重格線方法
5.1.1基本循環FAS格式
5.1.2多重格線循環策略
5.1.3傳遞運算元
5.2預條件Newton—Krylov算法
5.2.1非線性函式
5.2.2非精確Newton法
5.2.3Krylov子空間方法
5.2.4預條件JFNK算法
第6章串流模型方程
6.1雷諾時均控制方程
6.1.1雷諾時均方法
6.1.2時均方程無量綱化
6.2零方程湍流模型
6.2.1Baldwin—Lomax湍流模型
6.2.2Degani修正的B—L湍流模型
6.3一方程湍流模型
6.3.1Baldwin—Barth湍流模型
6.3.2Spalart—Allmaras湍流模型
6.4兩方程湍流模型
6.4.1Wilcox k—ω模型
6.4.2Menter’s k—ω模型
6.4.3EASM Gatski—Speziale k—ω模型
6.4.4EASM Girimaji k—ε模型
6.4.5Abid k—ε模型
6.4.6EASM Gatski—Speziale k—ε模型
6.5初始條件與邊界條件
6.6套用湍流模型的注意事項
6.7兩方程湍流模型通用形式
第7章高溫氣體效應
7.1氣體模型
7.1.1質量比焓與內能
7.1.2質量比熵
7.1.3混合氣體自由焓
7.2高溫氣體化學平衡流
7.2.1Gibbs最小自由焓方法
7.2.2能量守恆方程計算溫度
7.3高溫氣體熱化學非平衡流
7.3.1高溫氣體非平衡方程組
7.3.2對流項Jacobian矩陣
7.3.3組分生成源項及其Jacobian矩陣
7.3.4振動源項及其Jacobian矩陣
第8章前後處理方法
8.1數據檔案格式
8.1.1格線與流場檔案格式PLOT3D
8.1.2邊界檔案格式Generic.inp
8.1.3Tecplot格式的可視化檔案
8.1.4CGNS格式轉換
8.2格線奇點與搜尋
8.2.1奇點重構的問題描述
8.2.2重構算法及時間複雜性分析
8.2.3數值實驗結果與討論
8.3格線二次剖分技術
8.3.1格線塊分組問題
8.3.2二次剖分方法
8.3.3剖分法的選擇策略
8.4氣動特性計算
8.4.1氣動力
8.4.2氣動力矩
8.4.3升/阻力與壓心
8.4.4氣動熱
第9章並行編程基礎
9.1並行計算與並行編程
9.1.1並行計算相關概念
9.1.2並行計算機系統結構與分類
9.1.3並行編程模型與實現技術
9.1.4並行編程的常用模式
9.2並行程式設計
9.2.1並行程式流程設計
9.2.2MPI進程並行
9.2.3OpenMP執行緒並行
9.3並行程式性能最佳化技術
9.3.1提升並行程式性能的技術
9.3.2數值實驗結果與討論
9.4並行軟體框架PETSc
9.4.1PETSc軟體體系結構
9.4.2PETSc軟體功能
9.4.3基於PETSc編程
9.4.4多DMDA創建實例
參考文獻
主要符號表
1.1引言
1.1.1計算空氣動力學的作用
1.1.2計算空氣動力學的特點
1.1.3計算空氣動力學的步驟
1.2熱力學基礎
1.2.1氣體狀態方程
1.2.2比熱、內能和焓
1.2.3黏性係數
1.2.4傳熱係數
1.3直角坐標系下微分形式N—S方程
1.3.1筆續介質假設
1.3.2方程通用形式
1.3.3質量方程
1.3.4動量方程
1.3.5能量方程
1.3.6N—S方程組
1.4無量綱化
1.4.1特徵量的選取方法
1.4.2方程組無量綱化因子
1.4.3方程組無量綱化
1.4.4特徵速度不同引起的表達式差異
1.5下線坐標系下微分形式N—S方程
1.5.1度量係數
1.5.2坐標變換
1.5.3有限差分法
1.6積分形式N—S方程
1.6.1直角坐標系下積分形式N—S方程
1.6.2曲線坐標系下積分形式N—S方程
1.6.3有限體積法
1.6.4有限體積法度量係數
1.6.5有限體積法單元體積
1.7有限差分法與有限體積法
1.7.1有限差分法與有限體積法的異同
1.7.2有限差分一有限體積混合方法
第2章時間離散格式
2.1顯式Runge—Kutta法
2.2隱式方法殘差項線性化
2.2.1對流通量Jacobian矩陣與分裂
2.2.2黏性通量Jacobian矩陣與譜半徑
2.2.3有限體積法七對角矩陣
2.2.4有限差分法十三對角矩陣
2.3隱式線性化定常流動求解方法
2.3.1當地時間步長
2.3.2定常流方程組形式
2.3.3點鬆弛SGS解法
2.3.4線鬆弛SGS解法
2.3.5LU—SGS解法
2.3.6LU—ADI解法
2.3.7Jacobi疊代法
2.4隱式線性化非定常流動求解方法
2.4.1單時間步法
2.4.2雙時間步法
2.5初始條件
2.5.1給定原始變數
2.5.2給定飛行高度、馬赫數、攻角與側滑角
2.5.3給定雷諾數、馬赫數、溫度、攻角與側滑角
2.6收斂判據
2.6.1定常流動疊代收斂判據
2.6.2非定常流動亞疊代收斂判據
第3章空間離散格式
3.1曲線坐標系下的導數計算
3.2對流項半點重構
3.2.1二階MUSCL重構
3.2.2五階顯式WCNS重構
3.3對流通量導數
3.3.1矢通量分裂格式（FVS）
3.3.2通量差分裂格式（FDS）
3.3.3混合格式（AUSM）
3.4黏性通量導數
3.4.1完全N—S方程
3.4.2薄層近似方程
3.5再論通量Jacobian矩陣
第4章邊界條件處理
4.1虛格線概念
4.2特徵分析
4.2.1邊界信息傳播方向
4.2.2特徵線相容關係式
4.3遠場邊界條件
4.3.1遠場特徵變數邊界條件
4.3.2遠場Riemann邊界條件
4.4壁面邊界條件
4.4.1無黏壁面
4.4.2黏性壁面
4.5對稱邊界條件
4.6內邊界條件
第5章加速收斂技術
5.1多重格線方法
5.1.1基本循環FAS格式
5.1.2多重格線循環策略
5.1.3傳遞運算元
5.2預條件Newton—Krylov算法
5.2.1非線性函式
5.2.2非精確Newton法
5.2.3Krylov子空間方法
5.2.4預條件JFNK算法
第6章串流模型方程
6.1雷諾時均控制方程
6.1.1雷諾時均方法
6.1.2時均方程無量綱化
6.2零方程湍流模型
6.2.1Baldwin—Lomax湍流模型
6.2.2Degani修正的B—L湍流模型
6.3一方程湍流模型
6.3.1Baldwin—Barth湍流模型
6.3.2Spalart—Allmaras湍流模型
6.4兩方程湍流模型
6.4.1Wilcox k—ω模型
6.4.2Menter’s k—ω模型
6.4.3EASM Gatski—Speziale k—ω模型
6.4.4EASM Girimaji k—ε模型
6.4.5Abid k—ε模型
6.4.6EASM Gatski—Speziale k—ε模型
6.5初始條件與邊界條件
6.6套用湍流模型的注意事項
6.7兩方程湍流模型通用形式
第7章高溫氣體效應
7.1氣體模型
7.1.1質量比焓與內能
7.1.2質量比熵
7.1.3混合氣體自由焓
7.2高溫氣體化學平衡流
7.2.1Gibbs最小自由焓方法
7.2.2能量守恆方程計算溫度
7.3高溫氣體熱化學非平衡流
7.3.1高溫氣體非平衡方程組
7.3.2對流項Jacobian矩陣
7.3.3組分生成源項及其Jacobian矩陣
7.3.4振動源項及其Jacobian矩陣
第8章前後處理方法
8.1數據檔案格式
8.1.1格線與流場檔案格式PLOT3D
8.1.2邊界檔案格式Generic.inp
8.1.3Tecplot格式的可視化檔案
8.1.4CGNS格式轉換
8.2格線奇點與搜尋
8.2.1奇點重構的問題描述
8.2.2重構算法及時間複雜性分析
8.2.3數值實驗結果與討論
8.3格線二次剖分技術
8.3.1格線塊分組問題
8.3.2二次剖分方法
8.3.3剖分法的選擇策略
8.4氣動特性計算
8.4.1氣動力
8.4.2氣動力矩
8.4.3升/阻力與壓心
8.4.4氣動熱
第9章並行編程基礎
9.1並行計算與並行編程
9.1.1並行計算相關概念
9.1.2並行計算機系統結構與分類
9.1.3並行編程模型與實現技術
9.1.4並行編程的常用模式
9.2並行程式設計
9.2.1並行程式流程設計
9.2.2MPI進程並行
9.2.3OpenMP執行緒並行
9.3並行程式性能最佳化技術
9.3.1提升並行程式性能的技術
9.3.2數值實驗結果與討論
9.4並行軟體框架PETSc
9.4.1PETSc軟體體系結構
9.4.2PETSc軟體功能
9.4.3基於PETSc編程
9.4.4多DMDA創建實例
參考文獻
主要符號表
