Fluid Flow Phenomena: A Numerical Toolkit

این کتاب به شبیه سازی معادلات تراکم ناپذیر ناویر-استوکس برای جریان های آرام و آشفته می پردازد. کتاب به توضیح و به کارگیری روش تفاضل محدود محدود شده است. این تعداد زیادی کد منبع را ارائه می دهد که به بازی با معادلات ناویر-استوکس و درک فیزیک پیچیده مربوط به مکانیک سیالات اجازه می دهد.
شبیه‌سازی‌های عددی ابزارهای مفیدی برای درک پیچیدگی جریان‌ها هستند، که اغلب استخراج آن از آزمایش‌های آزمایشگاهی دشوار است. بنابراین، این کتاب می‌تواند برای محققانی که آزمایش‌های آزمایشگاهی انجام می‌دهند بسیار مفید باشد، زیرا آنها اغلب وقت اضافی برای مطالعه طیف وسیعی از روش‌های عددی ندارند. علاوه بر این، آنها نمی توانند زمان بیشتری را صرف انتقال یکی از روش ها به یک زبان کامپیوتری کنند. به عنوان مثال، با استفاده از شبیه‌سازی‌های عددی، بینش‌هایی در زمینه گردابه به دست می‌آید که بدست آوردن آنها با اندازه‌گیری دشوار است.
این کتاب می تواند برای دانشجویان فارغ التحصیل و همچنین در مقطع کارشناسی هنگام مطالعه کتاب های مکانیک سیالات نظری استفاده شود. نحوه شبیه سازی دینامیک میدان های جریان در رایانه های شخصی را آموزش می دهد. این روش بهتری برای درک نظریه فراهم می کند. دو فصل در مورد شبیه‌سازی‌های گردابی بزرگ گنجانده شده است، زیرا این روشی است که در آینده نزدیک به مدل‌های آشفتگی جهانی بیشتری برای کاربردهای عملی اجازه می‌دهد. شبیه‌سازی مستقیم معادلات ناویر-استوکس (DNS) با تفاضل محدود ساده است، که برای بازتولید دینامیک جریان‌های آشفته رضایت‌بخش است. بخش بزرگی از کتاب به مطالعه جریان های متلاطم همگن و دیواره اختصاص دارد.
در فصل دوم مفهوم ابتدایی تفاضل محدود برای حل معادلات دیفرانسیل جزئی سهموی و بیضی ارائه شده است. در فصل های متوالی معادلات 1 بعدی، دو بعدی و سه بعدی ناویر استوکس در مختصات دکارتی و استوانه ای حل شده است. در نهایت، شبیه‌سازی‌های گردابی بزرگ برای بررسی اهمیت مدل‌های مقیاس زیرشبکه انجام می‌شوند. نتایج برای جریان های آشفته و آرام، با تاکید ویژه بر دینامیک گرداب مورد بحث قرار می گیرد.
این جلد برای دانشجویان فارغ التحصیل و محققانی که مایل به مقایسه آزمایش‌ها و شبیه‌سازی‌های عددی هستند و برای کارگران صنایع مکانیکی و هوانوردی جالب خواهد بود.

This book deals with the simulation of the incompressible Navier-Stokes equations for laminar and turbulent flows. The book is limited to explaining and employing the finite difference method. It furnishes a large number of source codes which permit to play with the Navier-Stokes equations and to understand the complex physics related to fluid mechanics.
Numerical simulations are useful tools to understand the complexity of the flows, which often is difficult to derive from laboratory experiments. This book, then, can be very useful to scholars doing laboratory experiments, since they often do not have extra time to study the large variety of numerical methods; furthermore they cannot spend more time in transferring one of the methods into a computer language. By means of numerical simulations, for example, insights into the vorticity field can be obtained which are difficult to obtain by measurements.
This book can be used by graduate as well as undergraduate students while reading books on theoretical fluid mechanics; it teaches how to simulate the dynamics of flow fields on personal computers. This will provide a better way of understanding the theory. Two chapters on Large Eddy Simulations have been included, since this is a methodology that in the near future will allow more universal turbulence models for practical applications. The direct simulation of the Navier-Stokes equations (DNS) is simple by finite-differences, that are satisfactory to reproduce the dynamics of turbulent flows. A large part of the book is devoted to the study of homogeneous and wall turbulent flows.
In the second chapter the elementary concept of finite difference is given to solve parabolic and elliptical partial differential equations. In successive chapters the 1D, 2D, and 3D Navier-Stokes equations are solved in Cartesian and cylindrical coordinates. Finally, Large Eddy Simulations are performed to check the importance of the subgrid scale models. Results for turbulent and laminar flows are discussed, with particular emphasis on vortex dynamics.
This volume will be of interest to graduate students and researchers wanting to compare experiments and numerical simulations, and to workers in the mechanical and aeronautic industries.