【新书推荐】《计算流固耦合力学》
写作背景
流固耦合力学是研究变形固体在流场作用下各种行为、固体变形对流场影响以及二者之间相互作用的一门交叉学科。变形固体在流体载荷作用下会产生变形或运动，而固体的变形或运动又反过来影响流场，从而改变流体载荷的分布和大小。正是这种不同介质之间的相互作用产生了形形色色的流固耦合现象。流固耦合力学研究涉及流体力学、结构力学、动力学与控制等多个学科领域。
历史上人们对流固耦合现象的早期认识源于飞机工程中的气动弹性问题。气动弹性力学是飞行器设计领域非常重要的一门交叉学科分支。航空航天飞行器研制中的气动弹性新问题层出不穷。船舶与海洋工程、土木与交通工程、能源环境与化工、生命医学工程等众多工程领域也存在各种流固耦合问题。通常人们将与飞机颤振密切相关的气动弹性研究作为流固耦合的第一次高潮，将与风激振动及化工容器密切相关的流固耦合问题作为流固耦合研究的第二次高潮，并认为气动弹性在非航空问题中的应用是流固耦合力学发展史上的一个重要里程碑。
计算流固耦合力学（CFSI）是采用各种数值计算方法在计算机上对流固耦合现象进行建模仿真的理论、方法和工具。随着20世纪80年代计算机技术、计算流体力学和计算结构力学快速发展，基于CFD/CSD耦合的时域流固耦合分析技术在航空领域迅速兴起。其学术思想是通过非线性Euler/RANS流动求解器在时间域计算弹性结构在任意运动下的非定常气动载荷, 然后将非定常气动载荷赋予结构运动解析方程或有限元求解器, 进而给出弹性结构的时间响应历程。20世纪90年代末到本世纪初，基于松耦合策略的CFD/CSD流固耦合数值模拟方法基本成熟，现代意义上的计算流固耦合力学研究框架基本形成，成为流固耦合力学发展史上又一重大里程碑。
图1 一种CFD/CSD耦合颤振分析流程图
目前流固耦合数值方法发展很快，包括边界元法、有限元法、有限差分法、有限体积法等在内的贴体网格类方法，求解NS方程和格子玻尔兹曼方程的浸没边界方法，光滑粒子法、物质质点法、等几何分析等无网格方法，以及上述各类方法的组合或耦合方法等。计算流固耦合力学在航空航天领域得到广泛应用，国内外都目前已具备复杂外形全机非线性气动弹性CFD/CSD耦合数值模拟能力。同时流固耦合数值模拟技术也已成为土木、海洋、船舶、机械、生命科学领域的重要研究手段。近年来，各种主流开源代码和主流商业CAE软件都纷纷将流固耦合模拟作为重要新功能迅速引入。不仅Openfoam、CFL3D、SU2、Code_Saturne 等开源求解器和TAU、FUN3D、Overflow2等内部求解器集成了流固耦合计算功能，主流商业CAE软件ANSYS、ADINA、STAR CCM+、ACUSOLVE、COMSOL和ABAQUS等都纷纷将流固耦合模拟能力作为标配新功能迅速引入。
图2 大展弦比机翼气动/结构多学科优化设计
尽管表征复杂流固耦合系统的偏微分方程可以通过 CFD/CSD 耦合方法直接进行高精度的数值模拟, 从而可以提供离散化流场变量的详尽时空信息。但是如果缺乏其他辅助工具和分析方法，单靠数值模拟提供的高阶模型和海量数据自身并不足以让人们深入解释和描述系统的复杂动力学行为。更重要的是大型复杂系统数值模拟计算耗费巨大，针对单点状态的数值模拟方法很难直接应用于控制模型综合、多变量优化、稳定性预测和实时仿真等多学科设计领域。在面向单点的高精度高可信度数值分析和面向多点的多学科分析与设计需求之间存在很大的鸿沟。这就需要发展面向工程设计日常使用的CFD/CSD耦合计算使能技术。此外，随着设计经验的不断完善，飞行器性能越来越接近极限，传统单学科设计方法已经很难再进一步提高飞行器性能。气动与结构的耦合优化设计能够获得比单学科更好的结果，并能带来设计理念的变化，也成为当前计算流固耦合力学的重要发展方向。
本书以航空航天领域为主，兼顾其他工程领域的流固耦合问题，介绍21世纪近20年来国内外发展的计算流固耦合力学主要新思想、新方法和新技术。主要内容包括经典气动弹性计算方法、基于贴体网格的CFD/CSD流固耦合方法和非贴体网格浸没边界类等三大类流固耦合分析技术，以及流固耦合系统降阶模型和流固耦合优化设计等多学科建模与优化技术。应用方面重点介绍飞行器静气动弹性、颤振稳定性及抑制、阵风响应及减缓、气动弹性优化、气动伺服弹性等典型气动弹性问题。
本书注重理论方法与工程应用相结合，并提供了部分算法源代码、算例源文件和软件操作等数字化资源。可作为航空宇航科学与技术、力学等相关专业本科生和研究生教材，也可供船舶与海洋工程、土木工程、能源化工和生命医学工程等领域从事流固耦合相关研究的专业技术人员参考。
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陈 刚
西安交通大学航天航空学院教授、博士生导师。主要从事飞行器流固耦合力学与仿生技术、智能变形飞行器设计与控制技术、飞行器人工智能设计技术等方面研究工作。计算流固耦合力学、飞行器总体设计、飞行器气动特性分析和飞行器气动设计原理与实践等课程主讲教师。发表学术论文100余篇，授权国家发明专利6项，获得陕西省科学技术奖二等奖1项、陕西省高等学校科学技术进步奖一等奖2项。担任陕西省先进飞行器服役环境与控制重点实验室副主任，中国力学学会流固耦合力学专业委员会、中国空气动力学会空气弹性专业委员会委员，Journal Aerotecnica Missili & Spazio副主编，《气动研究与试验》和Fluid Dynamics & Material Processing编委。
吕计男
中国运载火箭技术研究院研究员。主要研究方向为气动弹性数值计算方法与风洞试验技术。发表论文38篇，专利授权5项。现任中国力学学会流固耦合力学专业委员会副主任委员、中国空气动力学会空气弹性力学专业委员会。
龚春林
西北工业大学教授、博士生导师。担任本科生课程《导弹总体设计》（国家精品课程）、研究生课程《空天飞行器设计》的主讲教师。主要研究方向包括：导弹和先进空天飞行器总体设计、飞行器多学科设计优化、大柔性变体飞行器流固耦合仿真与优化、武器系统仿真和效能评估等。出版专著2部，编写教材2本，发表期刊学术论文100余篇，授权专利15项，获省部级科技奖4项，省部级教学成果奖1项。担任陕西省空天飞行器设计重点实验室副主任，中国兵工学会导弹与火箭专业委员会委员、《系统工程与电子技术》编委会委员、《飞航导弹》编委会委员等。
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《力学导论》杨卫 等
《辛数学及其工程应用》钟万勰 吴锋
《航空航天复合材料力学》胡宁 赵丽滨
《无人机动力》闫晓军 等
《空气动力学》刘沛清
《固体推进剂性能计算原理》张炜 等
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