這本計(jì)算流體力學(xué)（CFD）教材是真正為CFD初學(xué)者提供的。如果讀者在此之前從來沒有學(xué)習(xí)過CFD，或者從未在CFD領(lǐng)域工作過，甚至對CFD這一學(xué)科沒有基本的認(rèn)識，那么本書將是非常適合的。學(xué)習(xí)本書絕對不需要CFD的任何知識，只需要有想了解CFD這一學(xué)科的愿望就可以了。
　　作者希望用一種簡單、有趣的方式向初次學(xué)習(xí)CFD的讀者展示這一學(xué)科。在數(shù)學(xué)上，今天的CFD是非常復(fù)雜的學(xué)科。在大學(xué)里，CFD一般被認(rèn)為是研究生階段的課程，現(xiàn)有的教科書和大多數(shù)的專業(yè)短期培訓(xùn)課程都將其定位于研究生階段的學(xué)習(xí)內(nèi)容。本書的目的就是為讀者在閱讀CFD領(lǐng)域現(xiàn)有的教科書和文獻(xiàn)之前，在參加短期CFD培訓(xùn)課程之前提供堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。本書的特點(diǎn)是簡單和目標(biāo)明確，本書旨在給讀者提供一個(gè)基本的體系和概念，這對讀者將來接觸更復(fù)雜的CFD是非常有意義的。本書所用的數(shù)學(xué)和流體力學(xué)知識相當(dāng)于工程和物理學(xué)專業(yè)高年級本科生的水平。實(shí)際上，本書主要面對本科高年級一個(gè)學(xué)期CFD課程的學(xué)生，同時(shí)也適用于研究生先期階段的CFD課程教學(xué)。
　　本科生CFD方面的書尚沒有固定的模式，可謂仁者見仁，智者見智。本書以這樣一種形式呈現(xiàn)給讀者，盡管可能不夠完美，卻是基于作者多年的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)和思考。為了實(shí)現(xiàn)本書的編寫目標(biāo)，作者在內(nèi)容的組織方面進(jìn)行了艱難的抉擇。本書在介紹最近的、復(fù)雜的CFD時(shí)沒有引入“專門”的處理方式，作者深知毫無經(jīng)驗(yàn)的讀者往往被這些高深的“專門”處理弄得一頭霧水。經(jīng)常發(fā)生這樣的現(xiàn)象：一些想了解CFD的學(xué)生，因?yàn)檫@些先進(jìn)復(fù)雜的處理方法半途而廢，失去了繼續(xù)學(xué)習(xí)CFD的信心和動(dòng)力。因此，本書的目的就是為讀者以后學(xué)習(xí)和應(yīng)用先進(jìn)的CFD處理方法做準(zhǔn)備。本書給出了CFD的發(fā)展前景，使得讀者有興趣轉(zhuǎn)向CFD的研究。作者從直觀和物理角度來組織相關(guān)的CFD的材料。當(dāng)一個(gè)CFD專家閱讀本書時(shí)，也許其第一印象是本書有點(diǎn)“過時(shí)”，因?yàn)楸緯�的一些�?nèi)容是20世紀(jì)80年代的材料，然而正是這些“過時(shí)”但是被證明是可靠的思想對初學(xué)者來說是非常寶貴的經(jīng)驗(yàn)。通過本書的學(xué)習(xí)，讀者將在研究生階段和工作階段，在復(fù)雜的CFD方面不斷取得進(jìn)步。然而，為了擴(kuò)展讀者的視野，第11章將討論CFD的一些“專門”的處理方法，一些比較超前且有用的CFD算例將在第12章展示。因此，當(dāng)讀者完成了本書最后幾頁的學(xué)習(xí)時(shí)，就已經(jīng)在CFD學(xué)科上上了一個(gè)臺(tái)階。
　　本書的部分內(nèi)容來自作者十年來在比利時(shí)馮·卡門流體力學(xué)研究所（VKI）的一周短期培訓(xùn)課程“計(jì)算流體力學(xué)引論”和近年來在英國Rolls\|Royce公司的培訓(xùn)課程。通過多年的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，作者探索出了一種易被初學(xué)者接受的、具有學(xué)習(xí)成就感和吸引力的教學(xué)方法，本書便直接反映了作者在此方面的經(jīng)驗(yàn)。作者特別感謝VKI的主任John Wendt博士，他首先意識到需要這種導(dǎo)論性的CFD課程，且早在十年前就讓作者在VKI準(zhǔn)備這樣的課程。在后來的年份，這種對“計(jì)算流體力學(xué)引論”的需求已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了我們當(dāng)初最大膽的想象。最近由John F. Wendt博士主編的，Springer\|Verlag出版社1992年出版的《計(jì)算流體力學(xué)：引論》一書即是VKI課程筆記。本書是這一VKI版的極大擴(kuò)充，適用于一學(xué)期的C`FD課程教學(xué)，但是仍保持了簡潔和激勵(lì)的基本精髄。
　　本書由4部分組成。第Ⅰ部分介紹了與CFD相關(guān)的基本思想和體系和與之相聯(lián)系的對流體力學(xué)的控制方程的廣泛討論，這對學(xué)生充分認(rèn)識CFD和感知其相關(guān)物理方程是非常重要的，它們是CFD的生命線。作者強(qiáng)烈感受到對控制方程的充分認(rèn)識和理解的必要性，因此第2章著力于方程的獲取和深入討論，在某種意義上，第2章是相對獨(dú)立的，可看成是控制方程的“小型課程”。經(jīng)驗(yàn)表明，學(xué)習(xí)CFD的學(xué)生往往來自不同的背景，因此他們對流體力學(xué)控制方程的認(rèn)識程度也相當(dāng)不同，從幾乎一無所知到相當(dāng)了解的均有。不同背景的學(xué)生已經(jīng)對本章學(xué)到的內(nèi)容表達(dá)了感激之情，那些對流體力學(xué)控制方程一無所知的學(xué)生，非常高興有機(jī)會(huì)對這些方程產(chǎn)生親切感；那些對流體力學(xué)控制方程有一定了解的學(xué)生很高興本書剝?nèi)ジ鞣N形式控制方程的神秘外衣，給出其完整的描述和深入的闡述。第2章重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)的哲學(xué)思想是一名優(yōu)秀的計(jì)算流體力學(xué)家首先必須是一名優(yōu)秀的流體力學(xué)家。
　　第Ⅱ部分展示了控制方程數(shù)值離散的基本方面，詳細(xì)介紹了偏微分方程的離散（有限差分方程），引入了基本數(shù)值問題，給出了幾種求解流動(dòng)問題的常用數(shù)值方法，最后通過幾個(gè)家庭作業(yè)來簡單介紹了積分形式方程的有限體積離散。
第Ⅲ部分包含了4個(gè)經(jīng)典動(dòng)力學(xué)問題的CFD應(yīng)用，眾所周知，這些問題是涉及精確解析解的問題，可以作為CFD數(shù)值結(jié)果的比較基礎(chǔ)。很明顯，CFD將要求解的真實(shí)世界的問題是沒有已知的解析解的。事實(shí)上，CFD是求解那些不能用其他方法求解的問題的工具。然而，本書的目的是為讀者介紹CFD方面的基礎(chǔ)知識，選擇那些難以驗(yàn)證的應(yīng)用范例對此毫無益處，因此作者寧愿選擇那些簡單的具有精確解的問題，這樣讀者可以根據(jù)已知的精確解來判別某一給定的計(jì)算方法的優(yōu)缺點(diǎn)。書中對這4種應(yīng)用進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，讀者可以清晰地看到在第Ⅰ和第Ⅱ部分所提到的CFD基礎(chǔ)知識的直接應(yīng)用。本書也鼓勵(lì)讀者自己編寫計(jì)算機(jī)程序來求解這些問題，并用第7~10章中給出的結(jié)果來進(jìn)行校核。從某種意義上講，盡管本書是計(jì)算流體力學(xué)教程，但事實(shí)上也是讀者獲取更全面的流體力學(xué)知識的載體，作者有意識地強(qiáng)調(diào)各種流體問題的物理背景，目的就是加強(qiáng)讀者的全面理解。有這樣一種說法：當(dāng)學(xué)生學(xué)習(xí)了第N＋1門課，才能真正掌握第N門課的內(nèi)容。在流體力學(xué)的某些方面本書是這一說法的一個(gè)佐證，本書就是第N＋1門課。
　　本書的前幾部分是CFD算法和應(yīng)用方面的基礎(chǔ)知識，而第Ⅳ部分介紹了比本書前幾章討論的方法更先進(jìn)的反映當(dāng)代專門算法的一些專題。對這些高層次專題，本書沒有詳細(xì)討論，因?yàn)檫@將超出本書的范圍。這些專題等待讀者在以后的學(xué)習(xí)中多多關(guān)注。因此只是在第11章中對這些專題進(jìn)行了簡單介紹，以使讀者提前對未來的學(xué)習(xí)產(chǎn)生興趣。第11章的目的就是讓讀者對當(dāng)今的CFD技術(shù)有一些基本思想和概念。第12章闡述了CFD的未來，給出了一些近期的應(yīng)用。第12章通過在一定程度上擴(kuò)展第1章中具有激勵(lì)性的討論來結(jié)束本書。
　　事實(shí)上，在計(jì)算程序的編排上作者面臨著艱難的選擇，是否應(yīng)該將計(jì)算程序詳細(xì)地列在書中，以幫助讀者進(jìn)行計(jì)算機(jī)編程，認(rèn)識計(jì)算效率的重要性以及CFD的模塊式計(jì)算程序？最后作者決定不采用這種形式。本書除了在附錄A中給出了在求解庫埃特流所用到的Thomas算法的計(jì)算程序外，沒有再給出其他計(jì)算程序。雖然給出好的和差的計(jì)算方法的相應(yīng)程序有助于讀者熟習(xí)和理解計(jì)算效率，但這并不是本書的目的。當(dāng)讀者嘗試自己動(dòng)手編寫計(jì)算程序而不是抄寫作者預(yù)先列出的程序，來求解第Ⅲ部分中的應(yīng)用題并得到合適的結(jié)果時(shí)，這將是莫大的鼓勵(lì)。這一點(diǎn)被看成是學(xué)習(xí)過程的一部分。自己編寫CFD程序是CFD學(xué)習(xí)階段認(rèn)知過程的重要組成部分。另一方面，第Ⅲ部分所討論的應(yīng)用，其詳細(xì)計(jì)算程序全部列在為本書服務(wù)的求解手冊中，該手冊是為講課教師服務(wù)的。教師可以自由地將所列的計(jì)算程序根據(jù)需要部分或全部提供給學(xué)生。
　　關(guān)于計(jì)算圖形需要說明一下，一位審稿者建議本書中應(yīng)該涉及一些計(jì)算圖形，這是一個(gè)好建議，因此第6章用了一整節(jié)的篇幅解釋和說明CFD經(jīng)常用到的各種計(jì)算圖形技術(shù)，而且標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)算圖形樣式遍布書中。
　　另外，對于像本書這種導(dǎo)論性的本科高年級CFD課程，家庭作業(yè)問題需要說明一下。關(guān)于本書中的家庭作業(yè)問題，作者是經(jīng)過深思熟慮的。CFD的實(shí)際應(yīng)用，即使是列在本書中的最簡單技術(shù)，在讀者能夠確實(shí)做出合理的計(jì)算之前也需要一個(gè)扎實(shí)的學(xué)習(xí)過程。因此在本書的前幾章，讀者沒有較多的機(jī)會(huì)通過家庭作業(yè)來練習(xí)計(jì)算。這不同于更典型的本科生工程課題，可以通過立即布置的家庭作業(yè)，使學(xué)生沉浸于邊做邊學(xué)的過程中。本書的讀者在學(xué)習(xí)前期未接觸到第Ⅲ部分的應(yīng)用之前，完全沉浸于CFD的基本詞匯、體系、思想和概念中，事實(shí)上讀者在這些應(yīng)用中應(yīng)當(dāng)做一些計(jì)算以使自己得到一些CFD的經(jīng)驗(yàn)，即使在這些部分，這些應(yīng)用實(shí)質(zhì)上也大多數(shù)屬于小計(jì)算項(xiàng)目，而不是家庭作業(yè)。本書的審稿者在家庭作業(yè)的問題上也分兩派，一半審稿者認(rèn)為需要留家庭作業(yè)，而另一半的審稿者則認(rèn)為家庭作業(yè)沒有必要。對此作者采用了折衷的立場，本書中有一些家庭作業(yè)，但不是很多。有幾章有家庭作業(yè)，以幫助讀者對文中討論的概念進(jìn)行深入的思考。由于本科生階段關(guān)于CFD的書尚未建立相應(yīng)的模式，因此本書無規(guī)可循，作者寧愿將何為適當(dāng)?shù)募彝プ鳂I(yè)的問題留給讀者和授課者來思考，讓他們在此方面發(fā)揮自己的想象力。
　　本書保持了作者以前著作的特點(diǎn)，即盡力用讀者容易理解的書寫方式來論述。本書以對話的方式和讀者交流，使得讀者能夠很容易地理解那些原本不容易理解的內(nèi)容。
　　如上所述，本書的一個(gè)特色是主要針對工科和理科的本科生。自從17世紀(jì)以來，科學(xué)和工程沿著兩條平行的軌道發(fā)展著，一個(gè)用純實(shí)驗(yàn)方法處理問題，一個(gè)用純理論方法處理問題。事實(shí)上現(xiàn)在的本科生工程和科學(xué)課程反映了這一傳統(tǒng)，他們給學(xué)生提供了堅(jiān)實(shí)的實(shí)驗(yàn)和理論基礎(chǔ)，然而在技術(shù)發(fā)達(dá)的今天，隨同實(shí)驗(yàn)方法和理論方法，計(jì)算力學(xué)作為新的第三種方法已經(jīng)出現(xiàn)。在未來，每位畢業(yè)生都會(huì)以某種方式接觸計(jì)算力學(xué)，因此為了讓學(xué)生對當(dāng)今的三種研究方法有全面了解，在流體力學(xué)方面將CFD課程加入本科生課程中是非常必要的。本書旨在本科生中開設(shè)CFD課程，希望盡可能使學(xué)生和教師體會(huì)其中的快樂。
　　說到本書的“偏好”，由于作者是位空氣動(dòng)力學(xué)家，因此討論與航空相關(guān)的課題有種自然趨勢，然而CFD是多學(xué)科的，除去航空航天領(lǐng)域，在機(jī)械、土木、化工，甚至電子工程以及在物理學(xué)和化學(xué)中都有CFD的應(yīng)用。在寫本書時(shí)，作者考慮了所有這些領(lǐng)域讀者的要求。事實(shí)上在作者教授的CFD短期課程中，學(xué)生就來自上述領(lǐng)域，作者很高興有此經(jīng)歷。因此本書所包含的材料不僅與航天航空工程有關(guān)，還與其他學(xué)科有關(guān)。機(jī)械和土木工程師在第1章將會(huì)看到許多熟悉的應(yīng)用，也將對第6章中討論的ADI方法和壓力修正技術(shù)特別感興趣。事實(shí)上，第9章中的黏性不可壓縮流動(dòng)的壓力修正技術(shù)的求解就是針對機(jī)械和土木工程師的。然而不管應(yīng)用的對象是誰，請記住本書中提供的材料是最基礎(chǔ)的，它面向各領(lǐng)域的讀者。
本書中所提供的素材是如何安排的？讀者如果沒有時(shí)間綜觀全書，他（她）能否跳過某些章節(jié)呢？答案基本上是肯定的。盡管作者編寫本書使得按順序連貫閱讀本書的讀者對基礎(chǔ)CFD有一廣泛的了解，但是我也認(rèn)識到很多時(shí)候讀者是沒有這么多時(shí)間的。因此作者從戰(zhàn)略高度來綜觀全書，特別是通過醒目的路標(biāo)來指導(dǎo)讀者如何閱讀本書，如何根據(jù)自己的特殊需要來查找所需的內(nèi)容，這些路標(biāo)也出現(xiàn)在目錄表中，隨時(shí)供讀者參考。
　　作者特別感謝美國空軍學(xué)會(huì)的航空學(xué)教授Col.WayneHalgren。Colonel Halgren教授花時(shí)間閱讀了本書的手稿，在學(xué)會(huì)的一期高級講座上還用到了本書，使本書在1993年的春天在課堂上得以接受檢驗(yàn)。隨后他不惜花時(shí)間拜訪Park學(xué)院的作者來分享他教學(xué)實(shí)踐中的經(jīng)驗(yàn)。這些來自不同地方的信息是相當(dāng)珍貴的，本書中的一些特色即出自這些相互交流。事實(shí)上，為了加強(qiáng)這樣的交流，Wayne幾年前曾來做作者的博士生，作者很自豪能有這樣高水平的學(xué)生。
　　我還要感謝我在CFD領(lǐng)域的所有同事，他們在CFD基本結(jié)構(gòu)上給出了很有價(jià)值的意見，特別是書稿的評閱人，他們是Clarkson University的Ahmed Busnaina, Alabama\|Huntsville University的Chien\|Pin Chen, Pennsylania State University的George S. Dulikravich, University of Virginia的Ira Jacobson, Old Dominion University的Osama A. Kandil, University of Kentucky的James McDonough, University of Notre Dame的Thomas J. Mueller, Iowa State University的Richard Pletcher, Florida Institute of Technology的Paavo Repri, University of Michigan\|Ann Arbor的Roe P. L., University of Wisconsin的Christopher Rutland, Mississippi State University的Joe F. Thompson和Florida State University的Susan Ying,本書的部分內(nèi)容是與他們討論的結(jié)果。同時(shí)還要特別感謝Susan Cunningham女士，她是作者的特別助理，她為本書進(jìn)行了細(xì)致的準(zhǔn)備工作，包括公式的錄入，在本書編排過程中她得到了很大的樂趣。當(dāng)然，特別的感謝還要送給作者生命中最重要的兩個(gè)組成部分——為本書的編寫提供了必需的人文環(huán)境的University of Maryland(馬里蘭大學(xué))和我的妻子Sarah\|Allen，作者在家里花費(fèi)難以計(jì)數(shù)的時(shí)間寫作本書時(shí)，她給予了充分的理解和支持。對以上各位，我謹(jǐn)表示衷心的感謝！
現(xiàn)在讓我們開始學(xué)習(xí)吧！希望在快樂閱讀和計(jì)算時(shí)，讀者將有豐富的收獲和樂趣。學(xué)海無涯，樂在其中。

作者