本书系统阐述了浸入边界法的理论体系与工程应用。内容涵盖流固耦合基础、扩散与锐利界面两类主流方法、LBM-IBM-ALE混合算法、高雷诺数湍流模拟及强/松耦合计算策略。通过板壳振动、水翼运动、鱼类游动及水力机械等典型案例，展示了该方法在处理复杂动边界问题时的独特优势，为航空航天、生物力学及能源工程领域的流固耦合仿真提供了系统的解决方案。
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前言
第1章 绪论 1
1.1 计算流固耦合研究进展概述 1
1.2 浸入边界法研究进展概述 3
1.3 浸入边界壁面模型研究进展概述 5
参考文献 7
第2章 浸入边界法控制方程 13
2.1 流固耦合问题描述 13
2.2 流固耦合控制方程 14
2.3 贴体网格流固耦合方法 16
2.3.1 流体控制方程及求解方法 16
2.3.2 结构控制方程及求解方法 20
2.3.3 耦合界面数据传递方法 26
2.3.4 同步子迭代强耦合算法 29
2.4 非贴体网格流固耦合方法 30
2.4.1 浸入边界法 30
2.4.2 浸入体积法 32
2.5 浸入边界法分类 34
2.5.1 浸入边界法数学模型 34
2.5.2 浸入边界类型 34
参考文献 36
第3章 扩散界面浸入边界法 39
3.1 经典扩散方法 39
3.1.1 数学模型 39
3.1.2 差分方程 41
3.2 直接强迫方法 44
3.2.1 连续介质运动和变形的基本理论 44
3.2.2 浸入边界方程的建立 51
3.2.3 结构体力密度的求解 56
3.2.4 数值离散 59
3.3 隐式直接力法 63
3.3.1 投影浸入边界法的时间推进 63
3.3.2 力源项数值求解及速度的二次修正 65
3.3.3 控制方程的空间离散化 68
3.3.4 压力泊松方程组求解 77
参考文献 81
第4章 锐利界面浸入边界法 82
4.1 锐利界面数学描述 82
4.1.1 数学模型 82
4.1.2 切割单元法 84
4.1.3 浸入界面法 84
4.1.4 混合笛卡儿-浸入边界法 86
4.2 浸入边界插值点速度求解方法 87
4.2.1 浸入边界受力节点选择 87
4.2.2 静止边界 89
4.2.3 移动边界 91
4.2.4 高阶插值方法 92
4.3 浸入界面处的表面力计算 96
参考文献 98
第5章 基于ALE的浸入边界和格子Boltzmann混合算法 102
5.1 格子Boltzmann方法 102
5.1.1 概述 102
5.1.2 单松弛时间格子Boltzmann方法 103
5.1.3 多松弛时间格子Boltzmann方法 108
5.2 浸入边界-格子Boltzmann方法 109
5.3 ALE框架下浸入边界法和格子Boltzmann方法的耦合求解方法 111
5.3.1 二维隐式扩散IB-LBM 111
5.3.2 三维隐式扩散IB-LBM 120
5.3.3 混合求解算法程序验证 130
参考文献 133
第6章 高雷诺数浸入边界法 137
6.1 引言 137
6.2 耦合湍流壁模型 137
6.3 湍流模型边界条件 142
6.4 高雷诺数浸入边界法实现 144
6.5 工程实例分析 150
6.6 小结 152
参考文献 152
第7章 基于浸入边界的流固耦合计算策略 155
7.1 时空高阶格式 155
7.1.1 概述 155
7.1.2 时间推进 156
7.1.3 对流项和黏性项空间离散 156
7.1.4 计算域的边界条件 161
7.1.5 压力处理 164
7.2 松耦合算法 167
7.2.1 时间推进 167
7.2.2 空间离散 170
7.2.3 固体体积比的求解 177
7.2.4 数值计算流程 179
7.3 强耦合算法 179
7.3.1 隐式扩散浸入边界大涡模拟方法 179
7.3.2 浸入边界-大涡模拟与有限元的强耦合算法 188
7.4 收敛加速与并行计算策略 189
7.4.1 GPU和CUDA简介 189
7.4.2 基于CUDA的格子Boltzmann方法的实现 193
7.4.3 基于OpenMP的浸入边界法和刚体动力学的程序实现 197
7.5 迭代求解策略 200
7.5.1 方法概述 200
7.5.2 稀疏矩阵存储格式 201
7.5.3 稀疏存储在开源库中的实现 204
参考文献 206
第8章 工程应用举例 208
8.1 悬臂梁的流激振动 208
8.1.1 数值模型 208
8.1.2 计算结果分析 209
8.2 水翼主动与半主动耦合运动 212
8.2.1 水翼主动耦合运动 212
8.2.2 水翼半主动耦合运动 217
8.3 三维双曲柱绕流 222
8.3.1 单圆柱绕流 222
8.3.2 均匀来流下双曲柱绕流 223
8.4 粒子输运与沉降 225
8.4.1 二维椭圆颗粒输运 225
8.4.2 三维球形颗粒沉降 229
8.5 鱼的自主游动 231
8.5.1 “C”形鱼游动理论分析 232
8.5.2 自由游动鱼模型的建立 234
8.5.3 鱼启动、巡游及滑行过程中的流固耦合特性分析 238
8.6 水力机械导叶调节模拟 247
8.6.1 计算模型 247
8.6.2 单水翼运动工况 249
8.6.3 多水翼运动工况 251
8.6.4 非正弦俯仰运动的影响 251
8.6.5 衰减频率的影响 253
8.6.6 雷诺数的影响 253
参考文献 257
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