Fluid Dynamics Theory, Computation, and Numerical Simulation – C. Pozrikidis – 2nd Edition

El fácil acceso a las computadoras ha definido una nueva era en la enseñanza y el aprendizaje. La oportunidad de extender la materia de los currículos tradicionales de ciencias e ingeniería al ámbito de la computación científica se ha vuelto no solo deseable, sino también necesaria. Gracias a la portabilidad y los bajos costos generales y operativos, la experimentación mediante simulación numérica se ha convertido en un sustituto viable y, en ocasiones, en la única alternativa a la experimentación física.

El nuevo marco ha requerido la redacción de textos y monografías desde una perspectiva moderna que incorpore aspectos numéricos y de programación informática como parte integral del discurso. Bajo esta directiva moderna, los métodos, conceptos e ideas se presentan de manera unificada que motiva y subraya la urgencia de los nuevos elementos, pero sin comprometer ni simplificar en exceso el rigor del enfoque clásico. La interconexión de conceptos fundamentales y métodos prácticos de computación científica se puede implementar en diferentes niveles. En un enfoque, la teoría y la implementación se mantienen complementarias y se presentan de manera secuencial.

En otro enfoque, el acoplamiento implica la derivación de métodos computacionales y algoritmos de simulación, y la traducción de ecuaciones en instrucciones de código de computadora inmediatamente después de formulaciones de problemas. La interposición perfecta de métodos de computación científica en el discurso tradicional ofrece un lugar poderoso para desarrollar habilidades analíticas y obtener información física. El objetivo de este libro es ofrecer un curso introductorio a la mecánica de fluidos tradicional y moderna, cubriendo temas de una manera que unifique la teoría, la computación, la programación de computadoras y la simulación numérica. El enfoque es verdaderamente introductorio en el sentido de que solo se requieren unos pocos requisitos previos.

El público objetivo incluye estudiantes de pregrado y posgrado de nivel de entrada, así como una clase más amplia de científicos, ingenieros, dinámicos de fluidos y entusiastas de la ciencia computacional con un interés general en la computación. Este libro debería ser especialmente atractivo para aquellos que están haciendo una primera incursión en el mundo de la computación numérica y la dinámica de fluidos computacional (CFD) más allá del enfoque de caja negra. Este libro debería ser un texto ideal para un curso de introducción a la mecánica de fluidos y CFD. La presentación del material se distingue por dos características. En primer lugar, los procedimientos y algoritmos de solución se desarrollan inmediatamente después de que se presentan las formulaciones del problema, y en el texto se analizan los códigos ilustrativos de Matlab.

En segundo lugar, los métodos numéricos se introducen según la necesidad de saber y en orden de dificultad creciente: interpolación de funciones, diferenciación de funciones, integración de funciones, solución de ecuaciones algebraicas, métodos de diferencias finitas, etc. Problemas informáticos al final de cada sección requieren realizar cálculos y simulaciones para estudiar el efecto de varios parámetros que determinan un flujo. De acuerdo con el uso previsto de este libro como texto introductorio independiente y como tutorial sobre dinámica numérica de fluidos y computación científica, solo se proporcionan unas pocas referencias en la discusión. En su lugar, en el apéndice B se incluye una compilación seleccionada de textos introductorios, avanzados y especializados sobre dinámica de fluidos, cálculo, métodos numéricos y dinámica de fluidos computacional.

El lector que desee centrarse en un tema en particular puede consultar estos recursos para obtener más detalles. . Una característica importante de este libro es la biblioteca de software de dinámica de fluidos que lo acompaña, Fdlib, discutida en el apéndice A. Los programas Fortran 77 y Matlab de Fdlib ilustran explícitamente cómo los algoritmos computacionales se traducen en instrucciones de computadora. Los códigos de Fdlib van desde introductorios hasta avanzados, y los temas abarcan una amplia gama de aplicaciones discutidas en este texto: desde flujos de canales laminares hasta flujos de vórtices, pasando por superficies aerodinámicas.

Los códigos Matlab de Fdlib combinan computación numérica, visualización de gráficos, visualización de datos y animación. Para ejecutar los códigos Fortran 77 de Fdlib, se requiere un compilador Fortran 77 o Fortran 90. Los compiladores gratuitos están disponibles gracias a la fundación gnu. Los datos de entrada se ingresan desde el teclado o se leen desde archivos de datos. La salida se registra en archivos de salida en forma tabular para que pueda leerse y mostrarse mediante aplicaciones independientes de gráficos, visualización y animación en cualquier plataforma informática, incluido Matlab. La segunda edición incorpora mejoras significativas en sustancia y estilo. En primer lugar, se han introducido ejemplos adicionales, problemas resueltos y nuevo material para un tratamiento más completo de los diversos temas. Los ejemplos incluyen el transporte de surfactantes y una breve introducción al flujo compresible. En segundo lugar, en el texto se enumeran y analizan ejemplos de programas de Matlab que integran computación numérica y visualización de gráficos.