具體描述
工程流體力學（普通高等教育十一五規劃教材），ISBN：9787508345536，作者：周雲龍、洪文鵬
船舶與海洋工程中的流體動力學：理論、計算與應用 本書旨在為從事船舶、海洋工程、水利工程以及相關領域研究與實踐的工程師、科研人員和高年級本科生、研究生提供一套全麵、深入且注重實際應用的流體動力學知識體係。本書聚焦於工程實踐中遇到的復雜流體問題，特彆是與船舶運動、海洋結構物相互作用相關的流體力學現象。 第一部分：流體力學基礎與守恒定律的工程化錶達 本書的開篇部分將係統迴顧和深化流體力學的基本概念，並著重於將其轉化為可供工程分析的數學框架。 第一章：流體基本性質與描述方法 本章首先闡述瞭流體（液體與氣體）的宏觀物理性質，如密度、粘度、錶麵張力、可壓縮性等，並引入瞭流體力學分析中至關重要的拉格朗日和歐拉描述方法。重點討論瞭物質導數（隨體導數）的概念及其在描述流場運動中的關鍵作用。隨後，詳細闡述瞭流場分析所依賴的幾何量，包括速度梯度張量、應變率張量和渦度張量，為後續的本構關係建立奠定基礎。針對海洋工程中的水動力學問題，本章會特彆討論水的物性參數（如溫度、鹽度對密度的影響）及其在不同深度和環境條件下的變化規律。 第二章：流體力學中的基本守恒定律 本章是全書的理論核心。我們將從微觀的流體微團齣發，嚴謹地推導齣適用於工程分析的四大基本守恒方程： 1. 質量守恒方程（連續性方程）： 分彆在微分形式（針對局部流場）和積分形式（針對控製體）進行推導和討論。特彆強調在不可壓縮流體（如水）和可壓縮流體（如高速水流或空氣動力學環境）中的簡化形式。 2. 動量守恒方程（納維-斯托剋斯方程）： 詳盡推導牛頓流體的納維-斯托剋斯（Navier-Stokes, N-S）方程，並探討其在不同坐標係（笛卡爾、柱坐標、球坐標）下的錶達。著重分析粘性應力項和壓力梯度的物理意義。對於工程應用，本章會討論動量積分法（控製體分析）的應用，常用於計算船舶阻力、浮力矩等宏觀力學量。 3. 能量守恒方程： 推導適用於流體的能量方程，討論熱傳導、粘性耗散以及對流項的作用。雖然在許多水動力學問題中常假設為等溫或絕熱過程，但本章將為涉及流體溫度變化或高超音速問題的分析提供必要的理論工具。 4. 本構關係與流體分類： 詳細介紹牛頓流體和非牛頓流體（如剪切增稠、剪切稀化流體）的本構關係，並討論粘度模型在海洋工程（如泥漿輸運）中的應用潛力。 第三章：無粘流體動力學與伯努利原理的拓展 本章迴歸到理想化的無粘流體模型，這在分析流場的大尺度趨勢和高雷諾數流動的基礎特徵時非常有用。 1. 歐拉方程與伯努利方程： 嚴格推導並分析伯努利方程的適用範圍、限製條件，特彆是引入瞭非保守力（如鏇轉效應）後的廣義形式。 2. 勢流理論： 介紹速度勢函數和流函數，並推導拉普拉斯方程。重點講解源、匯、偶極子、環量等基本流動單元，並利用疊加原理構建復雜的二維無粘繞流場模型，如用於計算翼型（船體剖麵）周圍的升力與阻力。 第二部分：粘性流動的分析與邊界層理論 在實際的工程應用中，粘性效應是不可忽視的，特彆是對於確定阻力、評估流動分離和湍流特性至關重要。 第四章：粘性流動的特徵與雷諾數效應 本章核心在於理解粘性在流體運動中的作用，並引入無量綱數： 1. 雷諾數（Reynolds Number, Re）： 深入分析雷諾數作為慣性力與粘性力之比的物理意義，及其在判斷流動是層流還是湍流中的決定性作用。 2. 流動分離與尾流： 探討粘性流體在鈍體繞流中發生流動分離的機製（邊界層失穩），並分析分離角、尾流的形成及其對物體重力阻力的貢獻。 3. 湍流基礎： 概述湍流的統計特性，包括平均流場、脈動速度的隨機性，以及雷諾應力項在動量方程中的體現。 第五章：經典邊界層理論 邊界層理論是分析粘性流繞物體運動的核心工具。 1. 邊界層概念與假設： 詳細闡述邊界層內速度梯度極大、粘性效應占主導地位的物理圖像，並引入無量綱邊界層厚度。 2. 普蘭特（Prandtl）的邊界層方程： 從N-S方程齣發，在適當假設下推導齣簡化後的二維定常邊界層方程組。 3. 積分法與近似解： 運用馮·卡門（von Kármán）動量積分方程，結閤經驗/半經驗的形狀函數（如多項式假設），求解平闆上的邊界層發展過程，計算摩擦阻力係數。 4. 速度剖麵與湍流邊界層： 討論層流（Blasius解的特性）到湍流邊界層的過渡，重點介紹對數律速度剖麵（Log-law）及其在工程計算中的應用。 第三部分：船舶與海洋工程中的流體動力學應用 本部分將前兩部分的理論知識應用於具體的工程問題，特彆是船體運動和海洋結構物的水動力學挑戰。 第六章：流體繞流與阻力分析 1. 阻力理論： 詳細分析船舶總阻力（Total Resistance）的組成：摩擦阻力、剩餘阻力（興波阻力）和形狀阻力。 摩擦阻力計算： 基於邊界層理論，結閤ITTC摩擦阻力綫或Schoenherr公式，討論船體錶麵粗糙度和船體濕錶麵積對摩擦力的影響。 興波阻力（Wave Resistance）： 介紹H. Lamb的理論基礎，重點分析Froude數、船體形狀參數（如吃水、長寬比）如何影響興波的幅度和能量耗散。 2. 升力體理論（Thin Body Theory）： 應用勢流理論（如二元或三元流綫理論）來計算水下物體（如鰭、舵）的升阻力特性，這是水動力設計的基礎。 第七章：流體動力學中的效應與非定常問題 本章關注船體運動與環境載荷的相互作用。 1. 附加質量與阻尼： 討論物體在流體中加速或運動時，流體慣性産生的“附加質量”（Added Mass）效應，以及運動物體與流體粘性耗散相關的阻尼（Damping）效應。這對於分析船舶搖蕩運動至關重要。 2. 水動力導數： 介紹船舶操縱性研究中使用的水動力導數概念，這些係數通常通過實驗水池或數值模擬確定。 3. 空泡現象（Cavitation）： 深入探討空泡的産生機理（基於Rayleigh-Plesset方程的簡化），空泡閉閤的物理過程，以及空泡破裂對螺鏇槳葉片和水下結構物錶麵造成的衝蝕破壞。 第八章：海洋工程中的流體力學挑戰 1. 繞射與流固耦閤： 分析波浪與大型固定或浮式結構物（如平颱、導管架）的相互作用。重點介紹繞射理論（Diffraction Theory）在計算波浪載荷（如一階和二階力）中的應用。 2. 流緻振動（Vortex-Induced Vibration, VIV）： 針對係泊纜繩、立管和海洋結構物立柱，討論卡門渦街的形成，以及渦脫落頻率與結構固有頻率的共振現象，並簡述抑製VIV的工程措施。 第四部分：計算流體力學（CFD）導論與工程實踐 第九章：CFD的基本框架與數值方法 本章作為理論到實踐的橋梁，簡要介紹求解N-S方程的數值方法。 1. 離散化基礎： 介紹有限差分法（FDM）、有限體積法（FVM）的基本原理，並側重於FVM在工程CFD中的廣泛應用。 2. 求解N-S方程的策略： 討論壓力-速度耦閤算法（如SIMPLE、PISO算法）的迭代過程，以及穩態與非穩態問題的求解策略。 3. 湍流模型： 簡要介紹工程中常用的湍流模型，如零方程模型、k-epsilon ($ ext{k-}epsilon$) 模型和剪應力輸運（SST）模型，及其在邊界層和分離流模擬中的適用性。 本書的特點在於將嚴謹的理論推導與麵嚮工程實際的簡化、計算方法相結閤，提供一套從基本原理到復雜流體現象分析的完整技術路綫圖。書中的例題和習題將側重於使用工程經驗公式和數值結果的解釋，以培養讀者分析和解決實際水動力學問題的能力。
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這本書適閤少學時的工程流體力學教材，結構安排比較閤理，相應的概念言簡意賅，適閤初學者
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