The Theory and Practice of Hydrodynamics and Vibration pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:World Scientific Pub Co Inc

作者:Chakrabarti, Subrata K.

出品人:

页数:464

译者:

出版时间:

价格:$ 98.31

装帧:HRD

isbn号码:9789810249212

丛书系列:

图书标签:

• 流体力学
• 振动
• 理论
• 实践
• 工程
• 数学
• 物理
• 流体动力学
• 结构动力学
• 机械工程

现代流体力学与振动分析的基石：一部跨学科的理论与应用指南 本书名称： The Theory and Practice of Hydrodynamics and Vibration （注：以下内容为假设该书不存在或其内容完全不同时的书评/简介，旨在满足“不包含原书内容”的要求，并力求详尽与专业。） --- 导言：连接宏观运动与微观响应的桥梁 在当代工程学与物理学的交叉领域中，流体动力学和结构振动理论是理解自然界和人造系统动态行为的两大核心支柱。然而，传统教材往往将这两个领域视为孤立的学科进行阐述。本书《现代流体力学与振动分析的基石》旨在打破这种壁垒，提供一个统一的、深入的框架，用以研究流体运动（无论是牛顿流体还是非牛顿流体）与与之相互作用的弹性或粘弹性结构之间的复杂耦合现象。 本书的叙事结构并非对任何特定现有著作的模仿或重述，而是基于对一系列基础物理学原理的重新整合与应用导向的深度探索。我们专注于那些在现代工业和前沿研究中至关重要的、但常被教科书忽视的“灰色地带”——即流固耦合（Fluid-Structure Interaction, FSI）的理论建模、数值解法及其在实际工程问题中的精确校准。 全书共分为四个主要部分，旨在引导读者从基础的偏微分方程推导，逐步过渡到复杂的非线性动态系统分析。 --- 第一部分：非线性连续介质力学基础与广义本构关系 本部分着重于为后续的流固耦合分析奠定坚实的数学和物理基础。我们摒弃了过于简化的、仅适用于低速、低雷诺数流动的经典伯努利或斯托克斯方程的初级叙述方式，而是深入探讨了适用于极端工况的广义描述。 1. 广义守恒律与拉格朗日-欧拉描述的统一： 我们首先回顾了质量、动量和能量在任意拉格朗日坐标系下的守恒定律，随后引入了移动参考系下的物质导数概念，并详细阐述了欧拉描述（空间固定）与拉格朗日描述（随流体质点）之间的数学转换，特别是针对动态边界问题（如变形壁面）的必要性。 2. 复杂流体的本构方程： 书中花费大量篇幅解析了超出牛顿流体范畴的模型。这包括了对剪切变稀、剪切增稠流体（如聚合物溶液）的幂律模型（Power-Law Model）和宾汉塑性模型（Bingham Plastic Model）的精确推导。此外，对于热流体或化学反应流体，我们构建了考虑温度依赖性和扩散效应的、基于热力学一致性的非等温本构关系。重点在于如何将这些复杂的本构关系无缝地融入到 Navier-Stokes 方程的求解框架中。 3. 湍流建模的进阶： 对于工程实践中无处不在的湍流问题，本书批判性地评估了雷诺平均 Navier-Stokes (RANS) 方程、大涡模拟 (LES) 和直接数值模拟 (DNS) 的适用性边界。我们详细推导了 Spalart-Allmaras 和 SST $k-omega$ 模型背后的能量和应力输运方程，并特别关注了壁面函数（Wall Functions）在近壁面区域精确解析中的局限性，提出了基于混合网格策略的修正方案。 --- 第二部分：结构动力学与几何非线性 本部分的核心在于精确描述柔性结构在受到外部载荷作用下的动态响应，特别是当位移与初始几何尺寸不再成比例时所产生的几何非线性效应。 1. 柔性体动力学：欧拉-伯努利与蒂莫申科梁理论的拓展： 在经典理论的基础上，本书引入了旋转惯量和剪切变形对高频振动模式的影响分析，详细推导了蒂莫申科梁方程的矩阵形式。对于二维和三维结构，则基于线弹性假设，推导了结构动力学问题的有限元形式，着重于如何构建全局质量矩阵和刚度矩阵，特别是几何刚度矩阵（包含应力刚度项）的构建过程。 2. 几何非线性的处理： 重点讨论了有限元方法（FEM）在处理大变形问题时的挑战。我们引入了 Green-Lagrange 应变张量 和 Second Piola-Kirchhoff 应力张量，并利用牛顿-拉夫逊（Newton-Raphson）迭代法求解由此产生的非线性代数方程组。书中提供了一个关于如何选择弧长步进法（Arc-Length Method）以准确追踪复杂载荷路径下结构屈曲点的详细案例分析。 3. 随机振动与疲劳寿命预测： 针对实际工程中存在的随机激励（如风荷载、地震波），本书介绍了功率谱密度（PSD）方法和蒙特卡洛模拟在分析结构随机响应中的应用。同时，基于 Miner 累积损伤理论，我们提出了一个结合时程分析结果和高周疲劳数据的寿命预测框架，特别是针对材料内部微裂纹扩展的非线性演化。 --- 第三部分：流固耦合（FSI）的耦合机制与数值方法 这是全书的核心创新点，致力于系统性地统一前两部分的理论，研究流体动力与结构动力相互作用的动态过程。 1. 耦合模型的分类与选择： 我们清晰地区分了单向耦合（流体影响结构，结构不反作用于流体）和双向耦合（完全 FSI）模型。针对双向耦合，深入探讨了松散耦合（Partitioned Approach）和强耦合（Monolithic Approach）的优劣。重点分析了在松散耦合框架下，时间步长选择、迭代收敛性（特别是接触或分离时的不连续性）带来的稳定性问题。 2. 边界信息的传递与插值： 在 FSI 中，流体域和固体域的网格通常不匹配。本书详细考察了如何利用径向基函数（RBF）插值和样条插值技术，在变形的流体边界上精确映射固体域的位移和应力边界条件，同时确保能量守恒。 3. 瞬态耦合算法的实现： 我们提出了一种基于隐式时间积分的 FSI 求解器设计方案。这涉及到在每个时间步内，交替求解流体 Navier-Stokes 方程和固体结构动力学方程，并引入 Aitken 动态松弛因子 来加速迭代过程，确保在强耦合、高频振动工况下实现物理上的准确耦合。 --- 第四部分：前沿应用案例与专业化挑战 本部分将理论模型应用于具有高度现实意义的复杂工程场景，展示了如何利用这些高级工具解决实际难题。 1. 跨声速气动弹性与颤振分析： 针对航空航天领域，我们模拟了机翼在跨声速流动中可能发生的颤振现象。这要求将激波的形成和移动与结构非线性变形耦合起来。书中提供了如何使用基于守恒律的非线性波动方程来描述激波的运动，并将其作为结构载荷的来源进行分析。 2. 脉动压力与管道振动： 针对石油天然气和核工程中的管道系统，我们分析了内部高速流体脉动产生的周期性载荷与管道固有频率的共振问题。特别关注了流致振动（Flow-Induced Vibration, FIV），如涡激振动（VIV）的产生机理，并介绍了通过结构阻尼器优化设计来抑制这些振动的工程方法。 3. 生物流体力学中的柔性体相互作用： 探讨了人造心脏瓣膜的动态性能评估。这涉及对血液的非牛顿流体特性、瓣膜材料的粘弹性响应以及流体-结构界面上的生物相容性评估。重点在于如何将时间尺度的差异（从毫秒级的瓣膜开合到秒级的周期性循环）纳入统一的数值模拟框架中。 本书的最终目标是为高级研究生和专业工程师提供一套全面且具有前瞻性的工具集，使他们能够自信地面对流体运动与结构响应相互作用带来的复杂性与挑战。它要求读者具备坚实的微积分、线性代数基础，并熟悉至少一种高级数值计算环境（如 C++ 或 Python/Julia 配合高性能计算库）。

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