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出版者:Butterworth-Heinemann

作者:DrJiyuan Tu

出品人:

页数:480

译者:

出版时间:2007-11-9

价格:USD 102.00

装帧:Paperback

isbn号码:9780750685634

丛书系列:

图书标签:

计算流体动力学
CFD
流体力学
数值分析
传热
流体模拟
工程流体力学
有限体积法
湍流
计算方法

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具体描述

A senior level undergraduate and graduate textbook for a wide audience of engineering students taking a first course in CFD or Computer Aided Engineering. Fully course matched, with the most extensive and rigorous pedagogy and features of any book in the field. The first book in the field aimed at CFD users rather than developers .

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《高级流体力学理论与应用》作者：[此处可填写作者姓名或机构] 本书导言：本专著旨在为高等教育阶段的流体力学专业学生、研究人员以及工业界的专业工程师提供一套全面且深入的理论框架与先进的应用技术。本书超越了基础流体力学课程所涵盖的范畴，重点聚焦于高阶非线性现象的数学建模、精确数值求解策略的深入探讨，以及复杂工程问题的实际案例分析。我们坚信，对流体力学深刻的理解，是现代工程科学，尤其是在航空航天、能源、环境科学及生物医学工程等前沿领域取得突破的关键。第一部分：流体力学基础的再审视与深化本部分旨在巩固读者对经典流体力学理论的掌握，并为后续的复杂模型建立打下坚实基础。我们首先回顾了流体运动的守恒定律——质量、动量和能量的微分形式表述，并详细探讨了这些方程在不同参考系下的变换规律，特别是旋转坐标系和加速坐标系下的科里奥利力与离心力的影响。 1.1 粘性流体本构方程的深入分析：详细阐述了牛顿流体和非牛顿流体（如幂律流体、剪切稀化/增稠流体）的本构关系，并推导了广义斯托克斯（Stokes）方程组。讨论了应力张量与速率张量之间的复杂关系，特别关注了在边界层内应力梯度的物理意义。 1.2 经典解析解的局限性与高阶修正：对普朗特（Prandtl）边界层理论进行重新审视，着重分析了其在强压力梯度和逆压梯度情况下的失效机制。引入了薄层近似的更高阶修正项，探讨了如何通过引入三维效应来提高边界层分离预测的精度。对斯托克斯流和雷诺数极小的微尺度流动进行了详细分析。 1.3 湍流的统计描述与经典模型：本章不再停留在平均纳维-斯托克斯（N-S）方程的介绍，而是深入剖析了雷诺应力项的物理本质。详细介绍了湍流的统计特性，包括脉动速度场的自相关函数、能量谱的Kolmogorov假设，以及湍流的各向异性问题。对雷诺平均纳维-斯托克斯（RANS）模型族群进行了系统梳理，重点对比了$k-epsilon$、$k-omega$ 以及 Spalart-Allmaras 模型在处理不同类型流场（如壁面湍流、自由剪切流）时的适用性、参数敏感性及封闭性缺陷。第二部分：非线性动力学与复杂流动现象本部分是本书的核心内容之一，专注于分析在实际工程中普遍存在的、难以通过线性理论精确描述的非线性流动现象。 2.1 涡旋动力学与拓扑学：深入研究了涡管、涡片及其相互作用。引入了更严格的涡量输运方程，探讨了涡量在动量传递中的关键作用。详细分析了涡旋的形成、演化、并合与破碎过程，特别关注了三维流场中涡旋拓扑结构的变化，如涡绳的形成与断裂。 2.2 高速与可压缩流动的先进理论：讨论了激波结构、激波边界层相互作用（SBLI）的非线性机制。对激波袖口（Shock Impingement）的产生条件和对结构的热载荷影响进行了深入的分析。引入了激波捕捉方法（如黎曼求解器）的理论基础，并讨论了等熵流与非等熵流动的判据。 2.3 界面流动与多相流体动力学：专门探讨了两种或多种流体相界面动力学的建模。覆盖了自由表面流、气液两相流（如沸腾与雾化）以及颗粒悬浮流的理论基础。详细介绍了界面演化方程（如水平集方法、VOF方法的基础方程），并分析了表面张力、马兰戈尼效应在微重力环境或小尺度流动中的主导作用。第三部分：高级分析方法与数学工具本部分旨在为读者提供处理复杂流体力学问题的先进分析工具，重点在于问题的精确数学表述和模型降阶技术。 3.1 线性稳定性分析与转捩机制：详细介绍了求解流体方程线性扰动增长率的方法，包括对莫宁（Moening）和奥斯本（Osborne）方程的求解。深入探讨了平面与三维扰动的选择定则（Sauron's Rule），并分析了由非线性过程（如非线性过渡）引发的流动转捩（Transition to Turbulence）的物理机制。 3.2 扰动理论与渐近分析：系统阐述了小参数摄动法（如薄壳近似、微小偏微分）在流体力学中的应用。重点讨论了多尺度分析（Multi-Scale Analysis）在处理具有不同时间或空间尺度的流场耦合问题中的威力，例如在边界层与外流场耦合分析中的应用。 3.3 湍流模型的高级框架：深入探讨了超越RANS的湍流建模策略。详细介绍了大涡模拟（LES）的亚格子尺度（Subgrid Scale, SGS）模型（如Smagorinsky模型、动力学SGS模型）的理论推导和数值实现。简要介绍直接数值模拟（DNS）的计算要求与在基础研究中的地位。第四部分：工程应用与先进数值技术展望本部分将理论与实践相结合，探讨了求解实际工程问题的先进数值方法，并列举了跨学科的应用实例。 4.1 有限体积法（FVM）的深入构建：详细讲解了FVM在守恒律方程求解中的优势，特别是通量重建的精度问题。重点分析了对流项的离散化方案，如迎风格式、中心差分以及高精度迎风格式（如MUSCL方案）的构造与误差分析。 4.2 耦合与解耦求解策略：探讨了求解N-S方程的压力-速度耦合算法，详细分析了SIMPLE族算法（SIMPLE, SIMPLIC, PISO）的迭代收敛机制与效率。讨论了隐式与半隐式方法的选择，以及如何针对特定物理问题（如瞬态模拟）优化时间步长控制。 4.3 复杂几何与网格生成技术：讨论了处理复杂边界的网格生成技术，如非结构化网格的质量判据（如正交性和雅可比行列式分析）。简要介绍了在动网格（Moving Mesh）和变形网格（Deforming Mesh）中保持数值稳定性的技术，如弹簧-阻尼器方法。 4.4 跨学科应用实例分析：通过结构化案例，展示了流体力学在现代工程中的影响，包括：高超声速飞行器气动热分析、反应堆内冷却剂流动模拟、以及微流控芯片中非对称流动的精确预测。本书特色：本书内容深度和广度并重，不仅注重经典理论的严谨性，更强调现代分析工具和数值方法的实用性。通过大量的推导过程和对物理背景的深入阐述，本书旨在培养读者独立分析和解决复杂流动问题的能力，而非仅仅停留在对现有数值软件结果的解读层面。本书适合作为研究生阶段的教材或高阶工程技术人员的参考手册。