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出版者:Dover Pubns

作者:Monin, A. S./ Yaglom, A. M./ Lumley, John L. (EDT)

出品人:

页数:896

译者:

出版时间:2007-6

价格:$ 46.27

装帧:Pap

isbn号码:9780486458915

丛书系列:

图书标签:

• 物理
• 流体 mechanics
• 统计力学
• 物理学
• 工程
• turbulence
• 非平衡态
• 相变
• 输运现象
• 数值模拟
• 理论物理

流体力学基础与前沿进展 本书旨在为读者提供一个全面、深入且与时俱进的流体力学知识体系。内容涵盖从经典理论到现代计算方法，旨在培养读者扎实的理论基础、强大的分析能力以及解决复杂工程问题的实践技能。全书结构严谨，逻辑清晰，既可作为高等院校本科生和研究生教材，也可作为工程技术人员和科研人员的重要参考读物。 第一部分：流体力学基本原理 本部分着重于奠定坚实的理论基础，介绍流体力学的基本概念、描述工具和核心定律。 第一章：流体的基本性质与描述 本章首先界定流体的概念，区分牛顿流体和非牛顿流体。详细阐述流体的基本物理性质，如密度、比重、粘度（绝对粘度和运动粘度）以及表面张力。重点讲解流体的静力学，推导静水压力公式，并应用伯努利原理解决静力平衡问题。在流体运动学的描述上，系统介绍拉格朗日描述和欧拉描述，并探讨流场中的重要概念，如流线、迹线和流束。引入流场分析的关键工具——物质导数（随体导数），并将其应用于速度、加速度的计算。 第二章：流体运动的控制方程 本章是全书的理论核心。从流体的微元体出发，严格推导流体运动的三个基本守恒定律的微分形式： 1. 质量守恒方程（连续性方程）： 详细讨论不可压缩流体和可压缩流体的连续性方程，并分析其在不同坐标系下的表达形式。 2. 动量守恒方程（纳维-斯托克斯方程，Navier-Stokes Equations）： 完整推导考虑粘性效应的纳维-斯托克斯方程。分别讨论其在笛卡尔坐标系、圆柱坐标系和球坐标系下的表达，并针对特定的流动机理（如牛顿流体）进行简化。 3. 能量守恒方程： 建立热力学基本关系，推导考虑粘性耗散和热传导的能量方程。讨论等温过程和绝热过程的特殊情况。 本章的难点在于理解张量在流体力学中的应用，如应力张量和应变率张量，以及如何利用这些工具准确描述流体的复杂变形和应力状态。 第三章：流体运动的相似性与量纲分析 本章侧重于工程应用中的简化方法。首先介绍无量纲化在物理问题中的重要性。详细讲解著名的 Buckingham $pi$ 定理，并示范如何利用该定理从复杂的物理方程中提取出关键的无量纲参数。重点分析流体力学中的核心无量纲数，如雷诺数（Reynolds Number, Re）、弗劳德数（Froude Number, Fr）、韦伯数（Weber Number, We）和马赫数（Mach Number, Ma）。讨论这些参数如何揭示流动的物理本质，并指导实验设计和模型缩放。 第二部分：经典流动分析与解析解 本部分将前述控制方程应用于几种具有解析解的经典流动问题，展示理论在具体问题中的应用。 第四章：粘性流动的简化与实例 本章专门处理粘性影响显著的流动。首先探讨边界层理论的提出背景和基本假设。详细分析 Couette 流 和 Poiseuille 流 的精确解析解，理解粘性在近壁面和远壁面区域的不同影响。对圆管内的粘性流动，计算速度剖面、最大速度和平均速度，并应用 Hagen-Poiseuille 定律 解决压降问题。此外，还引入 Stokes 流（低雷诺数流动）的概念，并讨论其在微尺度流体中的意义。 第五章：无粘流动的理论与潜流 本章回到理想流体（粘性为零）的假设，探讨更简洁的分析方法。推导 欧拉方程，并将其与伯努利方程结合。重点介绍 势流理论，包括速度势 $Phi$ 和流函数 $Psi$ 的概念及其在二维流动中的应用。通过 共形映射 技术，求解复杂的边界条件问题，如绕流障碍物的流动。具体实例包括均匀流、偶极子流、源/汇流以及它们叠加形成的复杂流场。 第六章：流体力学中的腐流与旋流 本章专注于流体旋转和涡旋现象的分析。定义涡度 $mathbf{omega}$ 和流线应变率。详细分析 环量定理（克鲁格定理） 和 动量矩守恒原理。探讨 库特流（Kutta Flow） 理论，并将其与 达朗贝尔佯谬 的解决联系起来，为后续的升力分析打下基础。深入分析二维定常环量流动的速度势和流函数。 第三部分：边界层、湍流与可压缩流动 本部分转向工程中更常见、更复杂的流动现象，包括非定常效应和高马赫数效应。 第七章：边界层理论与阻力计算 本章是连接理想流体和实际流体的关键。详细阐述 普朗特边界层分离假设 的物理基础。推导 积分形式的动量方程（卡门方程），并利用 布拉修斯（Blasius） 级数解法求解平板上的层流边界层，计算壁面摩擦阻力。讨论边界层分离现象及其对物体绕流的巨大影响。对于湍流边界层，介绍经验公式和 1/7 幂律速度剖面。 第八章：湍流流动的基础 本章介绍湍流这一高度复杂的非定常流动现象。阐述湍流的统计学特性，如平均速度、脉动速度及其脉动量。引入 雷诺平均纳维-斯托克斯方程（RANS），并讨论 雷诺应力 的物理意义。系统介绍湍流模型的层次结构：从零阶模型（如混合长度理论）到一阶模型（如 $k-epsilon$ 模型和 $k-omega$ 模型），解释这些模型在封闭方程组中的作用。 第四章：可压缩流体的基础 本章聚焦于马赫数大于 0.3 的流动。首先回顾气体动力学的热力学基础，如等熵关系、管道流动中的状态变量变化。核心内容是 等熵流动 和 绝热流，详细推导管道中因摩擦或热量导致的流动变化。重点分析 激波（Shock Waves） 的物理特性，应用 正激波方程（斜冲击波和正激波）进行定量分析。讨论 马赫反射 现象和楔形物体绕流的 相似律。 第四部分：流体力学的高级应用 本部分将理论知识应用于现代工程领域，介绍计算方法和前沿课题。 第十章：流体动力学中的数值方法 本章概述现代流体力学研究的主要工具——计算流体力学（CFD）。介绍求解纳维-斯托克斯方程的主要数值格式，包括有限差分法（FDM）、有限体积法（FVM）和有限元法（FEM）。重点阐述 离散化 过程中的关键挑战，如 对流项的迎风格式、压力-速度耦合算法（SIMPLE 算法） 及其变体。讨论网格生成、求解器的选择和结果后处理的关键步骤。 第十一章：流动可视化与实验技术 介绍用于观测和测量流场的重要实验技术。包括传统的流场示踪方法（如烟雾可视化、染色剂）和现代光学方法，如粒子图像测速（PIV）、激光多普勒测速（LDV）。讨论压力传感器和热电偶在流场参数测量中的应用。强调实验数据与理论模型和数值模拟结果进行对比验证的重要性。 第十二章：多相流与非牛顿流体进阶 扩展对流体范围的认识。介绍多相流（如气液两相流、固体颗粒悬浮）的基本分类（如分离流、混合流）。对于非牛顿流体，深入分析 剪切变稠/稀流体 的本构关系（如幂律模型、Bingham 模型），并讨论其在化工和生物医学工程中的应用，如非牛顿流体的流变学特性。 全书以严谨的数学推导为骨架，结合丰富的工程实例和前沿研究视角，构建了一套完整的流体力学知识体系，确保读者能够全面掌握从基础概念到高级应用的各个层面。

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