Hydrodynamic Fluctuations in Fluids and Fluid Mixtures pdf epub mobi txt 电子书下载 2026

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出版者:Elsevier Science Ltd

作者:Ortiz De Zarate, Jose M./ Sengers, Jan V.

出品人:

页数:320

译者:

出版时间:2006-6

价格:$ 106.16

装帧:Pap

isbn号码:9780444515155

丛书系列:

图书标签:

流体动力学
流体混合物
涨落
统计物理
热力学
输运现象
非平衡态
相变
分子动力学
计算物理

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具体描述

This book deals with density, temperature, velocity and concentration fluctuations in fluids and fluid mixtures. The book first reviews thermal fluctuations in equilibrium fluids on the basis of fluctuating hydrodynamics. It then shows how the method of fluctuating hydrodynamics can be extended to deal with hydrodynamic fluctuations when the system is in a stationary nonequilibrium state. In contrast to equilibrium fluids where the fluctuations are generally short ranged unless the system is close to a critical point, fluctuations in nonequilibrium fluids are always long-ranged encompassing the entire system. The book provides the first comprehensive treatment of fluctuations in fluids and fluid mixtures brought out of equilibrium by the imposition of a temperature and concentration gradient but that are still in a macroscopically quiescent state. By incorporating appropriate boundary conditions in the case of fluid layers, it is shown how fluctuating hydrodynamics affects the fluctuations close to the onset of convection. Experimental techniques of light scattering and shadowgraphy for measuring nonequilibrium fluctuations are elucidated and the experimental results thus far reported in the literature are reviewed. It offers a systematic exposition of fluctuating hydrodynamics and its applications. It is the first book on nonequilibrium fluctuations in fluids. It covers fluctuating Boussinesq equations and nonequilibrium fluids, fluid layers and onset of convection, Rayleigh scattering and Brillouin scattering in fluids, Shadowgraph technique for measuring fluctuations, and Fluctuations near hydrodynamic instabilities.

《湍流边界层中的非定常流动结构与能量耗散机制研究》图书简介本书全面深入地探讨了湍流边界层中复杂且高度非线性的流动结构及其能量耗散过程。研究聚焦于近壁区速度脉动、涡旋动力学以及跨尺度的能量串级，旨在揭示宏观性能（如摩擦阻力）与微观结构之间的内在联系。第一部分：湍流边界层的基本特性与数学描述第一章：湍流的本质与经典理论回顾本章首先回顾了湍流流动的基本统计学特征，包括速度脉动的均方根值、自相关函数和功率谱密度。重点阐述了雷诺平均纳维-斯托克斯（RANS）方程的推导及其在工程应用中的局限性，特别是其对非定常、大尺度结构（如拟序结构）的忽略。随后，引入了涡量输运方程和湍流动能（TKE）输运方程，为后续的精细化分析奠定理论基础。第二章：边界层流动结构的实验观测技术详细介绍了用于解析湍流边界层内部结构的先进实验技术。内容涵盖：粒子图像测速技术（PIV）：侧重于二维和三维速度场的高空间分辨率获取，以及时间序列数据的处理方法。热线风速仪（HWA）与激光多普勒测速仪（LDV）：用于高频、点测速脉动的采集，特别是近壁区高梯度区域的测量。背景/全息噪声测量：用于识别和追踪边界层内的低频大尺度结构（Large-Scale Vortices, LSVs）。同步测量与条件平均技术：如何结合不同传感器数据，对特定事件（如反弹或分离）进行条件统计分析。第三章：湍流模型的发展与局限深入剖析了用于求解RANS方程的湍流模型。重点比较了零方程模型（如 Spalart-Allmaras）、二方程模型（如 $k-epsilon$ 和 $k-omega$ SST）的物理基础及其在不同压力梯度条件下的适用性。本章特别讨论了各向异性湍流模型（如 Reynolds Stress Model, RSM）在处理拐角流和分离流中的优势，并指出了当前模型在预测分离泡和近壁区粘性子层中速度梯度方面的系统性偏差。第二部分：拟序结构与涡旋动力学第四章：近壁区速度脉动与再生周期聚焦于湍流边界层中最活跃的区域——粘性子层和缓冲层。详细分析了速度脉动沿壁法向（$y^+$）的分布规律，特别是横向（$u$）和法向（$w$）脉动之间的相互作用。引入并详细阐述了边界层中的“再生周期”概念，包括小尺度涡的形成、对流、拉伸、以及随后的猝发（bursting）现象。对猝发事件的统计特性、时间尺度和动量输运贡献进行了量化分析。第五章：大尺度与超大尺度涡旋的识别与作用本章探讨了边界层中尺度更大的结构，即LSVs和VLSVs。利用时空滤波技术和本征正交分解（Proper Orthogonal Decomposition, POD）方法，识别出主导动量输运和能量耗散的低频模态。探讨了这些大尺度涡旋如何通过向外和向内输运携带动量，影响整个边界层的速度剖面。特别关注了LSVs与剪切层失稳的耦合机制。第六章：涡量场精细结构与耗散率的局部化从涡量输运的角度深入分析了湍流的耗散机制。研究了标量涡量（Vorticity Magnitude）在边界层中的分布特征，指出在小尺度湍流结构中，耗散率 $epsilon$ 并非均匀分布，而是高度集中于高应变率的区域（如涡核和剪切层边界）。通过数值模拟数据，量化了高斯量测（Kraichnan's dissipation scales）在近壁区的作用，并讨论了各向同性假设在低雷诺数流动中的失效。第三部分：能量串级、阻力产生与流动控制第七章：湍流中的能量传输与耗散路径本章将湍流视为一个多尺度、非平衡的能量系统。详细解析了湍流剪切层中动能是如何从大尺度结构通过非线性项（惯性项）传递到小尺度，最终耗散为热能的过程。采用频率空间和尺度空间分析方法，绘制了能量流向图，并讨论了不同尺度的湍流动能的“寿命”和对宏观性能的贡献权重。第八章：摩擦阻力产生机制的分解与量化将湍流剪切应力 $ au_{xy} = -overline{u'w'}$ 分解为不同尺度结构和不同区域的贡献。通过“分层贡献法”（Layer-wise Contribution Method），精确计算了粘性子层、缓冲层和惯性子层对总摩擦阻力的相对贡献。重点分析了拟序结构如何通过抬升近壁区的横向速度脉动，从而显著增加法向脉动，导致摩擦阻力的增加。第九章：面向减阻的流动控制策略基于对能量耗散与拟序结构的深入理解，本部分提出了几种主动和被动流动控制策略。被动控制：讨论了表面微结构（如肋条、纹理化表面）对近壁区涡旋结构的抑制作用，以及其对边界层发展和阻力变化的影响。主动控制：重点分析了基于反馈机制的流体注入/抽取（Suction/Blowing）技术，旨在削弱或延迟猝发事件的发生。详细讨论了控制输入（吹吸速度）与边界层响应（阻力变化）之间的非线性关系，并提出了最优控制参数的确定方法。结论与展望本书最后总结了当前对湍流边界层非定常结构研究的共识，指出了在超高雷诺数条件下，大尺度结构演化规律的待解难题，并展望了基于机器学习和数据驱动方法在湍流建模和实时控制领域的未来发展方向。本书为流体力学、航空航天工程、以及海洋工程领域的科研人员和高年级学生提供了坚实的理论框架和前沿的实验视角。