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出版者:Prentice Hall

作者:Keith, Theo G./ Keith, T. G.

出品人:

頁數:688

译者:

出版時間:2006-1

價格:$ 223.74

裝幀:HRD

isbn號碼:9780131206687

叢書系列:

圖書標籤:

• 氣體動力學
• 流體力學
• 可壓縮流
• 超音速流動
• 激波
• 燃燒
• 傳熱
• 航空航天
• 工程
• 物理

氣體動力學基礎：從稀薄氣體到湍流現象的深入探索 本書簡介 本書旨在為讀者提供一個全麵而深入的、關於氣體動力學的綜閤性概述，內容涵蓋瞭從基本理論到前沿應用的廣泛領域。我們將氣體視為連續介質和分子集閤體，通過嚴謹的物理原理和數學框架，剖析其在不同速度、溫度和密度條件下的復雜行為。本書的敘述結構清晰，邏輯嚴密，力求在保持學術深度的同時，兼顧工程實踐中的可讀性與應用性。 第一部分：氣體的基本性質與連續介質假設 本部分將奠定氣體動力學研究的理論基礎。我們首先從微觀角度審視氣體的分子運動論（Kinetic Theory of Gases），討論氣體分子的基本統計分布（如麥剋斯韋-玻爾茲曼分布），並引入平均自由程、碰撞頻率等關鍵概念。通過對分子間相互作用的分析，我們推導齣宏觀氣體性質的統計力學基礎。 隨後，我們將重點討論連續介質假設（Continuum Hypothesis）的適用範圍和重要性。在大多數工程和物理問題中，氣體可以被視為具有連續性質的介質。本章將介紹描述氣體狀態的基本熱力學量，如密度、壓力、溫度和比容，並闡述它們如何通過狀態方程（如理想氣體方程）相互關聯。我們將詳細討論熱力學第一定律在流動係統中的應用，包括焓和內能的概念，以及等熵、等溫、定容和定壓過程的熱力學分析。 第二部分：低速流動與可壓縮性的引入 本部分開始過渡到動力學分析，重點關注速度對氣體行為的影響。我們從最基礎的納維-斯托剋斯方程（Navier-Stokes Equations）入手，這是描述粘性流體運動的基本守恒定律組。本書將詳細推導並簡化這些方程，特彆是對於牛頓流體（Newtonian Fluid）的粘性應力張量。 在低速流動（通常指馬赫數 $Ma ll 1$）下，氣體的可壓縮效應可以忽略不計，此時氣體動力學近似為不可壓縮流體力學。我們將探討伯努利方程（Bernoulli’s Equation）的推導和應用，它描述瞭流綫上速度、壓力和高度之間的關係。此外，我們還將深入分析粘性流動的特徵，包括流綫、跡綫和流跡的概念，以及層流（Laminar Flow）的穩定性和不穩定性。 第三部分：高超音速流動：激波與等熵膨脹 本部分是氣體動力學的核心，專注於可壓縮流動，特彆是當流速接近或超過聲速時齣現的顯著物理現象。 首先，我們將精確分析聲速（Speed of Sound）的定義及其與溫度、分子質量的關係。隨後，我們將引入馬赫數（Mach Number）作為判斷流動類型的關鍵無量綱參數。 核心內容將集中在正激波（Normal Shock Wave）的分析。通過應用質量、動量和能量的守恒定律，我們將推導齣雷諾-休梅剋關係（Rankine-Hugoniot Relations），精確描述激波兩側的壓力、溫度、密度和速度的突變。我們將解釋激波的不可逆性，並探討其對流動能量的耗散作用。 緊接著，本書將詳細介紹等熵流動（Isentropic Flow）。在無粘、無熱交換的理想情況下，流動可以被視為等熵過程。我們將推導齣可壓縮流動的基本關係，包括如何利用管道截麵積的變化（如拉伐爾噴管，De Laval Nozzle）來控製氣流加速至超音速。重點分析瞭滯止狀態（Stagnation State）的概念，這是評估流動性能的關鍵基準點。 第四部分：二維與三維超音速流動現象 氣體動力學在二維和三維空間中的復雜性更高，本書將專門開闢章節來處理這些情況。 斜激波（Oblique Shock Wave）的分析是超音速空氣動力學的基礎。我們將利用矢量分析和幾何關係，推導齣斜激波的偏轉角、馬赫數和壓力比之間的關係，並通過$ heta-eta-Ma$圖（或稱普朗特-邁耶關係圖的衍生應用）來可視化不同偏轉角下的流動行為。 此外，我們將探討膨脹波（Expansion Waves），特彆是普朗特-邁耶（Prandtl-Meyer）膨脹角。這描述瞭氣流繞過凸角時發生的連續、等熵加速過程，是設計超音速翼型和噴管的關鍵工具。 本部分還將介紹稀薄氣體效應（Rarefied Gas Effects）的初步概念，討論當氣體密度低到分子間相互作用不再主導，而分子與壁麵或自身碰撞頻率顯著下降時，連續介質模型失效的邊界——即剋努德森數（Knudsen Number）的意義。 第五部分：湍流與邊界層理論 宏觀流動的實際應用中，湍流（Turbulence）是不可迴避的現象。本章將對湍流進行定性和定量的描述，討論其隨機性、三維性和對流動的強混閤特性。我們將介紹湍流的能量級串模型，並分析其對傳熱和阻力的影響。 邊界層理論（Boundary Layer Theory）是理解粘性流動中速度梯度集中區域的關鍵。我們將從普朗特（Prandtl）的突破性假設齣發，推導普朗特邊界層方程。接著，我們將分析層流邊界層的特性，如拖曳力（Skin Friction Drag）的計算，並引入動量積分法來近似求解復雜情況下的邊界層厚度。 最終，本書將討論湍流邊界層的特徵，包括其更薄的粘性次層和更陡峭的速度剖麵，以及湍流模型（如$k-epsilon$模型）在工程計算中的應用概述，為讀者提供理解復雜流場分離、再附著和高阻力産生機製的理論框架。 通過這五個部分的係統學習，讀者將建立起一個堅實的、覆蓋從分子到宏觀尺度、從低速到高超音速的全麵氣體動力學知識體係。本書的數學推導詳實，並輔以豐富的物理圖像和工程實例，以期培養讀者解決實際空氣動力學和熱力學問題的能力。

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