Ocean Waves and Oscillating Systems pdf epub mobi txt 电子书下载 2026

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出版者:

作者:Falnes, Johannes

出品人:

页数:288

译者:

出版时间:2005-7

价格:$ 68.93

装帧:

isbn号码:9780521017497

丛书系列:

图书标签:

海洋波浪
振荡系统
流体力学
数学物理
波动理论
非线性动力学
海洋工程
物理海洋学
数值模拟
工程数学

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具体描述

This 2002 book examines the interaction between ocean waves and oscillating systems. With a focus on linear analysis of low-amplitude waves, the text is designed to convey a thorough understanding of wave interactions. Topics covered include the background mathematics of oscillations, gravity waves on water, the dynamics of wave-body interactions, and the absorption of wave energy by oscillating bodies. Linear algebra, complex numbers, differential equations, and Fourier transformation are utilized as bases for the analysis, and each chapter ends with problems. While the book's focus is on linear theory, the practical application of energy storage and transport is interwoven throughout. This book will be appropriate for those with backgrounds in elementary fluid dynamics or hydrodynamics and mathematical analysis. Graduate students and researchers will find it an excellent source of wave energy theory and application.

深海回响：复杂流体动力学在海洋工程中的前沿探索本书旨在为海洋工程、流体力学、地球物理学以及相关交叉学科的研究人员和高级学生提供一个全面而深入的视角，聚焦于现代海洋环境中复杂流体动力学现象的理论建模、数值模拟及实验验证。本书内容聚焦于非线性波浪作用下的结构响应、海洋湍流的尺度效应、多相流在深海环境中的输运机制，以及耦合流体-结构相互作用（FSI）在海洋系统设计中的应用。第一部分：非线性表面波动力学与结构耦合本部分深入探讨了在真实海况下，表面重力波和开尔文尾迹等经典波动现象的非线性演化及其对海上固定和浮动结构的影响。我们摈弃了传统的线性斯托克斯理论的局限性，转而采用更精细的势流理论框架，如高阶纳维-斯托克斯（HNS）方程的简化形式，以及基于混沌理论和相空间分析的非线性演化模型。第一章：高阶波浪场与不规则波谱的表征详细阐述了从经典的布雷特施耐德（Bretschneider）谱到更适用于极端海况的JONSWAP谱及非高斯谱模型的构建。重点分析了峰值因子（Peak Enhancement Factor）对波浪非线性度的影响，并引入了包络孤子理论来描述局部极端波浪（如“怪物波”）的形成与消散机制。通过对比傅里叶级数展开与希尔伯特-黄变换（HHT）在捕捉瞬态非线性特征上的优劣，为实际数据处理提供了理论基础。第二章：结构物与非线性波浪的相互作用本章核心在于精确计算作用在海洋平台、系泊系统以及水下管道上的非线性惯性力和动量通量。详细推导了基于欧拉-拉格朗日（E-L）耦合方法计算绕流体动力载荷的数值方案，特别关注于高频冲击载荷（Slamming）的精确预测。针对浮式结构，引入了状态空间模型，结合了频域分析与时域响应，以准确评估在随机非线性海况下，结构的运动自由度（DoF）与波浪能量之间的能量传递路径。第二部分：海洋边界层与湍流输运机制海洋工程中的许多关键问题，如污染物扩散、泥沙输运和水下声学传播，都受到水体内部湍流结构的深刻影响。本部分侧重于湍流建模的复杂性，特别是在存在强梯度（如温跃层或盐跃层）时的局地特性。第三章：近壁面湍流的尺度依赖性深入研究了在大型水下结构物（如钻井立柱、海底管道）附近产生的湍流边界层。不同于大气或简单管道流，海洋边界层受到科里奥利力的显著影响，并常伴有浮力影响（Boussinesq近似）。本章详细介绍了大涡模拟（LES）在捕捉海洋结构物周围的尾流漩涡结构中的应用，并对比了对亚网格尺度的修正模型（如WALE模型与动态Smagorinsky模型）在预测壁面剪切应力方面的表现。第四章：泥沙输运与底部摩擦动力学本章将流体力学与固体力学相结合，分析了波浪作用下，近底泥沙的启动、悬移与沉积过程。重点讨论了起动应力准则（Shields Diagram的修正版本）在非均匀底质上的适用性，并引入了颗粒流体耦合（DPC）模型，通过考虑颗粒间的碰撞与摩擦，模拟高浓度悬沙流的非牛顿特性。对弯曲管道内泥沙的输运效率衰减进行了案例分析。第三部分：耦合系统建模与前沿数值技术本部分面向海洋工程的前沿挑战，探讨如何利用先进的计算方法处理高度耦合的物理系统，特别是涉及流体与柔性体相互作用以及多相流体的复杂性。第五章：流固耦合（FSI）在柔性结构中的应用针对深海柔性立柱、系泊缆绳及水下机器人等，本章系统梳理了单向、双向及完全耦合的FSI建模策略。详细介绍了流体求解器（如基于有限体积法的Navier-Stokes求解器）与结构求解器（如基于有限元的梁单元或壳单元）之间的数据传递与迭代策略。重点分析了涡致振动（VIV）现象在缆绳或立柱上的非线性放大效应，并提出了通过改变结构阻尼来抑制共振的控制方法。第六章：深海多相流与热力学效应本章关注深海热液喷口（Hydrothermal Vents）及深海油气开采中遇到的复杂多相流问题，如气液两相流在深高压环境下的泡核生成与演化。引入了相场法（Phase-Field Method）和格子玻尔兹曼方法（Lattice Boltzmann Method, LBM）来模拟气泡和液滴的动态界面演化，这对于评估深海封隔器的可靠性至关重要。同时，探讨了由于温盐度变化导致的流体密度梯度对垂直水体分层和混合过程的调控作用。结论与展望本书通过详实的数学推导、详尽的数值方法介绍和对工程应用的深入剖析，力求构建一个连接基础理论与工程实践的桥梁。未来的研究方向将聚焦于如何将量子力学效应（如分子动力学对粘附力的影响）融入宏观流体模型，以及如何利用机器学习（ML）技术来加速复杂非线性系统的迭代求解过程，从而实现更高效、更可靠的海洋工程设计与运行优化。