Computational Methods for Multiphase Flow pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:

作者:Prosperetti, Andrea/ Tryggvason, Gretar (EDT)

出品人:

页数:488

译者:

出版时间:2009-7

价格:$ 79.10

装帧:

isbn号码:9780521138611

丛书系列:

图书标签:

• Multiphase Flow
• Computational Fluid Dynamics
• Numerical Methods
• Heat Transfer
• Fluid Mechanics
• Modeling
• Simulation
• Engineering
• Chemical Engineering
• Transport Phenomena

流体动力学的奇妙世界：从基本原理到前沿应用 本书并非一本关于“多相流计算方法”的书籍，而是致力于深入探索流体动力学这一迷人领域的方方面面，从其最基础的原理出发，逐步引导读者认识复杂的流体行为，并最终触及当今科技前沿的各种实际应用。我们将一起揭开流体运动的神秘面纱，理解那些看似随意的流动背后所蕴含的深刻物理定律，并学习如何运用数学工具来精确地描述和预测这些现象。 第一部分：流体动力学之基石 本部分将为读者打下坚实的理论基础，如同建造一座宏伟建筑，地基的稳固至关重要。我们将从流体最基本的概念讲起，例如什么是流体，以及它与固体和气体的根本区别。我们会探讨流体的宏观性质，如密度、粘度、压力和表面张力，理解它们如何影响流体的行为。 流体的基本概念： 我们将深入剖析流体这一物质形态的独特性质，理解其在微观层面上的分子运动如何宏观地表现为连续介质的特性。我们将区分牛顿流体和非牛顿流体，并解释粘度的概念，它是流体抵抗变形的能力，对于理解流体流动中的能量耗散至关重要。 守恒定律的启示： 流体动力学的核心是物质、动量和能量的守恒。我们将详细阐述这些基本守恒定律，并以直观的方式呈现它们在流体系统中的体现。 质量守恒（连续性方程）： 这一定律告诉我们，在任何封闭系统中，物质既不会凭空产生，也不会凭空消失。在流体流动中，这意味着进入某个区域的流体质量必须等于离开该区域的流体质量，或者该区域内流体质量的变化率。我们将通过简单的例子，如管道中的水流，来理解连续性方程如何描述流速与截面积之间的关系。 动量守恒（Navier-Stokes方程）： 这是流体动力学中最核心、也最具挑战性的方程组。Navier-Stokes方程描述了作用在流体上的各种力（如压力梯度、粘性力和外力）如何改变流体的动量，从而决定其运动状态。我们将从牛顿第二定律出发，逐步推导出Navier-Stokes方程，并介绍其在描述各种流体现象中的重要性。虽然方程本身可能看起来复杂，但我们将专注于理解其物理意义，即力的平衡决定了速度的变化。 能量守恒（热力学第一定律）： 在考虑流体流动中的热量传递和功的情况下，能量守恒定律同样适用。我们将探讨流体中的热传导、对流和辐射，以及流体做功对内能的影响，理解这些过程如何共同影响流体的能量状态。 流体的分类与流动模式： 流体流动并非千篇一律，存在着多种多样的模式。我们将介绍不同类型的流动，例如： 层流与湍流： 层流是一种平滑、有序的流动，流体粒子沿着平行的路径运动，而湍流则是一种混乱、无序的流动，伴随着大量的涡旋和混合。我们将讨论区分这两种流动的重要参数——雷诺数，并阐述湍流的复杂性和研究的挑战性。 不可压缩流与可压缩流： 对于密度变化不显著的流体，我们将其视为不可压缩流，这大大简化了分析。而当流体速度接近声速或密度变化显著时，则需要考虑可压缩性，这在航空航天等领域至关重要。 稳态流与非稳态流： 稳态流是指流体属性（如速度、压力）在空间上是变化的，但在时间上不随时间变化。而非稳态流则在时间和空间上都可能变化，研究起来更为复杂。 伯努利方程的直观解释： 伯努利方程是能量守恒原理在理想流体（无粘性、不可压缩、稳态）流动中的一个重要简化形式。我们将通过直观的例子，如解释为什么飞机翅膀能够产生升力，来展示伯努利方程在描述流体动能、势能和压力之间的能量转换方面的强大作用。 第二部分：解析流体行为的数学工具 流体动力学的理论虽然深刻，但若没有强大的数学工具来支撑，将难以应用于实际问题。本部分将介绍流体分析中常用的数学方法，帮助读者理解如何将抽象的物理概念转化为可计算的模型。 微分方程的威力： 如同物理学的其他分支，微分方程是描述流体行为的语言。我们将介绍偏微分方程在流体动力学中的应用，特别是Navier-Stokes方程的数学形式，并解释如何通过求解这些方程来预测流体的运动。 向量微积分的应用： 向量微积分在描述流体中的速度场、压力场以及力的分布方面发挥着至关重要的作用。我们将介绍散度、旋度和梯度等概念，并展示它们如何用于分析流体的收缩、旋转以及压力变化。 数值方法的兴起： 尽管解析解在某些简单情况下可行，但对于大多数实际的复杂流体问题，数值方法是唯一的选择。我们将介绍数值计算的基本思想，以及它如何在计算机上模拟流体流动。 有限差分法： 这种方法通过将连续的求解域离散化为网格，然后用差分方程来近似微分方程，从而实现数值求解。我们将探讨其基本原理和应用。 有限体积法： 另一种重要的数值方法，它基于对守恒律在离散控制体积上的积分形式进行求解，特别适用于处理具有复杂边界和激波的流动问题。 有限元法： 这种方法将求解域划分为一系列有限的单元，并在每个单元上使用多项式函数来近似解，适用于处理复杂的几何形状。 计算流体动力学（CFD）概述： 我们将对CFD这一强大的工程工具进行全面的介绍，包括其工作流程、常用软件以及在各个领域的广泛应用。我们将理解CFD如何将物理模型转化为计算模型，并通过数值模拟来获得流体流动的可视化结果和定量数据。 第三部分：流体动力学在前沿领域的应用 理论和工具的学习最终是为了解决实际问题。本部分将展示流体动力学如何渗透到科学和工程的各个领域，驱动着技术进步和创新。 航空航天工程： 飞机、火箭和航天器的设计都离不开对空气动力学的精确理解。我们将探讨如何利用流体动力学原理来设计更高效的机翼、减小空气阻力，以及模拟超音速和高超音速飞行中的复杂气流现象。 汽车工程： 汽车的燃油经济性、稳定性和安全性都与空气动力学密切相关。我们将分析汽车外形设计如何影响空气阻力，以及如何通过优化气流来改善车辆的性能。 能源与环境： 风力发电： 风力涡轮机的设计和优化，以及风能资源的评估，都依赖于对风流动的深刻理解。 水力发电： 大坝、水轮机以及水流的控制，都涉及复杂的流体动力学问题。 气候模拟与天气预报： 大气和海洋的流动是天气模式和气候变化的基础，流体动力学模型是这些预测的核心。 污染物扩散： 了解污染物在空气和水中的扩散方式，对于环境保护和风险评估至关重要。 生物医学工程： 血液流动： 心血管疾病的诊断和治疗，以及人工器官的设计，都需要对血液在血管中的流动进行模拟和分析。 呼吸系统： 气体在肺部的交换，以及呼吸机的设计，都涉及到流体动力学。 药物输送： 药物如何在体内扩散和被吸收，也可以通过流体动力学模型来研究。 制造与材料科学： 熔融金属流动： 金属铸造和焊接过程中的熔融金属流动行为，直接影响产品的质量。 微流控技术： 在微观尺度上操纵流体，在生物技术、化学分析和新材料制造等领域具有广泛的应用。 海洋工程与环境： 船舶设计： 优化船舶的形状以减小水阻，提高航行效率。 海洋环流模拟： 理解海洋的洋流模式，对预测气候变化和管理海洋资源至关重要。 波浪与潮汐： 研究波浪的产生、传播和海岸侵蚀，以及潮汐的能量利用。 计算科学与工程的未来： 随着计算能力的不断提升，流体动力学模拟正变得越来越精细和复杂。我们将展望未来，探讨高性能计算、人工智能和机器学习在推动流体动力学研究中的潜力。 通过本书的学习，读者将能够建立起对流体动力学世界的全面认识，理解流体运动的内在规律，掌握分析和解决流体问题的基本方法，并深刻体会流体动力学在推动现代科技进步中的关键作用。这本书旨在激发读者对这个充满活力的领域的兴趣，并为其进一步深入研究打下坚实的基础。

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