Mathematical Theory of Compressible Fluid Flow pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:Dover Publications

作者:Richard von Mises

出品人:

页数:544

译者:

出版时间:2004-11-10

价格:USD 29.95

装帧:Paperback

isbn号码:9780486439419

丛书系列:

图书标签:

• 流体力学
• 可压缩流
• 数学理论
• 气体动力学
• 偏微分方程
• 数值方法
• 传热
• 边界层
• 航空航天
• 物理学

流体力学前沿：现代湍流建模与数值模拟 图书简介 本书深入探讨了湍流流动的复杂性，聚焦于当前流体力学研究中最具挑战性的领域之一：湍流现象的精确建模与高效数值求解。全书结构严谨，内容涵盖了从基础理论到前沿应用的广泛范围，旨在为研究生、高级本科生以及工业界研究人员提供一个全面且深入的参考。 第一部分：湍流基础与统计描述 本部分首先回顾了层流到湍流过渡的经典理论，重点剖析了湍流的统计特性。我们详细阐述了雷诺时均化（RANS）方法的理论基础、优点及其固有的局限性。书中不仅涵盖了标准的 $k-epsilon$ 和 $k-omega$ 模型，还对更高级的二阶矩（Two-Moment Closure）模型，如 Reynolds Stress Model (RSM)，进行了深入的分析和比较。特别地，我们探讨了湍流的各向异性和非平衡效应，并引入了用于描述分离流和再附着现象的特定修正因子。 统计描述部分着重于湍流脉动的概率分布和相关性分析。我们引入了湍流能量级串理论（Kolmogorov的 $5/3$ 谱律）作为理解惯性子区的关键工具。此外，本书还引入了最新的瞬态统计量分析技术，如条件平均马尔可夫过程（C-MMP）在识别湍流脉动结构中的应用。 第二部分：大涡模拟（LES）的理论框架与实践 大涡模拟作为连接RANS和直接数值模拟（DNS）的桥梁，在本书记载了其系统的发展和应用。我们详细构建了 LES 的理论框架，重点分析了亚格子尺度（Subgrid-Scale, SGS）模型的演变历程。从最基础的体积平均和Leonard应力分解出发，本书深入讲解了 Smagorinsky 模型、动态 Smagorinsky 模型，以及近年来在复杂几何流动中表现出色的混合模型（Hybrid Models）。 对于高度非均匀流场，特别是涉及化学反应或多相流的流动，SGS 模型的选择至关重要。本章专门辟出章节讨论了基于局部流场特征的、非依赖于特定几何形状的“局域应力模型”（Local Stress Model, LSM）的推导过程及其在边界层近壁区的修正策略。此外，我们也探讨了如何通过信息论的视角来评估不同 SGS 模型对湍流信息损失的敏感性。 第三部分：直接数值模拟（DNS）的挑战与进展 直接数值模拟是验证和发展更低阶模型的黄金标准。本书清晰地阐述了进行高雷诺数 DNS 所面临的主要计算挑战，包括对计算网格分辨率、时间步长控制的极端要求。我们详细分析了高效并行计算（HPC）架构，如 GPU 和众核处理器，如何应用于求解三维非定常 Navier-Stokes 方程。 在方法论上，本书侧重于高精度有限差分和谱方法在处理对流项和耗散项时的优劣。特别地，对于处理复杂边界条件（如移动壁面或弹性边界），我们介绍了浸入边界法（Immersed Boundary Method, IBM）及其在处理固液界面时的最新改进，包括对界面动量守恒的严格保证。 第四部分：先进的数值求解技术与耦合方法 现代流体力学模拟的瓶颈往往在于求解器本身的效率和稳定性。本部分聚焦于求解 Navier-Stokes 方程的先进数值技术。我们对基于压力的耦合求解算法进行了详尽的比较，包括 SIMPLE、PISO 及其在非正交网格系统中的变体。 对于涉及复杂流固耦合（FSI）或热力学效应的问题，本书介绍了先进的求解策略。在FSI方面，我们重点介绍了浸入式边界法（IBM）与结构动力学求解器的迭代耦合流程，并探讨了保证界面光滑度和能量守恒的关键性技术。在燃烧和传热问题中，我们讨论了基于特征线（Method of Characteristics）与有限体积法的混合求解策略，以有效处理高马赫数流动中的激波与化学反应的相互作用。 第五部分：特定物理现象的建模扩展 本章将理论应用于几个当前研究热点。 A. 可压缩湍流与激波-湍流相互作用： 我们分析了激波界面对湍流脉动的影响，引入了适用于高马赫数流动的压缩性修正因子，并讨论了激波后湍流的快速衰减机制。 B. 多相流与界面追踪： 针对液滴、气泡或颗粒的湍流输运问题，我们对比了欧拉-欧拉（Euler-Euler）、欧拉-拉格朗日（Euler-Lagrange）和水平集法（Level Set Method）及相场法（Phase-Field Method）在捕捉复杂界面演化方面的适用性，重点讨论了湍流对相界面破碎和聚结过程的影响。 C. 边界层转捩与低秩模型： 鉴于全尺度模拟的成本高昂，本部分介绍了预测转捩点的工程方法，包括线性稳定性分析（LSA）和伴随方法（Adjoint Methods）。此外，我们还探讨了使用降阶模型（Reduced-Order Models, ROMs）来快速预测动态响应的最新进展，特别是基于本征正交分解（POD）的湍流模态分析。 结语 本书的叙事线索围绕“从平均到瞬态，从理论到计算”展开，旨在为读者构建一个坚实的、面向实际工程问题的湍流理论与计算的知识体系。书中所包含的理论深度和计算细节，确保了其作为流体力学领域高级参考资料的价值。

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这本书在内容组织上的匠心独运，体现在它对不同尺度和不同物理效应的处理上。它巧妙地在纯数学模型和实际工程应用之间架起了一座坚实的桥梁。举个例子，当讲解湍流模型在可压缩流动中的应用时，作者没有止步于雷诺平均纳维-斯托克斯（RANS）方程的建立，而是深入探讨了湍流模型本身的内在矛盾和其对激波/湍流相互作用模拟的偏差。这种批判性的视角非常宝贵，它提醒读者，任何模型都只是对现实的近似，关键在于理解其适用范围和局限性。此外，书中对高维问题的处理也值得称道，特别是涉及到三维复杂几何外形时的数值格式选择，作者不仅列举了有限体积法，还比较了谱方法在某些特定光滑问题中的优势。这种对理论和实践两方面的兼顾，使得这本书既能满足理论物理学家的严格要求，也能为航空航天工程师提供实用的建模参考。

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阅读过程中，我发现作者对历史脉络的梳理也极为精到。他总能在关键的数学概念或物理模型出现时，简要回顾其发展历程和提出者的贡献，这使得整个阅读体验变得非常立体和有人情味。例如，在讨论等温或绝热流体模型时，作者提及了早年科学家在实际弹道实验中对气体性质的初步认知，将冷冰冰的偏微分方程与早期实验先驱们的探索紧密联系起来。这种对“人”和“历史”的关注，让原本可能显得枯燥的理论推导过程增添了一种探索的乐趣。此外，书中对“非理想效应”的处理也相当成熟，比如热物性质的变异（如温度依赖的粘度和导热系数）对跨音速流场的影响，这些细节往往是入门书籍所忽略的，但却是真实世界中不可或缺的因素。这本书真正做到了百科全书式的全面性，同时又保持着高度的学术品味。

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这本关于可压缩流体动力学的著作，从一开始就展现出一种严谨而宏大的学术气魄。书本的开篇部分，作者并没有急于深入复杂的方程推导，而是花了大量的篇幅来构建一个坚实的基础理论框架。我尤其欣赏作者对于“流体元”概念的阐述，那种将宏观现象层层分解到微观粒子运动的细腻过程，让人仿佛置身于一个由无数高速粒子构成的漩涡之中，清晰地感受到压力、密度和速度是如何相互制约、共同演化的。随后，对基本守恒律——质量、动量和能量——的引入，并非简单地罗列公式，而是结合了实际的物理情境，例如超音速激波的形成，用非常直观的方式解释了这些抽象数学表达背后的物理意义。这种由浅入深、逻辑层层递进的编排方式，极大地降低了初学者进入这个高深领域的门槛，同时也为资深研究者提供了重新审视基本原理的宝贵机会。对于任何想要深入理解空气动力学或高超音速物理的人来说，这本书的前几章无疑是不可多得的入门指南和参考手册。

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我对这本书的数学处理部分印象最为深刻，它简直就是一本“将工程直觉转化为纯粹数学语言”的典范之作。作者在处理非线性偏微分方程组时，展现出了一种令人敬畏的数学功底。例如，在讨论等熵流动的特性时，书中详细推导了特征线理论（Method of Characteristics）在线性化处理上的局限性，并优雅地转向了黎曼不变性理论。这种对工具选择的深刻洞察力，远超一般教科书的泛泛而谈。更让我着迷的是，当涉及到激波结构和边界层分离时，作者并未满足于稳态近似，而是引入了复杂的非线性稳定性分析工具，比如对小扰动的线性稳定性分析，并巧妙地运用了对比度函数来量化流动失稳的临界条件。阅读这些章节，需要极大的专注力，但每攻克一个复杂的积分或证明一个关键不等式，都能带来一种智力上的巨大满足感。这本书的深度和广度，使其在同行中独树一帜，绝非轻松的读物，而是需要持续投入精力的学术耕耘。

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这本书的排版和图表质量达到了极高的水准，这对于一本内容如此密集的专业书籍来说至关重要。清晰的图示是理解复杂流动现象的关键辅助工具，而本书在这方面做得非常出色。特别是关于马赫波的扩散路径图和复杂激波结构的三维可视化图谱，线条锐利，标签明确，即便是那些在二维平面上难以想象的物理过程，也能通过这些精美的插图得到很好的解释。更重要的是，书中的数学符号系统高度一致且规范，这极大地减少了在阅读过程中因符号混淆而产生的挫败感。作者似乎对读者的阅读体验有着深刻的共情，使得我们能够更专注于物理和数学的本质，而不是纠结于查找符号定义。总而言之，这是一部集严谨性、深度和易读性（在专业范畴内）于一体的杰作，它不仅仅是一本教材，更像是一部指导未来研究方向的里程碑式著作。

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