Advances in Flow Analysis pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:Wiley-VCH

作者:Trojanowicz, Marek 编

出品人:

页数:702

译者:

出版时间:2008-10-13

价格:USD 372.00

装帧:Hardcover

isbn号码:9783527318308

丛书系列:

图书标签:

• Flow Analysis
• Fluid Dynamics
• Computational Fluid Dynamics
• Numerical Methods
• Engineering
• Mathematics
• Applied Mathematics
• Scientific Computing
• Transport Phenomena
• Heat Transfer

《流体动力学前沿进展》 导言 流体动力学作为一门基础而又充满活力的学科，其研究对象涵盖了从微观尺度的分子间相互作用到宏观尺度的全球气候系统，其重要性贯穿于航空航天、能源、生物医学、环境科学等多个关键领域。近年来，随着计算能力的飞速提升和实验测量技术的革新，流体动力学领域正经历一场深刻的变革。本书《流体动力学前沿进展》旨在系统梳理并深入探讨当前该领域内最具影响力和发展潜力的几个核心方向，为研究人员、工程师及高年级学生提供一个全面而深入的视角。 第一部分：高精度数值模拟与湍流建模 湍流流动是自然界和工程实践中最普遍但也最难精确描述的现象之一。本部分将重点聚焦于近年来在湍流模拟技术上的突破。 章节一：高阶精度数值方法在复杂流动中的应用 传统上，有限体积法（FVM）和有限差分法（FDM）在处理边界层和复杂几何体时的精度存在局限。本章将详细介绍谱方法（Spectral Methods）和谱元法（Spectral Element Methods, SEM）的最新发展。特别是，我们将探讨如何利用高阶精度方法在保持良好稳定性的前提下，显著提高对流动分离、涡旋结构和声波传播等现象的解析能力。讨论将涵盖这些方法在处理非线性对流项时的优化策略，以及如何在非结构化网格上有效实施这些高阶技术，以应对真实工程问题的复杂性。 章节二：混合尺度的湍流模型与大涡模拟（LES）的改进 尽管直接数值模拟（DNS）提供了最详尽的流动信息，但其计算成本使其难以应用于工程尺度。大涡模拟（LES）作为连接DNS和雷诺平均纳维-斯托克斯方程（RANS）的桥梁，其亚格子模型（Subgrid Scale, SGS）的精确性是关键。本章将深入分析新一代的动态SGS模型，例如基于信息论的SGS模型和依赖于局部流动拓扑的混合模型。同时，我们将探讨如何将机器学习技术（如神经网络）集成到SGS建模中，以从高保真DNS数据中学习更普适、更物理准确的亚格子应力参数化方案，从而提升LES在强非线性流动，如冲击波与湍流边界层相互作用中的预测能力。 章节三：可微求解器与数据驱动的物理模型构建 计算流体力学（CFD）正朝着“可微”的方向发展。本章介绍如何构建可微分的流体求解器，这不仅能用于高效的伴随方法计算梯度，更重要的是，它开启了数据驱动模型构建的新范式。我们将探讨如何利用自动微分技术（Automatic Differentiation, AD）来优化传统物理模型中的未知参数，或者直接从实验数据中“学习”出缺失的物理项（如扩散项或源项），实现物理约束下的数据融合。这种方法极大地提高了模型识别和校准的效率。 第二部分：多相流与界面动力学 多相流问题，涉及气液、液固、气固等复杂相互作用，是能源、化工和环境工程中的核心挑战。本部分关注于界面捕捉和相间动量、能量及物质传递的精确模拟。 章节四：界面动力学的先进捕捉技术 精确追踪相界面是多相流模拟的关键。本章将对比和评估相场法（Phase Field Method, PFM）、水平集方法（Level Set Method, LSM）与体积平均法（Volume of Fluid, VOF）的最新进展。我们将特别关注如何解决这些方法在界面曲率计算、相界面演化中的数值震荡或光滑问题。一个重点将放在如何结合局部重构技术来保持界面质量，尤其是在涉及剧烈变形（如液滴破碎与合并）的极端情况下。此外，对于涉及相变的复杂界面，如蒸发和凝结，本章将讨论如何耦合热力学模型以实现更准确的能量交换计算。 章节五：颗粒与悬浮液体的相互作用模拟 在固液或气固多相流中，颗粒的动力学行为至关重要。本章将详细介绍离散相模型（Discrete Phase Model, DPM）的局限性，并重点介绍基于拉格朗日框架的颗粒追踪方法，如颗粒追踪与计算流体力学（Tracing Particles in CFD）的耦合。对于高体积分数系统，欧拉-欧拉（Euler-Euler）框架下的两流体模型（Two-Fluid Model）的改进将是讨论的重点，特别是如何修正相间阻力模型以准确反映颗粒间接触和碰撞效应。针对流化床和浆态床等复杂系统，本章还将涉及格子玻尔兹曼方法（Lattice Boltzmann Method, LBM）在处理颗粒密集堆积情况下的优势。 章节六：界面张力与马兰戈尼效应的精确计算 在微重力环境、微流控或化工反应器中，界面张力驱动的流动（如马兰戈尼流）起着决定性作用。本章探讨了如何从分子尺度信息（如分子动力学模拟的输出）推导出宏观尺度的非恒定界面张力模型。此外，对于涉及表面活性剂或污染物导致的动态马兰戈尼效应，我们将介绍如何在其输运方程中耦合表面活性剂的对流、扩散和反应动力学，以全面预测其对界面剪切应力的影响。 第三部分：跨尺度流动现象与前沿应用 本部分将目光投向那些需要结合不同物理尺度或面向新兴技术领域的流体力学问题。 章节七：稀薄气体动力学与分子模拟的结合 在极高或极低压力环境下（如航天器再入、微机电系统中的气流），传统的连续介质假设失效。本章将深入探讨稀薄气体动力学的建模，重点介绍直接模拟蒙特卡洛法（DSMC）在处理非平衡效应时的最新优化，特别是针对强耦合化学反应和高能粒子碰撞的改进。同时，我们将讨论如何利用分子动力学（MD）模拟来确定气体与固体表面的粘附系数和反射边界条件，并将这些信息反馈给DSMC模型，实现更可靠的跨尺度耦合。 章节八：反应流与燃烧的精细化模拟 化学反应和流动场的耦合是燃烧科学的核心。本章侧重于如何克服在宽化学反应速率尺度差异（从微秒级的自由基反应到毫秒级的燃料氧化）下的数值挑战。我们将探讨基于化学本构（Skeletal Mechanisms）的降阶模型如何在高保真度下降低计算负荷，以及如何有效地将反应动力学与湍流燃烧模型（如火焰面模型FGM）相结合。对于非均相燃烧，如催化反应器，本章还将介绍如何耦合多孔介质模型和表面反应动力学。 章节九：生物流体动力学中的柔性边界与物质传递 生物系统中的流动往往涉及流体与可变形固体的复杂相互作用（Fluid-Structure Interaction, FSI）。本章将聚焦于血液动力学和呼吸道中的气流。我们将讨论如何利用全耦合的FSI框架，特别是基于网格重构的ALE（Arbitrary Lagrangian-Eulerian）方法或浸入式边界法（Immersed Boundary Method, IBM）来精确模拟心室搏动、动脉壁弹性变形以及气道壁的受力响应。在微观层面，本章还将探讨血小板、红细胞等生物颗粒在剪切流场中的聚集和输运机制。 结语 《流体动力学前沿进展》旨在描绘出当前流体力学研究的全景图景，重点突出那些正在快速发展、对工程实践具有颠覆性潜力的交叉学科方向。本书内容强调了计算、实验与理论的深度融合，激励读者在前沿技术和复杂系统的深入理解上持续探索。

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