Weis-Fogh机构流体力学 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:国防工业出版社

作者:章社生

出品人:

页数:178

译者:

出版时间:2002-1

价格:16.0

装帧:精装

isbn号码:9787118025989

丛书系列:

图书标签:

• 流体力学
• 微流体
• 生物流体力学
• Weis-Fogh机构
• 机构设计
• 流体动力学
• 生物物理学
• 工程应用
• 微尺度流动
• 理论分析

流体动力学前沿：理论与应用探索 本书深入探讨了流体力学这一核心学科的前沿理论与广泛应用，旨在为读者提供一个全面、深入且具有前瞻性的知识框架。不同于传统的流体力学教科书，本书将重点放在近年来取得突破性进展的领域，以及如何利用先进的数学工具和计算方法解决复杂的工程与自然界问题。 第一部分：连续介质基础与本构关系（The Foundations of Continuum Mechanics and Constitutive Relations） 本部分将流体力学的理论根基建立在坚实的连续介质力学之上。我们首先回顾了物质点、位移场、应变率张量以及应力张量的基本概念，强调了它们在描述流体变形与运动中的不可或缺性。 张量分析的现代视角： 我们采用现代微分几何的语言来阐述拉格朗日和欧拉描述的等价性，并详细分析了共变与逆变分量在描述流体物理量时的重要区别。着重讨论了客观性（Objectivity）原则在推导本构方程中的核心作用，确保了物理定律在不同参考系下的普适性。 非牛顿流体的复杂性： 传统的牛顿流体模型仅适用于描述粘性均匀的简单流动。本书将大量篇幅用于解析非牛顿流体的行为。这包括剪切稀化、剪切增稠、粘弹性以及粘塑性流体的模型构建。我们详细考察了诸如幂律流体（Power-Law Fluids）、宾汉塑性体（Bingham Plastics）和卡罗尔-考珀流体（Carreau-Yasuda Fluids）的应力-剪切率关系，并展示了如何将这些复杂的本构方程引入到纳维-斯托克斯方程的修正形式中，以准确模拟聚合物熔体、血液和泥浆等复杂介质的流动。 热力学与不可逆过程： 流体力学与热力学密不可分。本章深入探讨了热力学第二定律在流动系统中的体现，特别是熵产生（Entropy Production）的局部形式。我们研究了非等温流动中的能量方程，并引入了热扩散、粘性耗散以及辐射热传递的耦合项，为处理高超音速流动或涉及相变的系统奠定了理论基础。 第二部分：湍流理论的深入解析（In-Depth Analysis of Turbulence） 湍流是流体力学中最具挑战性的未解之谜之一。本书超越了雷诺平均纳维-斯托克斯（RANS）方程的经典处理，聚焦于湍流结构、先进建模技术及其在实际工程中的影响。 随机过程与统计描述： 我们从概率论和随机过程的角度重新审视湍流脉动。详细介绍了朗之万方程（Langevin Equation）在描述湍流扩散和低雷诺数湍流行为中的应用。阐释了湍流的尺度分离理论，包括柯尔莫戈洛夫的五分之三定律的统计推导及其局限性。 涡旋动力学与涡度输运： 涡旋结构是湍流的核心。本书深入分析了涡旋运动学的理论，包括三维欧拉方程和纳维-斯托克斯方程中涡度输运项的物理意义。特别关注了涡丝（Vortex Filament）理论在二维和三维流动中的应用，以及涡旋相互作用（如涡旋断裂和合并）对动量和能量级串的影响。 高级建模方法： 除了传统的RANS模型（如$k-epsilon$和$k-omega$），本书详细评述了大涡模拟（LES）和直接数值模拟（DNS）的最新进展。我们重点分析了亚格子尺度（Subgrid-Scale, SGS）模型的演变，特别是动态SGS模型的理论框架及其在处理复杂边界层和分离流中的优势与不足。此外，对于需要高精度捕捉瞬态特性的工程问题，我们探讨了混合RANS/LES（DES/IDDES）方法的耦合策略和适用性边界。 第三部分：界面流动与多相系统（Interfacial Flows and Multiphase Systems） 现代工程实践（如喷雾燃烧、两相流反应器、海洋工程）往往涉及不同物质相的相互作用。本部分集中探讨了具有自由表面的流动问题。 界面动力学： 详细分析了毛细管力、表面张力梯度（Marangoni效应）和范德华力在微小尺度流动中的主导作用。我们使用曲率、平均曲率和法向导数来描述液面形态，并利用Young-Laplace方程来平衡压力梯度与表面张力。 气液两相流： 深入研究了气泡动力学和液滴动力学的基本模型。包括气泡的成核、生长、形变与破裂过程。对于分散体系，我们探讨了欧拉-欧拉（Euler-Euler）框架下的相间动量传递模型（拖曳力、升力、虚拟质量力）以及欧拉-拉格朗日（Euler-Lagrange）方法在追踪离散相粒子运动中的优势。特别关注了湍流对相间输运过程的调制效应。 颗粒与固体悬浮液： 研究了高浓度颗粒悬浮液的宏观本构关系，如剪切增稠现象，并讨论了颗粒间碰撞模型（硬球模型与柔性颗粒模型）对整体流动特性的影响。 第四部分：高超声速与稀薄气体动力学（High-Speed and Rarefied Gas Dynamics） 当流动速度接近声速或气体密度极低时，传统的连续介质假设失效，需要引入气体动力学的新视角。 气体动力学基础： 本章从分子运动论出发，推导了玻尔兹曼方程（Boltzmann Equation），并阐明了其在描述非平衡流场中的核心地位。我们解释了Knudsen数（$Kn$）的物理意义及其在划分流动区域（连续、过渡、自由分子流）中的作用。 激波结构与非平衡效应： 对于高超声速流动，激波内部的结构不再是数学上的不连续面，而是由分子碰撞决定的有限厚度区域。我们分析了薄激波理论以及高温气体中的化学反应和电离效应（如空气在高焓状态下的解离）。 稀薄气体流动计算方法： 讨论了直接模拟蒙特卡洛（DSMC）方法，这是一种基于统计抽样的数值技术，用于解决玻尔兹曼方程在复杂几何体和低密度环境（如航天器再入）下的求解问题。 第五部分：数值方法与计算流体力学（Numerical Methods and CFD） 现代流体力学的发展高度依赖于计算能力。本部分聚焦于求解复杂偏微分方程组的数值技术。 离散化技术综述： 详细比较了有限差分法（FDM）、有限体积法（FVM）和有限元法（FEM）在处理守恒律方程时的特性。着重分析了FVM在保持质量和动量守恒方面的固有优势。 高分辨率格式与稳定性： 针对对流项的准确离散化，我们深入探讨了通量限制器（Flux Limiters）和WENO（Weighted Essentially Non-Oscillatory）格式的设计原理，以在捕获激波和薄层结构的同时抑制数值振荡。 求解器架构： 讨论了隐式与显式时间推进方法的选择，以及如何利用代数多重网格（AMG）技术加速求解线性系统的收敛速度，以应对大规模三维湍流模拟带来的计算挑战。 本书旨在为研究生、研究人员和高级工程师提供一个理解和解决复杂流体力学问题的全面工具箱，强调理论的严谨性与实际应用的紧密结合。

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我原本以为这会是一本枯燥的、纯粹的数学公式堆砌之作，但事实证明我大错特错。《Weis-Fogh机构流体力学》在处理实际工程问题时的那种“实用主义”精神，非常接地气。举个例子，书中专门辟出一章来讨论边界层分离的预测与控制策略，它不仅仅停留在普兰德尔方程的解法上，而是紧密结合了翼型设计中的具体案例。作者巧妙地运用了动量积分法和能量积分法，并对这些方法的适用性进行了细致的批判性分析，指出了它们在处理非均匀压力梯度场时的局限性。更令人称道的是，书中对湍流模型的介绍，从雷诺平均纳维-斯托克斯（RANS）到大涡模拟（LES）的过渡，处理得非常平滑，它没有直接丢给读者一大堆参数未知的湍流模型，而是先从湍流的统计特性入手，层层递进，帮助读者理解为什么我们需要这些模型，以及如何选择最适合特定工程场景的模型。这种将理论推导与工程应用无缝连接的处理方式，让学习过程充满了目的性和成就感。

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虽然这本书的理论深度毋庸置疑，但真正让我感到惊喜的是它在历史和哲学层面的挖掘。在讨论流体静力学平衡时，作者并未满足于简单的欧拉方程推导，而是花了些篇幅回顾了阿基米德浮力定律的早期概念是如何被笛卡尔和牛顿的理论所完善的，这为原本枯燥的力学定律增添了一层人文色彩。这种对学科发展脉络的梳理，让读者不仅学会了“如何计算”，更理解了“为何如此发展”。特别是关于“涡旋”这一核心概念的讨论，书中不仅包含了经典的亥姆霍兹定理，还深入探讨了早期科学家如开尔文爵士对涡旋稳定性的痴迷，这使得那些抽象的数学定理立刻鲜活了起来，仿佛能看到一代代科学家是如何在迷雾中摸索真理的。这种将科学史融入技术讲解的叙事方式，极大地提高了阅读的趣味性，让学习不再是单纯的知识灌输，而是一场智力上的探险。

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这本书的排版和符号约定，简直是为有强迫症的读者量身定做的。翻开任何一页，都能感受到编辑团队对细节的极致追求。所有矢量、张量、标量都用清晰一致的字体和标记区分开来，这在阅读涉及高阶张量分析的章节时，极大地减少了阅读疲劳和误解的可能。不像有些老旧的教材，一会儿用粗体，一会儿用黑板粗体，让人眼花缭乱。《Weis-Fogh机构流体力学》在引入新的物理量时，总会给出其在国际单位制（SI）下的标准符号，并在首次出现时附带简短的物理描述。这种细致入微的规范性，使得我可以放心地将它作为工具书在项目过程中随时查阅，而不用担心符号混乱带来的麻烦。例如，它对柯西应力张量和毕奥-萨伐格张量的区别与联系的阐述，就清晰到可以直接作为一篇小综述来使用，对符号的尊重，反映了作者对流体力学这门学科严肃性的深刻理解。

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这本书在处理波动和非均匀流动时的分析方法，尤其是涉及微小扰动理论的部分，展现出了极高的数学技巧和物理洞察力。作者对线性稳定性分析的讲解，从最基础的瑞利-泰勒不稳定性到更复杂的开尔文-亥姆霍兹不稳定性，每一步的特征方程求解都详尽无遗，但又绝不拖泥带水。他非常擅长使用傅里叶分解法来处理边界条件，并清晰地解释了模态分析中“稳定模态”、“中性模态”和“不稳模态”的物理含义。与市面上许多只给出最终结果的教材不同，这本《Weis-Fogh机构流体力学》会详细展示如何通过波速分析来判断扰动的增长趋势，并配有对应的二维和三维的稳定性图谱。对于那些希望深入研究复杂流动控制（比如主动或被动地抑制湍流起始）的工程师或研究人员来说，书中提供的这套完整的分析工具箱，其价值是无可估量的，它提供的不只是答案，而是一套解决未知问题的思维框架。

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这本《Weis-Fogh机构流体力学》着实让我这个理论物理背景的读者眼前一亮，它在讲解流体力学基础概念时，那种深入骨髓的严谨和对物理图像的精妙把握，简直是教科书级别的典范。书中对连续介质假设的探讨，并非草草带过，而是花了大量篇幅去剖析其物理意义和数学近似的边界，这对于我这种习惯于从微观角度审视宏观现象的人来说，极具启发性。特别是关于非牛顿流体在复杂应力张量作用下的本构方程推导部分，作者没有拘泥于最简单的幂律模型，而是引入了更具现实意义的粘弹性模型，并通过详尽的张量分析，展示了这些模型在描述复杂流动（比如高剪切速率下的聚合物熔体流动）时的优劣。清晰的图表配合精妙的数学推导，使得即便是初次接触这些复杂概念的读者，也能循序渐进地建立起坚实的理论框架。它的深度远超一般入门教材，更像是一本为研究生甚至科研人员准备的工具书，其对流体力学基本原理的梳理，堪称教科书级别的艺术品。

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