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出版者:Springer

作者:Matt Young

出品人:

页数:498

译者:

出版时间:2000-10-13

价格:USD 74.95

装帧:Hardcover

isbn号码:9783540657415

丛书系列:

图书标签:

• 物理
• 光学
• 激光
• 光子学
• 光学工程
• 物理学
• 量子光学
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• 传感器

现代流体力学与湍流理论导论 一、 绪论：流体动力学的基石与挑战 本书旨在为读者提供一个全面而深入的现代流体力学和湍流理论的导论。流体力学作为物理学的一个重要分支，研究流体（液体和气体）的运动及其与周围介质的相互作用。它不仅是工程科学（航空航天、土木、机械、化学工程）的理论基础，也深刻影响着地球科学、环境科学乃至生物物理学等前沿领域。 本书将从最基本的概念出发，系统地构建起连续介质力学的数学框架，并逐步深入到复杂现象的理论和计算建模。我们将着重强调从微观分子运动到宏观连续介质行为的过渡，以及描述流体运动所必需的偏微分方程组的物理意义和数学特性。 1.1 连续介质假设与基本概念 在引入复杂的运动方程之前，我们首先探讨流体力学得以建立的连续介质假设（Continuum Hypothesis）。该假设允许我们将宏观的、可测量的量（如密度、速度、压力）视为空间和时间的连续函数，从而避免了处理分子层面的随机性。我们将详细讨论流场的描述方法，包括物质导数（Material Derivative）的引入，它在描述跟随流体质点运动的物理量变化方面至关重要。 此外，本章将确立描述流体运动的守恒定律：质量守恒（连续性方程）、动量守恒（纳维-斯托克斯方程的推导）和能量守恒。我们将引入流线（Streamline）、迹线（Pathline）和时间线（Streakline）的区别，这对于理解瞬态流场和稳态流场的表征至关重要。 1.2 运动学分析：变形与旋转 流体的运动不仅涉及质点的平移，更涉及其内部的相对形变和旋转。本章将详细分析流体的应变率张量（Rate of Strain Tensor）和角速度张量（Vorticity Tensor）。 应变率与速度梯度： 速度梯度张量 $ abla mathbf{u}$ 被分解为对称部分（应变率）和反对称部分（旋转）。应变率描述了流体微团的体积和形状变化，是理解牛顿流体黏性应力本构关系的关键。 涡度（Vorticity）： 涡度 $oldsymbol{omega} = abla imes mathbf{u}$ 是衡量流体局部旋转强度的物理量。我们将研究环量（Circulation）的概念，并通过开尔文涡度传输定理（Kelvin's Circulation Theorem）来探讨保守力和无黏性流体中涡度的演化特性。 二、 支配方程与本构关系 流体力学的核心在于描述流体运动的偏微分方程组。本章将系统推导和分析这些方程。 2.1 纳维-斯托克斯方程（Navier-Stokes Equations） 这是描述牛顿流体粘性、可压缩流动的主要方程。我们将从动量守恒出发，详细推导其形式，并对各项进行物理意义的剖析：惯性项、压力梯度项、黏性应力项和外力项。对于不可压缩流体，方程的简化形式及其在工程中的广泛应用将被深入讨论。 2.2 能量方程与热力学关联 在考虑可压缩流动或存在显著热交换时，能量方程的引入是必需的。本章将基于第一定律推导能量方程，讨论粘性耗散项的物理含义，以及等熵过程和绝热过程的流体动力学描述。对于理想气体，状态方程（如理想气体定律）如何与动量和能量方程耦合，将是本章的重点。 2.3 本构关系：牛顿流体与非牛顿流体 本构关系描述了流体的应力张量与应变率张量之间的关系。对于最常见的牛顿流体，我们将探讨其黏度（动态黏度和运动黏度）的定义及其温度和压力依赖性。更进一步，我们将简要介绍非牛顿流体（如剪切变稀、剪切增稠流体）的概念，以及它们在现代材料科学和生物工程中的重要性。 三、 经典解析解与低雷诺数流动 在方程组建立后，本书将转向求解策略。首先关注在特定简化条件下可获得解析解的流动类型。 3.1 潜在流理论（Potential Flow Theory） 在假设流体无黏性（$mu=0$）且无旋（$ abla imes mathbf{u} = 0$）的前提下，流场可以用速度势函数 $Phi$ 来描述。我们将讨论二维拉普拉斯方程的解法，包括共形映射法（Conformal Mapping）在处理复杂几何体绕流问题中的强大能力。虽然是理想化的模型，但它在预测物体周围的压力分布方面，尤其是在高雷诺数流动的边界层外围，仍具有重要的理论价值。 3.2 斯托克斯流（Stokes Flow）与蠕动流 当流动的主导特征是黏性力而惯性力可以忽略不计时（即极低的雷诺数 $Re ll 1$），纳维-斯托克斯方程简化为线性方程，即斯托克斯方程。本章将分析斯托克斯流动的特性，例如著名的“小球在无限流体中下落”问题。这在微流控、生物流体动力学以及某些传热过程中具有实际意义。 3.3 薄层流动：平板上的边界层理论 普朗特（Prandtl）提出的边界层理论是连接理想流体理论与实际黏性流动的桥梁。在高速流动中，黏性效应主要集中在紧贴壁面的薄层内。本章将详细推导并求解普朗特边界层方程，分析其在光滑平板上的自相似解（如普朗特-布劳修斯解），讨论动量厚度、位移厚度和拖曳力系数的计算。 四、 湍流的本质与统计描述 湍流是流体力学中最复杂、最活跃的研究领域之一。它表现为流场中无规则、随机的、三维的、非定常的涡旋结构，具有显著的能量级串和扩散特性。 4.1 湍流的特征与雷诺数的作用 我们将探讨雷诺数 $Re$ 如何作为区分层流和湍流的关键无量纲参数。湍流的统计特性，如脉动速度场的分离（平均速度与脉动速度），将是本章的起点。 4.2 湍流的雷诺时均方程（RANS） 为了在工程上处理湍流，我们通常采用雷诺时均化方法。该方法将速度场分解并代入纳维-斯托克斯方程，导致了“雷诺应力项”的出现。由于这个方程组是封闭的（未知量多于方程数），我们必须引入湍流模型来“封闭”系统。 4.3 湍流模型简介 本节将概述目前主流的湍流模型分类和基本思想： 零方程模型： 如代数模型，主要用于处理简单的平板边界层流动。 单方程模型： 如 Spalart-Allmaras 模型，仅需求解一个关于湍流运动粘性的输运方程。 双方程模型： 如 $k-epsilon$ 模型和 $k-omega$ 模型。我们将深入探讨 $k$（湍流动能）和 $epsilon$（湍动能耗散率）或 $omega$（特定频率）的输运方程的物理意义，以及它们在复杂流动分离和再附着预测中的优势与局限。 4.4 湍流的构造性理论：涡旋动力学 除了统计方法，本书还将触及描述湍流结构本身的理论，包括卡门-希尔斯理论（Kolmogorov's Theory of Turbulence）。重点讨论能量从大尺度涡（输入能量）向小尺度涡（耗散为热量）传递的级串机制，以及湍流扩散的机理。 五、 可压缩流动与激波现象 当流体的速度接近声速时，流体的可压缩性变得不可忽略，导致了激波（Shock Waves）等非连续现象的出现。 5.1 基本概念：声速与马赫数 我们将定义绝热声速，并引入马赫数 $Ma$ 作为描述流动可压缩程度的参数。流动被分为亚声速（$Ma < 1$）、跨声速（$Ma approx 1$）和超声速（$Ma > 1$）区域。 5.2 跨声速流动 跨声速流动的特性在于其复杂性，局部可能存在亚声速和超声速区域的混合。我们将讨论亚声速和超声速区域之间的“喉道效应”。 5.3 激波的结构与影响 激波是流体性质（密度、压力、速度）发生剧烈、几乎瞬时变化的薄区域。我们将利用罗尔-格罗特关系（Rankine-Hugoniot Relations）来分析正激波和斜激波的特性。斜激波在超声速绕物体流动（如机翼）中的形成机制和对空气动力学性能的影响，是本章的关键应用点。 六、 计量与数值方法概述 在现代工程实践中，许多流体问题无法通过解析方法解决，因此依赖于计算流体力学（CFD）。 6.1 无量纲化与相似性原理 流动中的物理量必须通过无量纲化处理，以识别控制流动的关键无量纲参数（如 $Re, Ma, St$ 等）。我们将讨论物理相似性（Geometric Similarity）和动态相似性（Kinematic Similarity），这是模型试验和放大设计的基础。 6.2 求解偏微分方程的数值方法 本书将概述求解纳维-斯托克斯方程的基本数值框架，重点介绍离散化技术： 有限差分法（FDM）： 讨论其在规则网格上的应用及精度阶数的选择。 有限体积法（FVM）： 强调其在动量守恒方面固有的优势，是CFD软件中最常用的方法。 压力-速度耦合算法： 简要介绍 SIMPLE 或 PISO 算法在处理非稳态或低速不可压缩流动中的核心思想。 通过对这些核心主题的深入探讨，读者将掌握现代流体力学从理论推导、物理洞察到数值模拟的完整知识体系，为进一步研究如多相流、非牛顿流变学或高级湍流建模打下坚实的基础。

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这本书在对激光器原理的阐述上，展现出了一种罕见的系统性和历史感。作者从爱因斯坦的自发辐射和受激辐射概念讲起，一步步构建了粒子数反转和阈值增益的物理图像，这种由浅入深的逻辑推演，让人清晰地把握了激光器作为一个复杂系统的核心工作机制。我尤其欣赏它对不同类型激光器（如半导体激光器、固体激光器和气体激光器）的比较分析部分。它没有简单地罗列参数，而是深入探讨了每种架构背后的能级结构限制和增益介质的特性差异，使得读者能够理解为什么某些应用场景必须选用特定类型的激光器。例如，在讨论半导体激光器的温度敏感性时，作者清晰地解释了载流子散射率和带隙能量随温度变化的耦合效应，而不是简单地将“温度升高，效率下降”作为一个结论摆在那里。这种追根溯源的讲解方式，不仅解答了“是什么”的问题，更深刻地揭示了“为什么会是这样”的物理本质，这对于想要从事激光系统优化和故障诊断的人员来说，是无价的知识财富。这本书的深度足以支撑一个研究生级别的课程，其内容密度和知识的广度都令人敬佩。

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我最近在准备一个关于非线性光学器件的课程项目，急需一本能将基础物理原理和前沿应用紧密结合的教材，而这本《光与激光》的章节组织方式，简直是为我量身定做的。它并没有一开始就陷入繁琐的麦克斯韦方程组的推导，而是从光波的波动性这一核心概念入手，用非常直观的类比和历史发展脉络，引导我们进入电磁场理论的殿堂。我尤其喜欢它处理“腔内光场分布”那几章的方式，作者并没有直接抛出复杂的傅里叶变换关系，而是先通过一个简单的平行板谐振腔模型，辅以一系列精心绘制的模式图，让读者“看见”了纵模和横模是如何自然产生的。这种教学方法的精妙之处在于，它先建立起了直观的物理图像，然后再引入严谨的数学工具进行量化描述，使得读者在面对高阶的矩阵表示法时，心中已经有了坚实的锚点。对于我这种更偏向实验操作，但又不能回避理论深度的学生来说，这种“先形象后抽象”的路径设计，极大地提高了我的学习效率和对知识的掌握深度，而不是停留在公式的机械记忆层面。

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阅读这本书的体验，就像是请了一位经验极其丰富、表达能力极强的大学教授在你身边进行一对一辅导。它的语言风格是那种极其严谨但又充满人文关怀的混合体。在解释诸如“相干性”这类容易混淆的概念时，作者会引用一些经典的实验案例，比如杨氏双缝实验在不同条件下的表现差异，然后深入分析为什么这些差异会导致宏观上不同的光场干涉图样，这种“以实验反哺理论”的叙事方式，让冰冷的物理定律充满了生命力。不过，对于那些刚刚接触光学领域的新手来说，书中偶尔出现的专业术语的密度可能会显得有些过高，虽然每当出现新词汇时，作者都会在脚注或者括号中给出简要的解释，但有些地方仍然需要频繁地查阅后面的术语表或者回顾前面的章节才能完全消化。这要求读者必须保持高度的专注力，无法进行那种走马观花的阅读。总的来说，它更像是为那些已经具备一定基础，希望将知识体系化、深入化的高年级学生或研究人员准备的“进阶指南”，而不是入门普及读物，其对细节的苛求程度，值得每一位认真对待光学领域的读者投入时间去细细品味。

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这本书的装帧设计非常引人注目，封面的深蓝色调搭配烫金的字体，给人一种沉稳而又高雅的科学书籍的质感。初次拿到手中的感觉是分量十足，内页的纸张厚实，印刷清晰度极高，即使是那些复杂的数学推导和光路图，也能看得一清二楚，这对于需要反复查阅和仔细研读的理工科书籍来说，是极其重要的加分项。我特别欣赏作者在排版上下的功夫，章节之间的逻辑过渡非常顺畅，图表和文字的结合度极高，常常是看完一段文字描述，紧接着就能看到一个完美配合的示意图，大大减少了理解抽象概念时的认知负担。比如，在介绍衍射极限时，插图的精细程度简直令人赞叹，不仅仅是理论模型，甚至加入了现代光学设备中实际应用的微缩图景，让理论不再是空中楼阁。美中不足的是，虽然整体设计很专业，但目录的层级划分稍微显得有些密集，初次翻阅时需要花一点时间来熟悉整体结构。然而，一旦你习惯了这种布局，就会发现它其实是将庞大的知识体系精心编排的结果，体现了编者对读者学习路径的深思熟虑。这本书的物理触感，从封面到内页，都传达出一种高质量的学术用品的信号，让人愿意将其摆在书架上作为长期的参考资料，而不是仅仅作为一时的学习工具。

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我最近尝试使用这本书中的一个关于光纤耦合效率的分析方法来优化我们实验室的一个现有系统。最让我印象深刻的是，本书在讨论实际工程应用时，那种近乎偏执的严谨性。它不仅仅给出了理想条件下的理论公式，而是非常坦诚地列出了在真实世界中，诸如波导的界面粗糙度、材料的双折射、温度漂移等因素如何系统性地引入误差。特别是关于数值孔径（NA）和有效折射率的讨论部分，作者没有停留在教科书上常见的几何光学近似，而是深入到了基于模式理论的分析，并给出了如何通过改变光纤包层材料的参数来精确调控模场直径（MFD）的详细计算步骤。这部分内容对于我们进行器件设计至关重要，因为它直接关系到最终的系统损耗。更令人称道的是，书中附带的几个“案例分析”小节，它们不是虚构的例子，而是基于真实发表在顶级期刊上的研究成果进行了解构和简化，这使得读者能够清楚地看到书本知识是如何转化为具有实际价值的工程解决方案的。这种理论与实践的无缝对接，是很多其他教材所欠缺的，它让这本书的价值远远超出了单纯的理论学习范畴。

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