Visualization and Imaging in Transport Phenomena pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:New York Academy of Sciences

作者:Sideman, Samuel (EDT)/ Landesberg, Amir (EDT)

出品人:

页数:346

译者:

出版时间:

价格:150

装帧:HRD

isbn号码:9781573313704

丛书系列:

图书标签:

• Transport Phenomena
• Visualization
• Imaging
• Fluid Mechanics
• Heat Transfer
• Mass Transfer
• Computational Fluid Dynamics
• Engineering
• Science
• Applied Physics

流体力学中的可视化与成像：探索流场、传递过程与边界层现象 图书名称： 流体力学中的可视化与成像：探索流场、传递过程与边界层现象 (Visualization and Imaging in Fluid Dynamics: Exploring Flow Fields, Transport Phenomena, and Boundary Layer Phenomena) 图书简介： 本书聚焦于现代流体力学研究中至关重要的两个核心工具——可视化技术与成像方法。在深入理解和解决复杂的流体力学问题时，直接观测和量化流场结构、物质与能量的传递过程，以及流体与固体界面处的关键现象，是不可或缺的步骤。本书旨在系统性地介绍从基础原理到前沿应用的各类流场诊断技术，为研究人员、工程师及高年级本科生提供一本全面、深入且具有实践指导意义的参考资料。 第一部分：流场可视化的基础原理与基础技术 本部分构建了流体力学可视化领域的理论框架，并详细阐述了那些被广泛应用的基础技术。 第一章：流场可视化的基本概念与物理基础 流体运动的复杂性要求我们超越传统的点测量，转向全场、高分辨率的诊断方法。本章首先界定了流场可视化的范畴，区分了定性可视化与定量成像。核心内容包括流体动力学中的基本量——速度、压力、温度和组分浓度——的物理意义，以及如何在成像平面或空间中准确地“捕捉”这些信息。讨论了流体运动的内在特性，如涡量、应力张量与密度梯度，以及如何通过特定成像技术来突出这些特征。同时，对光学基础知识进行了回顾，特别是光的传播、折射、反射和散射在成像过程中扮演的角色。 第二章：光学原理与图像采集系统 深入探讨了实现流场成像所需的光学元件与设备配置。内容涵盖了光源的选择（如激光器、LED阵列和闪光灯）及其在不同流场尺度下的适用性；透镜系统的设计与像差校正，确保高质量的图像聚焦；以及高分辨率CCD/CMOS相机的性能指标，如量子效率、动态范围和帧率。特别强调了光学系统与流体介质相互作用的物理模型，例如瑞利散射、米氏散射的理论基础，这对于理解某些标记技术（如粒子图像测速 PIV）的信号强度至关重要。 第三章：标记技术——粒子示踪与荧光方法 可视化技术依赖于将流体中的某些特性转化为可被光探测的信号。本章详细介绍了两种核心标记策略： 1. 粒子示踪技术： 讨论了用于示踪流场中特定位置的微小颗粒（如油雾、气溶胶、聚苯乙烯球）的特性。重点分析了粒子响应时间（响应系数 $ au_p$）与流场特征时间（如涡旋时间尺度）的匹配问题，确保粒子能够忠实地反映流体运动。同时，详细解析了激光粒子图像测速（PIV）和粒子轨迹跟踪（Particle Tracking Velocimetry,PTV）的实验设置、数据处理算法（如互相关分析）及其在二维和三维速度场重构中的应用。 2. 荧光与示踪剂： 阐述了利用荧光分子标记特定组分或温度场的原理。这包括了拉曼散射增强荧光（Raman-Mie scattering）、激光诱导荧光（LIF）在燃烧、混合和反应流诊断中的应用。对不同示踪剂（如 Rhodamine B、Pyrene）的光谱特性和光漂白效应进行了深入的比较分析。 第二部分：非接触式全场成像技术与应用 本部分侧重于无需引入外来示踪粒子的、基于流体自身光学特性的诊断技术，尤其关注密度的变化及其对流场的影响。 第四章：折射率变化成像技术：阴影法、纹影法与分束法 当流场中存在密度、温度或压力梯度时，流体的折射率会发生变化，这会使穿过流体的光线发生偏折。 1. 纹影法（Schlieren）： 详细解释了刀口（或其他截止器）在傅里叶平面上的作用，如何将折射率梯度转化为光强度的变化。深入讨论了无限系统与有限系统的设置，并推导了图像光强与密度梯度的定量关系，用于分析冲击波、边界层分离等现象。 2. 阴影法（Shadowgraphy）： 作为纹影法的基础，本章阐述了阴影法如何通过光束的聚焦或扩散来反映密度的二阶导数（曲率）。重点在于其在捕捉高梯度区域（如激波前沿）的快速响应能力。 3. 分束技术（Deflectometry）： 介绍了更现代化的技术，利用校准过的光束或图案来精确测量光线偏转角，从而实现折射率场的定量反演。 第五章：干涉测量技术：全场相位与形貌分析 干涉测量提供了极高的灵敏度，能够测量流体中由折射率变化引起的微小相位延迟。 1. 全息干涉与双波长干涉： 探讨了如何利用参考波前与物光波前的叠加来记录流场的相位信息。重点解析了全息术在记录三维流场结构中的优势与挑战。 2. 剪切干涉与相位展开： 详细介绍了如何通过空间或时间上的剪切来获取相位梯度信息，并阐述了相位展开（Phase Unwrapping）算法在将梯度信息重建为完整相位图中的关键步骤，这在分析复杂传热或质量传递界面时尤为重要。 第六章：光谱与激光诊断技术：温度与组分测量 对于涉及化学反应、燃烧或非均匀温度场的流动，需要更深入地探测物质和能量的特性。 1. 拉曼散射（Raman Scattering）： 阐述了非弹性散射的原理，及其如何用于测量分子振动能级，从而直接获取流体组分浓度和温度的精确定量信息，尤其适用于高温和高压环境。 2. 激光诱导荧光（LIF）与汤姆逊散射（Rayleigh Scattering）： 比较了这两种技术在测量温度场中的应用。LIF对特定分子敏感，适用于燃烧诊断；而瑞利散射则提供了基于分子密度（与压力和温度相关）的全局测量能力。 第三部分：边界层、界面与复杂流动的成像分析 本部分将前述技术应用于流体力学中的关键挑战区域——固体边界层、自由表面和湍流核心。 第七章：边界层与壁面湍流的诊断 边界层内的速度和压力梯度极高，是气动力学和传热研究的焦点。 1. 高分辨率PIV在近壁区域的应用： 讨论了如何通过优化光照角度、使用高密度粒子和改进相关算法来克服壁面反射和低信噪比的问题，以解析粘性底层和湍流的产生机制。 2. 时间分辨成像技术（Time-Resolved Imaging）： 引入高帧率相机（如 PIV、PTV）在捕捉湍流脉动、分离泡的生成与再附着过程中的作用。重点分析了时间序列数据如何用于计算湍流统计量，如雷诺应力张量。 3. 电涡流成像（Electro-Vorticity Imaging, EVI）： 介绍了一种新兴的利用电场对导电流体进行“标记”的技术，用于可视化复杂涡结构，特别是对于液体金属流动或离子化气体的诊断。 第八章：自由表面流与多相流的可视化 液体表面或多相流体（气泡、液滴、颗粒）的界面是能量和物质传递的关键区域。 1. 表面形貌测量： 利用立体视觉（Stereo Vision）或结构光照明技术，结合相移轮廓术（Phase-Shifting Profilometry），对波浪、射流或冲击波引起的动态表面进行三维重建。 2. 气液或固液界面的跟踪： 讨论如何利用高对比度的标记或光反射特性，结合深度学习算法，实现复杂界面（如气泡上升、乳液破碎）的精确轮廓提取与运动学分析。 第九章：数据处理、三维重建与未来趋势 现代成像技术生成的数据量巨大且维度复杂，先进的数据处理是不可或缺的一环。 1. 三维流场重建： 深入探讨立体PIV（Stereo-PIV）、时间相干层析（Tomographic PIV）的原理，以及如何利用数值算法（如迭代重构或计算层析）从多视角数据中精确重建三维速度场。 2. 图像处理与增强： 涵盖去噪、背景消除、光场校正等传统图像处理技术，并介绍了深度学习和神经网络在流场分类、特征识别和超分辨率重建中的前沿应用，特别是在从稀疏数据中恢复完整流场信息方面的潜力。 本书通过详实的理论推导、精选的实验案例分析以及对最新设备和算法的介绍，旨在成为流体力学可视化与成像领域的一部权威性、综合性的技术手册。读者将能够掌握选择、设计和实施先进流场诊断实验的能力，从而推动对复杂流动现象的深入理解与创新。

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