Gravity-capillary Free Surface Flows pdf epub mobi txt 电子书下载 2026

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出版者:Cambridge Univ Pr

作者:Vanden-Broeck, Jean-Marc

出品人:

页数:330

译者:

出版时间:2010-9

价格:$ 144.64

装帧:HRD

isbn号码:9780521811903

丛书系列:

图书标签:

流体动力学
表面张力
毛细现象
自由表面流
重力波
数值模拟
计算流体动力学
多相流
界面跟踪
流体力学

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具体描述

Free surface problems occur in many aspects of science and of everyday life such as the waves on a beach, bubbles rising in a glass of champagne, melting ice, pouring flows from a container and sails billowing in the wind. Consequently, the effect of surface tension on gravity-capillary flows continues to be a fertile field of research in applied mathematics and engineering. Concentrating on applications arising from fluid dynamics, Vanden-Broeck draws upon his years of experience in the field to address the many challenges involved in attempting to describe such flows mathematically. Whilst careful numerical techniques are implemented to solve the basic equations, an emphasis is placed upon the reader developing a deep understanding of the structure of the resulting solutions. The author also reviews relevant concepts in fluid mechanics to help readers from other scientific fields who are interested in free boundary problems.

湍流中的边界层动力学与界面现象本书概述：本书深入探讨了复杂流体动力学领域中至关重要的两个核心主题：湍流现象中的边界层行为，以及流体界面（特别是多相流体界面）上的毛细与重力耦合效应。我们聚焦于如何通过先进的数值模拟技术和精密的实验测量，来揭示这些现象背后的微观机制和宏观影响。第一部分：湍流边界层的精细结构与控制湍流是自然界和工程实践中最普遍且最具挑战性的流态之一。其高雷诺数下的随机性和涡旋结构，使得精确预测和控制变得异常困难。本书的第一部分将聚焦于湍流边界层——流体与固体壁面相接触区域——的复杂动力学。第一章：湍流边界层的基础理论与统计描述本章从纳维-斯托克斯方程（Navier-Stokes equations）在强剪切流场中的简化入手，详细阐述了雷诺平均纳维-斯托克斯（RANS）模型，并深入讨论了雷诺应力张量的各向异性及其对动量输运的贡献。我们将系统回顾湍流强度、湍流长度尺度以及不同尺度涡旋的能量级串理论，特别是Kolmogorov的K4/3定律在近壁区和惯性子层中的适用性。内容将包括对湍流动谱的实验观测和对大涡模拟（LES）中亚网格尺度（Subgrid-Scale, SGS）模型的批判性分析。第二章：近壁区（The Near-Wall Region）的相干结构边界层中最具决定性的物理过程发生在紧邻壁面的“缓冲层”和“粘性底层”。本章将详细剖析这些区域的相干结构，即“准流”（Quasi-streamwise Vortices）和“横向脉动”（Spanwise Streaks）。我们将运用基于结构的分解方法（Structure-based Decomposition）来识别这些结构，并探讨它们如何通过“产生-对流-耗散”的循环机制，驱动着湍流的持续性。此外，还会专门讨论基于“拉伸与倾斜”（Stretching and Tilting）的涡量输运机制，这对于理解湍流的非线性演化至关重要。第三章：湍流控制与减阻技术了解了湍流的内在结构后，本章转向工程应用——如何有效控制或减小湍流带来的阻力损失。我们将详细介绍主动控制和被动控制策略。被动控制方面，本书将重点分析表面微结构（如肋条、凹槽）对边界层减阻的机理，特别是如何通过影响近壁区涡旋的稳定性来实现效果。主动控制方面，则侧重于通过吹气/吸气（Blowing/Suction）和壁面振荡来抑制或延迟湍流的发生，并评估这些方法在实际流体输运系统中的能耗与效率平衡。 --- 第二部分：流体界面上的耦合效应与微尺度现象流体界面，无论是在两相流（如气液、液液）还是在涉及表面张力的体系中，都扮演着控制物质和能量交换的关键角色。本书的第二部分将超越传统的牛顿流体假设，深入研究表面张力（毛细作用）与体积力（重力）相互作用下的复杂界面动力学。第四章：毛细作用力与界面曲率的几何学本章从杨-拉普拉斯（Young-Laplace）方程出发，建立界面平衡状态的理论基础。我们将详细推导在不同几何约束下（如管道、容器边缘）的接触线（Contact Line）行为。重点分析了铺展系数（Spreading Coefficient）对润湿行为的决定性作用，并探讨了接触角迟滞（Contact Angle Hysteresis）现象，包括前进角和后退角测量的实验技术，以及微观表面粗糙度对迟滞力的影响模型。第五章：重力-毛细作用耦合的动力学行为当流体尺度足够小，毛细力与重力相比变得不可忽略时，界面动力学将呈现出独特的耦合特性。本章将专门研究在微重力环境下（如航天器燃料管理）或在微尺度通道（如微流控芯片）中，重力对液面形状和运动的微弱影响。我们将分析表面重力波的色散关系，以及在液滴的动态变形过程中，重力如何与表面张力梯度（Marangoni效应）相互作用，共同决定液体的迁移速率。第六章：动态界面与界面对流体运动的反作用当界面本身处于高速运动或剧烈变形时，其动能和动量会反作用于周围的流体。本章将聚焦于非平衡态下的界面现象。重点内容包括： 1. 液滴的破碎与聚并：在高剪切流场中，如何通过量纲分析和粘性/惯性力比（Weber数）来预测液滴的稳定性。我们将应用界面张力模型来描述液滴在剪切场中的椭球形变形极限。 2. 表面张力驱动的流动：深入分析Marangoni效应的定量模型。这包括热驱动和浓度驱动的表面张力梯度如何产生显著的界面流速，以及这种流动如何影响热传递和物质传输过程，特别是在熔融材料或化学反应体系中。 3. 泡沫与乳液的宏观输运：最后，本书将探讨大量气泡或液滴组成的复杂分散体系的有效输运性质。我们将讨论界面膜的力学性能（如弹性与粘度）如何影响泡沫的稳定性、排液速率以及宏观有效粘度，从而连接微观界面物理与宏观流变学。结论与展望：本书结合了经典的流体力学理论、前沿的计算方法和精细的实验技术，为读者提供了一个全面且深入的视角，用以理解在湍流和界面物理这两个关键领域中，动量、能量和物质的复杂传输机制。我们希望这些深入的分析能够为下一代流体系统设计，特别是在微流控、生物医学工程以及先进的流体管理技术中，提供坚实的理论基础。