具体描述
复杂流体动力学：从微观相互作用到宏观现象 本书旨在深入探讨复杂流体的动力学行为，特别关注那些其性质无法仅通过牛顿流体模型来完全描述的系统。 涵盖的范围从基本的流体力学原理出发，逐步过渡到涉及分子间作用力、界面现象以及非线性响应的先进主题。本书的视角立足于物理学、化学工程与材料科学的交叉领域，为读者提供一个全面而严谨的分析框架。 第一部分：流体力学基础与非牛顿特性 本部分首先回顾了经典的连续介质力学，重点阐述了动量守恒、质量守恒以及能量守恒在流体系统中的应用。随后，我们将引入非牛顿流体的概念，这是理解许多复杂流体行为的基石。 第一章：经典流体力学回顾与扩展 详细分析了纳维-斯托克斯（Navier-Stokes）方程的推导、简化形式（如斯托克斯流）及其在低雷诺数流动中的适用性。讨论了边界条件的重要性，特别是无滑移边界条件及其在涉及固体表面的流动问题中的具体表现。接着，本章会扩展讨论流体中能量传输的机制，包括对流、扩散以及粘性耗散项的精确量化。 第二章：粘弹性与时间依赖性 本章是理解聚合物溶液、生物流体等关键复杂流体的核心。我们引入粘弹性本构关系，对比讨论了Maxwell模型、Kelvin-Voigt模型以及更具代表性的Oldroyd-B和Giesekus模型。重点分析了材料的松弛时间、储能模量与损耗模量，并通过振荡剪切实验（Oscillatory Shear Testing）来解释这些参数的物理意义。讨论了流体在拉伸和剪切形变下的非线性响应，如应力过冲（Stress Overshoot）现象及其在挤出过程中对产品质量的影响。 第三章：剪切变稀与结构重排 探讨了剪切速率依赖性粘度行为，即剪切变稀（Shear Thinning）现象。分析了流体内部的微观结构（如悬浮颗粒、纤维或长链分子）在外部应力作用下的定向、解缠结和重排过程。使用流变学数据（如幂律模型）来拟合实验结果，并结合流体微观结构的演化，解释宏观粘度下降的机理。本章也会触及剪切增稠（Shear Thickening）体系，例如高浓度悬浮液，分析颗粒间的空间阻塞和“破碎的液桥”现象。 第二部分：界面现象与多相流 复杂流体系统往往涉及多个相态的相互作用，界面张力、润湿性以及流动不稳定性构成了该领域的重要挑战。 第四章：表面张力与润湿动力学 回顾了拉普拉斯方程和杨氏方程在描述静态界面平衡中的作用。随后，重点转向动态润湿问题，分析了接触线（Contact Line）的运动学和动力学。讨论了牛顿流体和非牛顿流体在铺展和回缩过程中的速度剖面差异，特别是粘滞拖曳力在接触线速度依赖性中的贡献。分析了Marangoni效应，即由于浓度或温度梯度引起的表面张力梯度驱动的流动，及其在乳液稳定性和微反应器中的重要性。 第五章：乳液、泡沫与分散体系的稳定性 本章聚焦于分散体系的形成、稳定化和破裂机制。详细阐述了乳化剂（表面活性剂）在降低界面能和形成稳定胶束结构中的作用。讨论了乳液和泡沫的动力学稳定性，包括絮凝（Flocculation）、聚结（Coalescence）和相分离的过程。通过计算爱丁顿（Edington）和德瑞克（Draker）数，评估了在重力或离心场下分散相的沉降或上浮行为。 第六章：界面不稳定性的演化 深入分析了流体界面在不均匀环境下的演化，特别是瑞利-泰勒（Rayleigh-Taylor）和瑞利-贝纳德（Rayleigh-Bénard）不稳定性的非线性阶段。对于瑞利-泰勒不稳定性，分析了密度逆转层中的“蘑菇”状物体的生长，以及界面间能量耗散机制。讨论了剪切流动下界面失稳，如细丝状结构（Fingering Instabilities）的形成和断裂。 第三部分：微观尺度的耦合与新兴现象 本部分关注将分子或颗粒尺度的特性与宏观流动行为相连接的理论模型，并介绍当前研究的前沿领域。 第七章：颗粒与纤维的输运与取向 针对悬浮颗粒或纤维组成的复杂流体，本章分析了颗粒间的流体力学相互作用。阐述了布朗运动对小尺度颗粒的随机影响，并将其与剪切力导致的确定性取向和沉降（Stokes沉降）进行对比。对于纤维状物质，重点分析了 Jefferys 方程在描述单个纤维在剪切场中的运动轨迹，以及高浓度下纤维网络（Fiber Networks）的形成与断裂对整体流变性能的决定性影响。 第八章：电磁场与复杂流体的响应 本章探讨外部场对导电或介电复杂流体的控制。介绍了介电泳（Dielectrophoresis, DEP）原理及其在颗粒物分离中的应用。讨论了磁流变（Magnetorheological, MR）流体，分析了外加磁场如何诱导磁性颗粒快速形成链状结构，从而在毫秒级别内改变流体的表观粘度，并计算了这种快速响应的激活能垒。 第九章：复杂流体的数值模拟方法 概述了模拟复杂流体行为的计算工具。详细介绍了浸入式边界法（Immersed Boundary Method, IBM）在处理与流体交界面运动的固体粒子模拟中的优势。对比了格子玻尔兹曼方法（Lattice Boltzmann Method, LBM）在模拟多孔介质和复杂几何结构中流体流动时的效率和优势。讨论了如何将分子动力学模拟（MD）的结果与连续介质模型（如有限元法）进行耦合，实现多尺度模拟。 结论与展望 本书最后总结了复杂流体研究中尚未解决的关键问题，例如湍流中非牛顿效应的精确建模、活体软物质中的自驱动机制，以及在极端条件下（如超高压或高温）的相变动力学。强调了跨学科合作在推动这一领域向前发展中的不可替代性。 本书特点： 理论深度与应用广度并重： 既有严格的数学推导，也包含了大量与生物工程、石油开采和先进制造相关的实例分析。 强调微观-宏观联系： 致力于解释微观结构（如分子链缠结、颗粒间排阻）如何转化为可测量的宏观流变响应。 丰富的案例分析： 每个章节均配有详尽的案例研究，帮助读者将理论知识应用于解决实际工程问题。 目标读者： 本书适合高年级本科生、研究生，以及在流体力学、化学工程、材料科学、生物物理学等领域工作的研究人员和工程师阅读。理解基础的张量分析和偏微分方程是必要的先决条件。
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