The Theory and Practice of Hydrodynamics and Vibration pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:World Scientific Pub Co Inc

作者:Chakrabarti, Subrata K.

出品人:

页数:464

译者:

出版时间:

价格:$ 55.37

装帧:Pap

isbn号码:9789810249229

丛书系列:

图书标签:

• 流体力学
• 振动
• 理论
• 实践
• 工程
• 数学
• 物理
• 流体动力学
• 结构动力学
• 机械工程

船舶与海洋工程的基石：流体力学、结构动力学与控制系统综述 一本面向工程师、研究人员和高级学生的综合性参考书，深入探讨流体动力学、固体结构振动、以及它们在实际工程系统中的耦合与控制。 本书旨在填补理论基础与复杂工程应用之间的鸿沟，为读者提供一个坚实且全面的框架，以理解和解决船舶、海洋结构、航空航天以及机械设备中遇到的关键物理现象。我们避免了过度依赖单一学科的视角，而是强调跨学科的集成，聚焦于流体-结构相互作用（FSI）这一核心挑战。 --- 第一部分：流体力学基础与应用 本部分从流体运动的基本原理出发，逐步深入到适用于复杂工程环境的分析方法，重点关注粘性流体和船舶推进中的关键问题。 第一章：连续介质力学与控制方程 本章回顾了流体力学的基本假设和描述性框架。我们从拉格朗日和欧拉描述的转换开始，详细推导了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）以及能量守恒。重点讨论了这些偏微分方程的性质，并引入了张量分析作为处理应力与应变关系的数学工具。 边界条件与流态识别： 探讨了无滑移边界、自由表面条件以及如何利用雷诺数、马赫数等无量纲参数来识别层流、湍流、不可压缩流和可压缩流的物理特征。 经典解法与近似： 介绍了处理简单几何形状下粘性流动的解析方法，例如斯托克斯流和彭德尔顿流，并为后续的数值方法奠定基础。 第二章：粘性流与边界层理论 粘性效应在工程实践中无处不在，尤其是在涉及摩擦阻力和分离现象时。本章深入探讨了边界层理论的核心概念。 普朗特边界层方程： 推导并应用布劳修斯（Blasius）解来分析平板上的层流边界层。讨论了动量积分方法在处理厚边界层问题中的实用性。 湍流模型与阻力： 转向更具挑战性的湍流问题。介绍了湍流的统计特性，如雷诺应力，并详述了经验模型（如对数律）以及更先进的雷诺平均纳维-斯托克斯（RANS）模型（如 $k-epsilon$ 和 $k-omega$ 模型）在计算船舶阻力和水动力载荷中的应用。 流动分离与减阻技术： 分析了流动分离的原因、对力的影响，并探讨了诸如翼型后缘处理、微小扰动以及减阻涂层等工程减阻策略。 第三章：势流理论与船舶水动力学 在忽略粘性的理想情况下，势流理论为分析水动力学提供了强大的线性工具。本章将重点放在海洋工程的核心——船体周围的流场分析。 基本原理与霍夫曼定理： 介绍复势函数、速度势和流函数，利用格林定理和边界积分方程法（BEM）求解绕流问题。 船舶兴波与阻力： 详细分析三维船体周围的势流绕射与辐射问题，推导著名的迈克尔（Michell）积分，用于计算兴波阻力。 二维运动与升力： 讨论二维翼型在均匀流中运动（如螺旋桨叶片或稳定鳍）的茹科夫斯基（Joukowski）变换和卡门-格林（Kutta-Joukowski）定理在计算升力和力矩中的作用。 --- 第二部分：结构动力学与振动分析 本部分从基本单自由度系统出发，构建起描述复杂工程结构动力学行为的理论框架，特别是针对海洋和机械结构面临的周期性和随机载荷。 第四章：单自由度和多自由度系统的自由振动 本章是结构动力学的基础。从牛顿第二定律和欧拉-伯努利梁理论出发，建立系统的运动微分方程。 无阻尼自由振动： 详细分析具有固有频率和模态形状的自由振动特性。对于多自由度系统，重点介绍特征值问题、特征向量的物理意义以及模态叠加法。 阻尼系统的响应： 引入粘性阻尼、库仑阻尼和材料阻尼，并重点分析经典瑞利阻尼与模态阻尼的关系。推导并求解欠阻尼、临界阻尼和过阻尼系统的瞬态响应。 第五章：受迫振动与随机振动 实际工程中，结构总是受到外部激励，这些激励可能是周期性的（如机器运转）或随机的（如海浪、风）。 谐响应分析： 求解周期性激励下的稳态响应，包括幅值、相位角以及共振现象的深入分析。讨论系统的动态放大系数。 随机振动理论： 介绍随机过程理论（如平稳随机过程、功率谱密度PSD）。应用维纳-霍夫曼分解和功率谱密度方法，计算结构在白噪声激励下的均方根（RMS）响应，这对于疲劳寿命评估至关重要。 模态分析与有限元方法（FEM）： 介绍如何将复杂的连续体问题离散化，通过有限元方法计算结构的质量矩阵、刚度矩阵和阻尼矩阵，并求解大规模特征值问题以获取工程尺寸结构的模态信息。 第六章：梁、板壳结构的振动 针对海洋工程中常见的板壳结构，本章提供更贴近实际的分析模型。 梁的欧拉-伯努利与蒂莫申科梁理论： 比较两种理论在考虑旋转惯性和剪切变形对高频振动影响上的差异。 薄板振动： 建立基尔霍夫-泊松（Kirchhoff-Love）薄板方程，求解不同边界条件下的固有频率和振型。 海洋平台柔性分析： 将上述理论应用于导管架平台、浮式储油船（FPSO）的上部结构，讨论平台模态与环境载荷激励（如风和波浪）之间的耦合效应。 --- 第三部分：流体-结构相互作用（FSI）与控制 这是本书的核心集成部分，探讨流体力和结构运动如何相互影响，以及如何利用控制技术来优化性能或避免灾难性失效。 第七章：流固耦合动力学 本章专门处理流体与固体边界相互作用的复杂问题，这是高精度水动力分析的关键。 耦合机制分类： 区分单向耦合（流体载荷驱动结构响应，如风对桥梁的影响）和双向耦合（结构变形显著影响流场，如翼型颤振）。 水弹性力学（Aeroelasticity & Hydroelasticity）： 重点分析船舶和海洋结构中的水弹性问题。详细讨论了弯曲、扭转、剪切变形对船舶在波浪中运动的影响。引入颤振的概念，即结构振动与空气/水动力载荷相互作用导致的失稳现象。 耦合分析方法： 介绍松耦合（Sequential Coupling）和紧耦合（Monolithic Coupling）的数值策略，以及如何利用流体力学计算（CFD）的结果作为结构动力学（CSD）的输入载荷。 第八章：船舶运动与操纵稳定性 从水动力学推导出船舶在六自由度下的运动方程，并引入流体力学效应。 六自由度运动方程： 建立包含附加质量和流体阻尼项的运动方程。 波浪载荷与瞬态响应： 分析船舶在规则波和不规则波下的运动响应，包括砰击（Slamming）和摇荡（Pitching）引起的冲击载荷分析。 操纵性分析： 引入莫里森方程（Morison Equation）处理细长结构在流体中的运动，并讨论利用线性水动力导纳函数（Hydrodynamic Derivatives）评估船舶的稳定性和转向响应。 第九章：振动控制与主动减振 理解了振动和流固耦合后，本章转向工程应用——如何主动或被动地抑制有害振动。 被动控制技术： 深入分析粘滞阻尼器（Viscous Dampers）、粘弹性阻尼器（Viscoelastic Dampers）以及冲击隔离器的设计原理和性能评估。 动力吸振器（TMD）： 详细推导调谐质量阻尼器（TMD）的设计原理，如何通过增加吸振器质量和阻尼比来有效降低主结构特定频率下的振幅，并讨论其在大型海洋平台和高层建筑中的应用。 主动控制系统： 介绍基于传感器、控制器和执行器的主动振动控制（AVC）概念。重点讨论反馈控制律（如PID控制）和更先进的基于最优控制（LQR）的策略，应用于抑制船舶的摇荡或消除机械系统的共振峰值。 --- 总结与展望 本书的架构旨在引导读者从基础物理原理出发，逐步掌握分析复杂、多物理场耦合系统的能力。通过对流体力学、结构动力学和控制理论的整合阐述，读者将能够有效地进行工程设计、风险评估和优化，确保海洋和机械系统的安全、高效运行。本书强调计算方法与理论洞察相结合，是深度理解现代工程挑战的必备参考。

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