具体描述
《高速水气两相流》以近代紊流力学（湍流）和两相流体动力学为依托，通过大规模的室内和原型实验，研究了“高速水气两相流——水工建筑物中的高速水流掺气问题”。《高速水气两相流》拟分四部分。第一部分，介绍与水气两相流有关的知识。第二部分，介绍明渠水流掺气问题研究。从工程需求出发，通过较系统的室内活动陡槽试验，测试并分析了明渠掺气水流的流场结构，提出了简单实用的计算方法。第三部分，介绍掺气减蝕技术在工程中的应用，除汇集了大量掺气坎模型选型试验外，还着重列举了国内80年代初进行的几次关于掺气减蝕设施的原型观测资料，并研究了模型缩尺影响等工程技术界普遍关注的问题。第四部分，介绍掺气水流量测技术与试验设备方面的情况。在水工建筑物水气两相流研究中，量测技术的开发、研制是一个难题。这一部分主要介绍中国水科院进行的掺气水流量测技术研究的内容和成果，同时附带介绍了中国水科院建制的活动陡槽。
《计算流体力学：湍流模型与多相流模拟》 本书简介 在现代工程科学与物理学领域，流体动力学始终占据着核心地位。从航空航天器的气动设计，到能源系统的热力学过程，再到环境科学中的污染物扩散，精确理解和预测流体的运动规律至关重要。本书《计算流体力学：湍流模型与多相流模拟》聚焦于数值方法在复杂流体问题求解中的应用，特别是针对那些传统解析方法难以触及的非线性、高雷诺数流动，以及涉及多种流体相态相互作用的系统。 本书并非一本介绍基础流体力学原理的入门读物，而是面向具有一定流体力学和数值方法基础的工程师、研究人员及高年级学生，旨在深入探讨现代计算流体力学（CFD）工具箱中最具挑战性也最关键的两大领域：湍流建模与多相流仿真。 第一部分：湍流的数值刻画与高级模型 湍流是流体力学中最普遍也最令人费解的现象之一。其核心特征是高度的随机性、三维性、强烈的涡旋结构以及能量在不同尺度间的级串。精确捕捉这些特性是实现高保真流场模拟的关键。 1. 湍流模型的理论基础与分类 本部分首先回顾了描述纳维-斯托克斯方程（Navier-Stokes Equations）在雷诺平均（RANS）框架下的必然性，并详细阐述了经典的一阶矩模型，如 $k-epsilon$ 模型及其改进版本（如 $k-omega$ SST 模型）。重点分析了这些模型在处理近壁面湍流、剪切流以及流分离等经典问题时的优势与局限性。我们深入探讨了应力输运（Reynolds Stress Model, RSM）模型的建立逻辑，解释了为何 RSM 模型能在某些各向异性流场中提供比标量模型更准确的预测。 2. 大涡模拟（LES）与直接数值模拟（DNS）的实践 对于需要精确捕捉涡旋结构和瞬态行为的工程问题，本章转向了更精细的模拟方法。我们详尽地介绍了大涡模拟（LES）的核心思想——通过滤波器分离大尺度可解析涡和需要模型化的亚格子（Subgrid-Scale, SGS）涡。书中详细对比了不同的 SGS 模型，如动力学模型和混合模型，并结合案例分析了 LES 在 LES-SGS 界面处理上的数值挑战。 直接数值模拟（DNS）作为湍流研究的“黄金标准”，其理论基础和对计算资源的极端要求被清晰阐述。虽然 DNS 极少直接应用于复杂工程场景，但其在发展和验证低阶模型（如 RANS 和 LES）中的基础性作用得到了充分强调。 3. 湍流与热/质量输运的耦合 湍流对热量和质量传递的增强作用是许多实际工程问题的核心。本部分专门讨论了湍流扩散系数的建模，以及在高温、高压或化学反应背景下，如何将湍流模型与能量方程（包含辐射传热或化学反应项）耦合求解，确保数值解在热边界层区域的稳定性与准确性。 第二部分：多相流的统一数值框架 多相流模拟是 CFD 领域中复杂度最高的挑战之一，因为它涉及到不同相态（气、液、固）间的界面演化、相间动量与能量交换，以及可能发生的相变过程。本书采用了统一的数值视角来审视不同类型的多相流。 1. 欧拉-欧拉（Euler-Euler）框架的深入解析 针对分散相浓度较高的系统，如气泡塔、流化床或燃烧室，欧拉-欧拉模型是主流选择。本书详细剖析了该框架下的控制方程组，即对每种流体相体积分别求解动量和能量方程。重点放在相间作用项的精确表述上： 相间曳力（Drag Force）： 比较了 Gidaspow、Ergun 等经典曳力模型的适用范围及其在不同颗粒/气泡尺寸分布下的修正。 相间传热与传质： 讨论了基于修正的边界层理论来计算相间热阻和扩散系数的方法。 湍流的相互影响： 阐述了如何利用双流体模型（Two-Fluid Model）来处理湍流场对分散相运动的调制作用。 2. 欧拉-拉格朗日（Euler-Lagrange）方法的局限与应用 对于稀相流（如颗粒物输运、喷雾燃烧），欧拉-拉格朗日方法提供了一种计算效率较高的替代方案。本章详细介绍了如何通过追踪离散的拉格朗日粒子来描述分散相，并探讨了颗粒与连续相之间的单向或双向耦合机制。特别关注了“碰撞模型”在描述颗粒间相互作用（如碰撞、团聚）中的作用，以及如何处理高密度粒子流中数值耗散带来的挑战。 3. 界面捕捉技术的演进：VOF与水平集方法 对于涉及自由表面流动（如波浪、液滴破碎、雾化）的关键问题，界面捕捉技术是核心。本书对比分析了体积函数法（Volume of Fluid, VOF）和水平集法（Level Set Method）的优劣。 VOF 技术的改进： 重点讨论了如何在保持界面拓扑结构（避免体积泄漏）的同时，提高界面尖锐度，介绍了如 CICSAM 或高分辨率重构方案在动量守恒上的应用。 水平集法的优势： 解释了水平集方法在处理拓扑变化（如界面合并或断裂）时的便利性，以及如何通过后处理重构体积分数以满足守恒性要求。 4. 气液/固液相变的数值处理 最后，本书探讨了复杂的相变过程，如沸腾、凝结或化学反应驱动的相变。我们深入研究了基于相场理论（Phase Field Theory）和界面演化方程在亚稳态区域的建模方法，旨在提供一个能够描述界面演化速度和热力学平衡的连贯框架。 结论与展望 本书的结构旨在提供一个从基础模型到高级应用、从单相湍流到复杂多相系统的知识桥梁。所介绍的方法论和案例均强调了数值精度、物理准确性与计算效率之间的权衡。读者在掌握这些技术后，将能够独立构建和求解涉及复杂流体动力学问题的先进仿真流程。
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