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出版者:McGraw-Hill Inc.,US

作者:Victor L. Streeter

出品人:

页数:0

译者:

出版时间:1961-01-01

价格:USD 98.00

装帧:Hardcover

isbn号码:9780070621787

丛书系列:

图书标签:

• 流体力学
• 流体动力学
• 工程流体
• 计算流体动力学
• 传热
• 流体机械
• 边界层
• 湍流
• 流体数值方法
• 航空航天工程

好的，这是一本关于流体动力学基础理论与前沿应用的专著的详细简介，内容侧重于经典理论的深入探讨、现代计算方法的应用以及特定工程领域的挑战，旨在为研究人员、工程师和高年级学生提供一本全面而深入的参考读物。 --- 《湍流、多相流与极端条件下的流体力学：理论、模型与应用前沿》 内容简介 本书是对当代流体力学领域关键挑战和新兴研究方向的深度剖析与系统总结。它超越了基础的层流和不可压缩牛顿流体的经典框架，聚焦于自然界和工程技术中普遍存在的复杂流动现象——特别是湍流、多相流以及在极端高/低温或高超声速条件下的流体行为。本书旨在构建一座连接宏观现象、微观机理与先进数值模拟技术的桥梁，为读者提供一套严谨的理论工具箱，以应对二十一世纪工程科学中的复杂流体力学问题。 全书共分为五大部分，共二十章，结构严谨，逻辑清晰，力求在理论的深度和应用的广度之间取得完美的平衡。 --- 第一部分：湍流理论的深化与模型构建 本部分将流体力学从理想化的层流状态推向真实世界中普遍存在的、最具挑战性的流动——湍流。 第1章：湍流的统计描述与经典理论回顾 本章首先回顾了雷诺平均纳维-斯托克斯（RANS）方程的推导及其固有的局限性。随后，重点深入探讨了湍流的统计特性，如脉动速度的概率密度函数（PDF）、二阶和高阶矩的演化方程。对Kolmogorov的四/五次方定律在不同尺度上的适用性进行了批判性分析，并引入了涡度输运方程，为理解湍流的结构性特征奠定基础。 第2章：湍流模型的现代发展与验证 详细考察了从 $k-epsilon$ 和 $k-omega$ 模型到第二类矩（Second Moment Closure, SMC）模型的演变历程。重点讨论了各模型的结构优势与缺陷，特别是它们在处理分离流、逆压力梯度和流线弯曲时的失效机制。随后，引入了基于应力输运方程的模型（如线性与非线性 RSM），并探讨了各向异性湍流的建模策略。 第3章：大涡模拟（LES）与混合尺度的建模 本章聚焦于从RANS向解析方法的过渡。详细阐述了LES的理论基础，包括小尺度过滤操作的数学定义与物理意义。对亚格子尺度（SGS）模型进行了全面梳理，从Smagorinsky模型到动态SGS模型的构建，并讨论了LES在模拟非均匀湍流和对流占优问题中的应用挑战与优势。 第4章：直接数值模拟（DNS）的挑战与前沿 虽然DNS在计算资源上的要求极高，但它是理解湍流基本机理的黄金标准。本章探讨了DNS在处理高雷诺数流动时的网格尺度、时间步长控制的难度，并展示了最新的高精度有限体积/有限差分方法的实现细节。特别关注了在解析湍流脉动能级中，DNS如何揭示能量级联的精确路径。 --- 第二部分：多相流动的复杂性与界面动力学 本部分转向处理包含两种或更多互不相溶相的系统，这是化工、能源和环境工程中的核心议题。 第5章：多相流的分类、相间作用力与连续介质模型 系统地介绍了气-液、气-固、液-液等主要的多相流类型。深入分析了驱动相间运动的关键力：拖曳力、升力（如对旋转颗粒的Magnus力）、压力梯度力和范德华力等。建立了欧拉-欧拉（Euler-Euler）和欧拉-拉格朗日（Euler-Lagrange）框架的适用性边界。 第6章：界面追踪技术与相场方法 详细探讨了处理动态界面的先进数值技术。对VOF（Volume of Fluid）、水平集（Level Set）方法进行了细致的数学描述与对比，重点分析了界面捕捉的保真度与数值耗散问题。引入了相场（Phase Field）模型，阐述其如何通过引入一个描述混合程度的序参量，将界面视为一个有限厚度的过渡区，从而简化了涉及复杂拓扑变化的模拟。 第7章：颗粒流与气固两相流的离散元方法（DEM） 专注于颗粒体系。详细介绍了离散元方法的力学基础，包括颗粒间的接触模型（如Hertz-Mindlin接触模型）、磨损与破碎的建模。将DEM与计算流体力学（CFD）相结合的耦合方法（Coupled DEM-CFD）被深入剖析，应用于流化床、气力输送和粉体工程中的关键问题。 第8章：气液界面现象：空化与雾化 专门研究了快速压力变化的液体中空泡的生成、发展与溃灭动力学（空化现象），包括Rayleigh-Plesset方程的推广应用。同时，详细讨论了喷雾和雾化过程，从射流不稳定性（如开裂模式）到液滴的破碎（Bag Breakup, Stream Breakup）机制，以及液滴动力学中的撞击与合并过程。 --- 第三部分：高温、高超声速流与化学反应动力学 本部分关注流体在极端热力学条件下的行为，尤其是在航空航天和能源转换领域的核心问题。 第9章：高超声速流动的特征与稀薄气体效应 分析了马赫数远大于5的流场特性，包括强激波的形成、附面层/外流耦合效应以及能量耦合。系统阐述了气体动力学从连续介质模型向过渡区流动（Transitional Flow）模型的过渡，特别是Knudsen数对流动物理特性的影响。 第10章：化学反应流与非平衡态效应 探讨了流体运动与化学反应的耦合问题。对反应速率建模（如Arrhenius定律）在不同温度梯度下的局限性进行了探讨。重点分析了燃烧系统中的火焰传播模式（如层流预混火焰、扩散火焰）以及化学激发对声学传播的影响。 第11章：热力学非理想性与高温气体动力学 在极高温度下，气体分子不再遵循理想气体假设。本章介绍了如何使用化学平衡态或非平衡态的组分模型来处理分子振动能、化学解离和电离现象。重点讨论了高温边界层中的传热与传质机制。 --- 第四部分：计算流体力学（CFD）的高级技术 本部分侧重于解决复杂几何和复杂物理模型所需的先进数值算法和高精度计算框架。 第12章：非结构化网格与自适应网格加密（AMR） 详细介绍了处理复杂边界和流动梯度所需的非结构化网格生成技术（如四面体、多面体网格）。深入探讨了基于误差估计的自适应网格加密（AMR）策略，用于在保证整体计算效率的同时，精确捕捉激波、界面或高梯度区域。 第13章：时间积分方法与隐式/显式求解器 对流体动力学方程的瞬态求解至关重要。本章对比了不同阶数的Runge-Kutta方法、Crank-Nicolson方法等，并详细分析了求解大型稀疏代数方程组时的隐式求解器（如GMRES, BiCGSTAB）的收敛性问题，特别是在耦合求解 Navier-Stokes 方程时的压力-速度耦合算法（如SIMPLE, PISO 族算法）的改进。 第14章：基于梯度的数值通量构建 超越一阶迎风格式，深入探讨了高分辨率格式，如MUSCL（Monotone Upstream-centered Schemes for Conservation Laws）框架，以及TVD（Total Variation Diminishing）方案。重点分析了限制器函数（Flux Limiters）在抑制数值振荡和保持解单调性方面的作用。 第15章：并行计算架构与高性能流体力学 讨论了如何将复杂的CFD模型部署到现代GPU和大规模CPU集群上。涵盖了领域分解（Domain Decomposition）、通信优化（如MPI/OpenMP混合编程）以及在求解器层面实现的数据局部性优化，以充分利用现代硬件的并行潜力。 --- 第五部分：前沿应用与跨学科流体力学 本部分展示了上述理论与方法在关键工程和科学领域中的具体实现和未来潜力。 第16章：生物流体力学中的非牛顿流体 探讨了血液、粘液等生物流体的剪切稀化、剪切增稠等非牛顿特性。着重分析了血液流动中的红细胞变形、血栓形成中的流体驱动因素，以及微循环系统中的对流和扩散耦合。 第17章：多孔介质与地下水动力学 从宏观平均出发，系统介绍Darcy定律的适用范围及其在多孔介质中的扩展，如非达西流动。深入研究了浸润前缘、毛细作用力在岩石或土壤结构中的驱动机制，以及在污染物迁移和地热能开发中的应用。 第18章：声学与流体相互作用（FSI） 分析了弹性结构与流体相互作用的耦合问题。重点关注薄壁结构（如血管、管道）在脉动压力下的振动响应，以及这些结构振动如何反作用于流场，导致声辐射或结构疲劳。 第19章：热机械耦合与材料失效预测 在极端热载荷下，流体流动带来的热量传递直接影响材料的性能和结构完整性。本章讨论了流固热耦合模型的构建，以及如何利用高保真流场数据驱动的热应力分析，预测材料的蠕变和疲劳失效。 第20章：机器学习在流体力学中的融合 作为总结和展望，本章探讨了如何利用数据驱动的方法增强传统CFD。包括使用神经网络替代复杂的SGS模型、利用降阶模型（Reduced Order Models, ROMs）实现快速预测，以及通过深度学习方法从实验数据中反演未知的流场参数。 --- 本书特色： 深度与广度兼备： 既提供了湍流建模的严格数学推导，也涵盖了高超声速、多相流等前沿应用。 强调方法论： 大量篇幅用于讨论现代CFD方法，为读者提供解决复杂问题的实际工具。 跨学科视角： 融合了物理、化学和材料科学的视角，反映了当代流体力学研究的综合性。 本书是流体力学研究人员、航空航天、能源工程、生物工程领域的高级专业人士，以及致力于深入理解复杂流动现象的研究生的必备参考书。

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这本书的编辑和组织结构显然是经过精心设计的，它试图构建一个从宏观到微观、从低速到高速的完整知识体系。我注意到它对相似性原理和量纲分析的介绍非常到位，这是将实验室数据推广到实际工程应用的关键桥梁。书中大量引用的历史性实验数据和早期研究成果，为理解当前研究的背景提供了极佳的历史纵深感。但说实话，作为一本现代手册，它对新近兴起的“软物质流体力学”（如生物流体、胶体悬浮液）的覆盖面实在太窄了。如今，生物医学工程对流体力学工具的需求日益增长，涉及复杂的流变学和微尺度效应，而这本书的侧重点似乎仍牢牢锁定在传统的连续介质力学领域。这使得它在面对跨学科研究时，显得有些力不从心，期待未来版本能拓宽其应用边界。

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这本书的理论深度足以让博士生感到挑战，但其叙述风格却出奇地严谨和克制，几乎没有任何煽情的或过于口语化的表达。每一个定理的引用、每一步的数学推导，都像是经过了最严格的同行评审。我个人尤其欣赏它在处理“不适定问题”（Ill-posed Problems）时的态度，例如某些初始条件下的湍流演化，作者没有试图给出虚假的确定性答案，而是诚实地讨论了随机性和统计学描述的必要性。这种科学的严谨性是其最大的优点。但反过来看，对于那些急需在短时间内解决一个具体工程问题的技术人员来说，这种近乎哲学的深度可能会让人感到效率低下。有时候，我们需要的只是一个经过验证的经验公式和使用范围说明，而不是从第一性原理出发的冗长论证。它更像是一部需要“品鉴”而非“速查”的著作。

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这本《流体动力学手册》真是本大部头，光是翻阅目录就能感受到其内容的博大精深。我本来是想找一本关于非牛顿流体特性的入门读物，结果一头扎进了这本包罗万象的“百科全书”。它详尽地介绍了从最基础的流体力学原理，到复杂的湍流模型，几乎涵盖了流体力学研究的方方面面。我尤其欣赏它对边界层理论的深入剖析，那些关于分离点预测和粘性效应的论述，清晰得令人信服。不过，对于初学者来说，前几章的数学推导可能稍微有点劝退，那些偏微分方程的求解过程，实在需要静下心来反复研读。我希望里面能增加更多直观的物理图像辅助理解，毕竟，光有公式是很难真正“掌握”流体行为的。总的来说，对于希望系统性学习和查阅资料的工程师和研究人员而言，它无疑是一部不可或缺的工具书，只是对那些只想了解皮毛的读者来说，可能需要极大的耐心和时间投入。

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拿到手的时候，沉甸甸的感觉就预示着这不是一本轻松的读物。我主要关注的是计算流体力学（CFD）的应用部分，期望能从中找到一些关于高超声速流动模拟的先进算法。书中对有限体积法和有限元法的对比分析相当到位，特别是关于网格划分策略的讨论，提供了很多实用的工程经验。然而，我发现它在提及最新进展方面略显滞后，比如关于格子玻尔兹曼方法（LBM）的深度探讨就不如我预期。LBM在处理复杂几何体和多相流方面展现出巨大潜力，但在这本书中似乎只是浅尝辄止。这本手册更像是对经典理论体系的一次全面梳理和总结，对于那些紧跟前沿研究的人来说，可能需要搭配最新的期刊论文一同阅读。但即便如此，它对经典数值方法的扎实阐述，依然为理解更复杂的现代算法打下了坚实的基础，这一点必须肯定。

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我得说，这本书的排版和图表质量绝对是教科书级别的典范。那些关于翼型绕流的压力分布图，绘制得极其精细，色彩分层清晰，使得复杂的流动结构一目了然。作为一名航空工程师，我对书中关于升力线理论和面板方法的章节非常感兴趣。作者在推导过程中，对假设条件的阐述非常审慎，总是明确指出在何种物理条件下这些简化模型是成立的，这一点对于实际应用至关重要，避免了盲目套用公式的风险。然而，我发现它在热力学与流体力学的耦合部分略显不足。在处理强化学反应流体或高温等离子体流动时，仅仅依靠几个简单的能量方程耦合是不够的，需要更深入的输运理论支撑，这本书在这方面似乎有所保留，或许是篇幅所限，但确实影响了其在极端环境应用中的参考价值。

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