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《现代流体力学基础与应用》 本书简介 《现代流体力学基础与应用》是一部全面、深入探讨流体力学核心原理及其在工程实践中广泛应用的专著。本书旨在为高等院校的本科生、研究生以及从事相关领域研究与设计的工程师提供一本权威的参考教材。 全书结构严谨，逻辑清晰，从流体力学的基本概念和控制方程出发，逐步深入到复杂流动现象的分析。我们力求在保持理论深度的同时，充分展现流体力学在现代工程领域中的重要性和实用性。 第一部分：流体力学的基本概念与描述 本部分是全书的理论基石。我们首先介绍了流体的基本定义、分类及其宏观与微观特性。重点阐述了流场描述的两种主要方法——拉格朗日观点和欧拉观点，并详细推导了描述流体运动的基础方程组： 质量守恒方程（连续性方程）： 探讨了在不同坐标系下，描述物质守恒的数学形式，包括不可压缩流体和可压缩流体的具体表达。 动量守恒方程（牛顿第二定律在流体中的应用）： 详细推导了纳维-斯托克斯（Navier-Stokes, N-S）方程，这是分析粘性流动的核心工具。我们讨论了应力张量、压力梯度以及体力对流体运动的影响。 能量守恒方程： 针对流体中的热力学过程，推导了描述能量传输（热传导、对流与辐射）的通用方程，为后续处理热力耦合问题奠定基础。 本部分还对流体的本构关系（如牛顿流体与非牛顿流体）进行了深入剖析，并引入了重要的无量纲参数（如雷诺数、马赫数、普朗特数），阐明了如何利用这些参数进行流动机理的相似性分析和工程简化。 第二部分：经典流动分析与解析解 在掌握了基本方程后，本部分聚焦于处理简化条件下的经典流动问题，旨在培养读者对流场结构和物理机制的直观理解。 静力学与浮力： 涵盖了流体静力平衡、帕斯卡定律、阿基米德原理及其在密闭容器和水利工程中的应用。 理想流体流动： 重点分析了欧拉方程，推导了伯努利方程，并讨论了其在圆管、文丘里管和翼型周围流动的应用。 粘性流动的解析解： 详细分析了层流问题，包括： 泊肃叶流动（Poiseuille Flow）：在圆形管道和二维平板缝隙中的稳定层流。 库艾特流动（Couette Flow）：在两平板间相对运动下的剪切流。 斯托克斯流动（Stokes Flow）：在低雷诺数下的缓慢流动，如球体或圆柱体周围的拖曳力计算。 第三部分：湍流理论与工程应用 湍流是自然界和工程中最常见的流动形态，其随机性和复杂性对分析提出了巨大挑战。本部分系统地介绍了湍流的统计学描述和模型化方法。 湍流的基本特性： 描述了湍流的随机性、脉动性、扩散性和非定常性，引入了雷诺分解和平均化方法。 雷诺时均方程（RANS）： 推导了RANS方程，并解释了“雷诺应力”这一新增未知项的物理意义。 湍流模型： 详细介绍并对比了主流的湍流模型，包括： 零方程模型（如代数模型）。 一方程模型（如 Spalart-Allmaras 模型）。 两方程模型（如 $k-epsilon$ 模型和 $k-omega$ 模型），讨论了它们在处理边界层、自由剪切流和分离流中的优缺点及适用范围。 湍流边界层： 深入分析了平板上的湍流边界层发展，包括速度剖面的特征、摩擦阻力的计算以及边界层分离现象的判定标准。 第四部分：可压缩流体动力学 当流体速度接近声速时，密度变化对流动特性的影响变得至关重要。本部分专门处理高马赫数流动。 基本概念： 定义了等熵流动，推导了基本关系式，并讨论了激波管、膨胀波等基本结构。 正激波与斜激波： 详细分析了正激波的物理过程和由雷尼-休格特关系（Rankine-Hugoniot Relations）描述的跨音速和超音速流动中的能量损失。 管道中的可压缩流动： 涵盖了管道中的等熵流动（考虑摩擦和热传导的流动）以及焦耳-汤姆逊效应。 超音速流动的应用： 讨论了楔形物体和圆锥体周围的斜激波理论，以及超音速翼型的设计基础。 第五部分：流动分析的数值方法与计算流体力学（CFD） 随着计算能力的飞速发展，数值模拟已成为解决复杂流动问题的核心手段。本部分将理论与计算实践相结合。 离散化技术： 介绍了求解偏微分方程的几种主要数值方法，包括有限差分法（FDM）、有限体积法（FVM）和有限元法（FEM）的基本思想和网格生成技术。 压力-速度耦合算法： 重点讲解了求解不可压缩N-S方程的关键算法，如SIMPLE系列算法的原理和迭代过程。 网格无关性与误差评估： 强调了计算结果的可靠性验证（Verification）和确认（Validation），包括网格收敛性测试和与实验数据的对比。 CFD在工程中的案例分析： 展示了如何利用CFD软件对复杂工程问题进行建模和求解，例如复杂管道网络中的压力损失、热交换器中的换热效率评估、以及汽车或飞机周围的气动外形优化。 第六部分：进阶主题与多物理场耦合 本部分探讨了流体力学中一些更前沿或需要多学科交叉的领域。 多相流基础： 简要介绍了气-液、气-固两相流动的基本模型，如欧拉-欧拉模型和欧拉-拉格朗日模型，适用于气力输送和气泡动力学研究。 流固耦合（FSI）： 探讨了流体载荷对固体结构产生影响（如桥梁的颤振、管道的振动）的问题及其耦合求解的数值策略。 微尺度流动： 简要介绍了低雷诺数下，如微流控芯片中流动的特殊性，如惯性力的忽略和表面张力的重要性。 总结 《现代流体力学基础与应用》不仅是一本理论教材，更是一座连接基础物理与现代工程实践的桥梁。全书配有大量的工程实例、习题和思考题，帮助读者巩固理论知识，培养解决实际工程问题的能力。通过对本书的学习，读者将能够熟练运用流体力学的原理和现代计算工具，应对包括航空航天、能源开发、环境治理和生物医学工程在内的多领域复杂流动挑战。
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