Theory of Concentrated Vortices pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:

作者:Okulov, V. L.

出品人:

页数:488

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价格:$ 236.17

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isbn号码:9783540733751

丛书系列:

图书标签:

• 流体力学
• 涡旋
• 浓缩涡旋
• 理论
• 数学物理
• 计算流体力学
• 大气科学
• 海洋学
• 非线性动力学
• 物理学

涡旋动力学前沿：流体结构与湍流机理的探索 本书概要 《涡旋动力学前沿：流体结构与湍流机理的探索》并非一本关注特定数学模型或单一现象的专著，而是一部面向广泛流体力学研究者、工程师以及高年级学生的综合性学术著作。本书的宗旨在于系统梳理和深入剖析现代流体力学中关于涡旋结构、湍流过渡、复杂流动控制等多个核心议题的最新进展与前沿挑战。 本书的叙事逻辑以“从基础结构到宏观现象，再到主动控制”为主线，旨在为读者构建一个清晰、连贯的涡旋动力学知识图谱，强调理论分析、数值模拟与实验观测三者间的相互印证与协同发展。 --- 第一部分：基础涡旋结构的精细化刻画 本部分专注于对流体中基本涡旋单元——从二维到三维，从准定常到瞬态——进行深入的几何、拓扑和动力学分析。 第一章：拓扑流线与涡量场分解 本章首先回顾了流场拓扑学的基本概念，如鞍点、节点和环面。重点讨论了如何利用涡量场分解（Vorticity Decomposition）技术，将复杂的瞬态流场精确地解耦为平均流、可预测的背景涡度和高频的湍流动结构。引入了涡心追踪（Vortex Core Line Tracking）算法的最新发展，特别是那些能有效处理涡旋合并、分裂和断裂等拓扑重构事件的先进方法。详细阐述了在非惯性参考系中，如何正确处理科里奥利力和离心力对涡旋结构的影响。 第二章：二维与准二维涡旋系统 深入探讨了平面内的涡旋对、涡旋片以及涡环的相互作用。重点分析了二维欧拉方程在描述强相互作用涡旋系统时的长期演化特性，包括能量和动量守恒的数值稳定性问题。引入了“准二维”假设在浅水波、边界层分离区域中的适用性边界，并讨论了雷诺数对二维涡旋寿命和稳定性的影响。特别关注了周期性边界条件下，涡旋阵列的自组织行为和最终的均匀化过程。 第三章：三维涡旋环与螺旋结构 本章将焦点转向三维空间，特别是涡环（Vortex Ring）的动力学。详细分析了涡环的自感应速度（Self-Induction Velocity）的精确解析解和修正模型，特别是当涡环结构开始展平或发生轴向失稳时的动力学响应。讨论了螺旋涡（Helical Vortices）在剪切流场中的形成机制及其能量传输特性，这对于理解喷流的混合过程至关重要。引入了基于特征长度尺度（Characteristic Length Scales）的理论框架，用于量化不同维度涡旋的相互影响程度。 --- 第二部分：湍流过渡与尺度级联的深入研究 本部分着眼于从层流到湍流的转变过程，以及湍流结构中能量如何在不同尺度间传递和耗散的复杂机制。 第四章：湍流的起源与结构化过渡 本章探讨了流体系统失稳并进入湍流状态的各种路径。超越传统的瑞利-泰勒或开尔文-亥姆霍兹不稳定性，重点分析了“准流态”湍流（Quasi-Streamline Turbulence）和“结构化湍流”（Structured Turbulence）的案例，例如在管道内高格雷戈里数流动中的亚临界湍流现象。详细介绍了切片-旋转（Slicing-Rotation）模型，用于描述小扰动如何在有限几何约束下被放大并最终触发湍流。 第五章：湍流中的能量级联与耗散机制 本章基于科尔莫戈洛夫的惯性子区理论，引入了现代湍流研究的最新成果。探讨了在有限雷诺数下，惯性子区的破坏性，特别是“超前（Forward）”和“逆向（Backward）”能量级联的相对重要性。通过对涡量扩散方程的深入分析，量化了黏性耗散在湍流尾迹中的空间分布，并讨论了在近壁区域，湍流动能如何依赖于近壁涡丝（Near-Wall Vorticity Filaments）的产生和排列。 第六章：大涡模拟（LES）与混合尺度的建模挑战 聚焦于对湍流进行计算模拟的挑战。详细评述了不同类型的亚格子尺度（Subgrid-Scale, SGS）模型的优缺点，从经典的Smagorinsky模型到基于局部应力或动力学过滤的先进模型。重点讨论了如何为非均匀背景流（如高梯度剪切层或强曲率流动）开发物理上更合理的SGS模型，并提出了“混合尺度的不确定性量化”方法，以评估不同模型对宏观性能预测的偏差。 --- 第三部分：复杂流动中的涡旋控制与应用 本部分将理论与工程实践相结合，探讨如何利用对涡旋动力学的理解来主动控制和优化复杂的流体系统。 第七章：边界层分离与再附着控制 详细分析了翼型、曲面或进气道中边界层分离的精确机理，强调了分离泡的形成、演化和重新附着过程中的关键涡旋结构。介绍了多种主动/被动流动控制技术，包括：使用吹气/吸气（Blowing/Suction）来维持或恢复附着，以及利用微小喷流（Microjets）或等离子体激励器（Plasma Actuators）在临界区域引入反向涡量以延迟或抑制分离。重点分析了等离子体激励器激发涡旋的频率响应特性。 第八章：湍流混合与燃烧效率的优化 针对航空发动机、火箭推进器和化学反应器中的湍流混合问题，本章探讨了如何利用涡旋结构来增强燃料与氧化剂的混合速率。分析了剪切层不稳定性（如C-D不稳定性和罗克-泰勒不稳定性）在混合强化中的作用。引入了“共轭流”（Co-Flowing Jets）和“错位喷流”（Swirling Jets）的设计原理，并从涡量梯度和湍流通量两个角度，量化了特定涡旋排列对混合时间的加速效应。 第九章：涡旋动力学在海洋与大气科学中的应用 本章将视角扩展到自然界中的大规模流动现象。深入讨论了海洋中的中尺度涡（Mesoscale Eddies）的生成、生命周期及其对热量和物质输运的影响。在气象学方面，分析了热带气旋（飓风/台风）的眼墙对流结构，以及如何通过中尺度模拟来解析其内部的能量交换过程。讨论了地形效应如何通过强制抬升或剪切作用，改变了大气边界层涡旋的能量谱分布。 --- 总结与展望 本书最后总结了当前涡旋动力学领域尚未解决的关键问题，包括：高阶非线性效应下的长期稳定性预测、湍流模型的统一化理论构建，以及在极端物性参数下（如超音速、高密度比）涡旋的相变行为。本书旨在激励下一代研究人员，利用新兴的计算能力和实验技术，将对涡旋的精细理解转化为对复杂流体系统的精确掌控。

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