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物理流体力学(“十一五”国家重点图书)

物理流体力学
物理流体力学(“十一五”国家重点图书)
作者:陈义良 朱旻明(编著)

图书详细信息:
ISBN:978-7-312-02168-8
定价:29.00元
版本:1
装帧:平装
出版年月:200809
丛书名称:中国科学技术大学精品教材

图书简介:

  本书是为中国科学技术大学热能和动力工程专业研究生开设的《高等流体力学》课程编写的教材.内容包括:流体力学基本概念和方程的推导,流体在表面力和各种体积力(如浮力,旋转坐标系中的科氏力等)作用下的流动,有自由表面的液体在重力场中的波动,流动的不稳定性和湍流.着重分析各类流动的物理过程和流动特性.
  本书也可以作为航空航天、大气物理、冶金和化工等专业的研究生和科研人员的参考书.

前言:

  本教材是根据作者在中国科学技术大学为热能和动力工程专业研究生开设的《高等流体力学》课程的讲稿整理而成.热能的产生、传递以及热能和其他形式能量之间的转换都是在流体的流动中完成的.流动的特性关系到热能产生和传递的速率,也决定了能量的转换效率.流体力学是热能和动力工程专业知识结构中重要的组成部分.
  热能和动力工程领域涉及的流动问题,由于包含了热能和物质的传递,且大多数是内流,对分子输运、湍流和湍流引起的输运特别关注.有很多流动的流场结构与流场中的温度分布有关,甚至完全决定于温度分布(如自然对流).另外,在动力工程领域,旋转机械内的流动、波浪的运动及波浪能的利用也是很重要的组成内容.在选材上,本书除保持课程的系统性之外,还尽量兼顾到热能和动力工程领域的一些特殊要求.由于在大气物理、冶金、化工工程等领域中的流动,也都涉及热过程,因此,我们希望本教材对其他专业的学生也有参考价值.
  流体力学的控制方程是一组非线性的偏微分方程,对流体力学方程的特性和求解的方法进行研究,这是应用数学的问题.从工程应用角度看,我们可以用数值求解或实验的方法,得出某个特定流场中各种有用的信息.本课程主要用物理观点来分析流动的各种特性,讨论流体力学中如下两类问题:一类是在不同外力作用下流体流动的特征.首先是无体积力影响的流动;然后是在重力场中,因温度或成分变化导致流体密度有变化的流动,或称有浮力影响的流动;第三是地球大气层或旋转机械中气体的流动;最后是液体有自由界面的流动——波浪的运动.另一类是因为流体流动的控制方程是非线性的偏微分方程,流体的流动有一个稳定性问题.原来处于平衡状态的流场,当条件改变时,在扰动的作用下,原有的流动状态会被破坏,变成其他形态的流动,或继续发生不稳定,并最终变成湍流.在自然界和工程中的流动绝大多数是湍流.因此本课程中,我们也将对流动稳定性和湍流作简要的讨论.
  为了从复杂的流体力学方程出发,对上述两类问题进行分析,给出简明的结论,我们需要作出假定,对流动系统进行简化.本课程中采用的主要简化方法有:
  (1)假定流体是不可压的,即流体的密度不随时间和空间变化,流体满足牛顿粘性应力定律,且物性(如μ,λcp)是常数.
  (2) 对流体力学方程进行量纲分析,定义各种不同的无量纲参数.根据无量纲参数的大小,对流场进行分类,并简化方程,然后对某个给定的无量纲参数数值范围的流场特性进行分析.这是本课程中用的最多的一种简化方法.如第2章中,根据Reynolds的大小,把流动分成无粘流和有粘流,并分别进行分析,第3章中对Grashof数Gr>>1的流动进行分析,第4章对Rossby数Ro<<1的流动进行分析等等.
  (3) 在分析波动和流动稳定性问题时,经常采用线性化的简化方法,即假定参数数值不大,非线性项是一个高阶小量,可以忽略不计.
  (4) 当流场在流动方向的长度尺度比其他方向的长度尺度大很多时,我们往往采用自相似性假定.即如果用当地的特征参数和特征长度进行无量纲化,则无量纲参数在横向无量纲坐标中的分布与流动方向的坐标无关.如果各地的特征参数和特征长度是常数,则自相似性假定退化为完全发展的条件,即参数在流动方向的梯度等于零.
  为了突出主要的影响因素,分析流场的几何结构一般都比较简单.
  全书内容分为三部分:
  第1章,在扼要介绍流体力学的基本概念以后,详细推导出流体力学的控制方程,并用具体例子说明流体力学方程的某些应用.
  第2章至第5章介绍流体在各种不同外力作用下,产生流动的流场特征.第2章讨论由压力梯度或因物体相对运动而产生的流体流动的特性.物体在流体中运动时,因为应力使它周围的流体产生运动.应力(包括压强)是流体中的一种表面力,在这一章讨论的流动中,假定体积力的影响很小,可以忽略.在不可压缩流动中,表征流场特性的无量纲参数是Reynolds数.第3章讨论流场中由于温度或浓度的变化导致流体密度的变化,因而流体微团所受的重力有差别而产生的流动.在这一章中,我们通常引进一个参考的密度值或重力,任一流体微团所受的重力与参考重力之差称为浮力,所以,这类流动也称为浮力产生的流动.在浮力产生的流动中,重要的无量纲参数有Grashof数、Prandtl数和Rayleigh数.第4章讨论旋转坐标系中流体流动的特征.当坐标系作匀速旋转时,流体微团受科氏力和离心力的作用,由于科氏力的方向与流动的方向垂直,这类流动有很多新的特征.在分析大气运动和旋转机械内的流动时,要考虑科氏力的影响.重要的无量纲参数有Rossby数和Ekman数.第5章讨论水面重力波的运动.在波浪运动中,重力的影响比粘性的影响大,波浪运动又是无旋的,可以用线性的速度势方程描述.但表征水面运动的边界条件仍是非线性的,分析很困难.在这一章中,我们仅介绍波浪运动的一些基础知识.
  第6章和第7章介绍流动的不稳定性和湍流.流动不稳定性问题的分析是很复杂的,我们在第6章中仅介绍了线性的稳定性理论.首先讨论非线性常微分方程(Lorenz方程)的稳定性问题,然后用谐波方法推广到流体力学非线性偏微分方程的分析.层流到湍流的转捩是一个尚未解决的问题,我们仅介绍Lorenz方程数值求解的结果,并指出剪切流中有多种可能的转捩途径.第7章对湍流作了简单的介绍,首先讨论湍流的模型理论,然后介绍均匀各向同性湍流、自由剪切湍流和壁面湍流,最后给出湍流在谱空间的动力学方程.
  需要强调指出,在工程实践中,遇到的流动往往是很复杂的,产生流动的多种原因可能同时存在,除表面力之外,同时有重力和科氏力的影响.这时就需根据所学的知识,对各种因素影响的大小进行分析,可以首先抓住最主要的影响因素进行分析,然后再考虑其他次要因素引起的修正.
  全书的课程内容由陈义良编写;朱旻明博士编写了各章习题,绘制了全书插图,并对全书内容提出了许多修改意见;历届的研究生也对课程内容提出了不少有益的建议;郄贵苏同志负责全书的输入和校对工作.
  由于时间仓促,书中肯定有不少不妥的地方,恳请读者批评指正.

编著者
2008年

目录:

总 序

前 言

第1章 流体力学的基本概念和控制方程
1.1 流体力学的一些基本概念
1.2 流体力学的控制方程
1.3 非惯性坐标系中流体力学的方程
1.4 涡量的方程
1.5 状态方程和边界条件
1.6 流体力学积分方程的应用
1.7 流体力学微分方程的求解
附录Ⅰ 笛卡尔张量
附录Ⅱ 正交曲线坐标系中微分算子和流体力学的方程

第2章 无体积力不可压缩流体的流动
2.1 动力学相似和流场结构的变化
2.2 大雷诺数下的无粘流动
2.3 边界层流动
2.4 自由剪切层流动
2.5 流动的分离和再附着
2.6 升力

第3章 重力场中的热对流
3.1 热对流的方程
3.2 强迫对流
3.3 自然对流
3.4 自然对流举例
3.5 分层流
附录Ⅲ 自然对流中Boussinesq假定适用的条件

第4章 旋转系统中流体的流动
4.1 匀速旋转坐标系内流体力学的方程
4.2 地转风
4.3 Ekman层
4.4 旋转方型通道中的流动

第5章 水面重力波的运动
5.1 描述水面重力波运动的方程
5.2 等深水体内的单色水波
5.3 水波能量的传递
5.4 色散性和群速度的运动学解释

第6章 流动的不稳定性
6.1 环形通道内气体的自然对流和Lorenz方程的稳定性
6.2 流体力学稳定性问题的谐波分析方法
6.3 旋转Couette流的稳定性问题
6.4 Bénard对流
6.5 剪切流的稳定性
6.6 层流向湍流的转捩

第7章 湍流
7.1 湍流的基本概念
7.2 湍流的方程和模型理论
7.3 均匀各向同性湍流
7.4 湍流自由剪切流
7.5 壁面剪切流
7.6 湍流在谱空间的动力学方程

习 题
参考文献

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