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工程流体力学（普通高等教育十一五规划教材），ISBN：9787508345536，作者：周云龙、洪文鹏
船舶与海洋工程中的流体动力学：理论、计算与应用 本书旨在为从事船舶、海洋工程、水利工程以及相关领域研究与实践的工程师、科研人员和高年级本科生、研究生提供一套全面、深入且注重实际应用的流体动力学知识体系。本书聚焦于工程实践中遇到的复杂流体问题，特别是与船舶运动、海洋结构物相互作用相关的流体力学现象。 第一部分：流体力学基础与守恒定律的工程化表达 本书的开篇部分将系统回顾和深化流体力学的基本概念，并着重于将其转化为可供工程分析的数学框架。 第一章：流体基本性质与描述方法 本章首先阐述了流体（液体与气体）的宏观物理性质，如密度、粘度、表面张力、可压缩性等，并引入了流体力学分析中至关重要的拉格朗日和欧拉描述方法。重点讨论了物质导数（随体导数）的概念及其在描述流场运动中的关键作用。随后，详细阐述了流场分析所依赖的几何量，包括速度梯度张量、应变率张量和涡度张量，为后续的本构关系建立奠定基础。针对海洋工程中的水动力学问题，本章会特别讨论水的物性参数（如温度、盐度对密度的影响）及其在不同深度和环境条件下的变化规律。 第二章：流体力学中的基本守恒定律 本章是全书的理论核心。我们将从微观的流体微团出发，严谨地推导出适用于工程分析的四大基本守恒方程： 1. 质量守恒方程（连续性方程）： 分别在微分形式（针对局部流场）和积分形式（针对控制体）进行推导和讨论。特别强调在不可压缩流体（如水）和可压缩流体（如高速水流或空气动力学环境）中的简化形式。 2. 动量守恒方程（纳维-斯托克斯方程）： 详尽推导牛顿流体的纳维-斯托克斯（Navier-Stokes, N-S）方程，并探讨其在不同坐标系（笛卡尔、柱坐标、球坐标）下的表达。着重分析粘性应力项和压力梯度的物理意义。对于工程应用，本章会讨论动量积分法（控制体分析）的应用，常用于计算船舶阻力、浮力矩等宏观力学量。 3. 能量守恒方程： 推导适用于流体的能量方程，讨论热传导、粘性耗散以及对流项的作用。虽然在许多水动力学问题中常假设为等温或绝热过程，但本章将为涉及流体温度变化或高超音速问题的分析提供必要的理论工具。 4. 本构关系与流体分类： 详细介绍牛顿流体和非牛顿流体（如剪切增稠、剪切稀化流体）的本构关系，并讨论粘度模型在海洋工程（如泥浆输运）中的应用潜力。 第三章：无粘流体动力学与伯努利原理的拓展 本章回归到理想化的无粘流体模型，这在分析流场的大尺度趋势和高雷诺数流动的基础特征时非常有用。 1. 欧拉方程与伯努利方程： 严格推导并分析伯努利方程的适用范围、限制条件，特别是引入了非保守力（如旋转效应）后的广义形式。 2. 势流理论： 介绍速度势函数和流函数，并推导拉普拉斯方程。重点讲解源、汇、偶极子、环量等基本流动单元，并利用叠加原理构建复杂的二维无粘绕流场模型，如用于计算翼型（船体剖面）周围的升力与阻力。 第二部分：粘性流动的分析与边界层理论 在实际的工程应用中，粘性效应是不可忽视的，特别是对于确定阻力、评估流动分离和湍流特性至关重要。 第四章：粘性流动的特征与雷诺数效应 本章核心在于理解粘性在流体运动中的作用，并引入无量纲数： 1. 雷诺数（Reynolds Number, Re）： 深入分析雷诺数作为惯性力与粘性力之比的物理意义，及其在判断流动是层流还是湍流中的决定性作用。 2. 流动分离与尾流： 探讨粘性流体在钝体绕流中发生流动分离的机制（边界层失稳），并分析分离角、尾流的形成及其对物体重力阻力的贡献。 3. 湍流基础： 概述湍流的统计特性，包括平均流场、脉动速度的随机性，以及雷诺应力项在动量方程中的体现。 第五章：经典边界层理论 边界层理论是分析粘性流绕物体运动的核心工具。 1. 边界层概念与假设： 详细阐述边界层内速度梯度极大、粘性效应占主导地位的物理图像，并引入无量纲边界层厚度。 2. 普兰特（Prandtl）的边界层方程： 从N-S方程出发，在适当假设下推导出简化后的二维定常边界层方程组。 3. 积分法与近似解： 运用冯·卡门（von Kármán）动量积分方程，结合经验/半经验的形状函数（如多项式假设），求解平板上的边界层发展过程，计算摩擦阻力系数。 4. 速度剖面与湍流边界层： 讨论层流（Blasius解的特性）到湍流边界层的过渡，重点介绍对数律速度剖面（Log-law）及其在工程计算中的应用。 第三部分：船舶与海洋工程中的流体动力学应用 本部分将前两部分的理论知识应用于具体的工程问题，特别是船体运动和海洋结构物的水动力学挑战。 第六章：流体绕流与阻力分析 1. 阻力理论： 详细分析船舶总阻力（Total Resistance）的组成：摩擦阻力、剩余阻力（兴波阻力）和形状阻力。 摩擦阻力计算： 基于边界层理论，结合ITTC摩擦阻力线或Schoenherr公式，讨论船体表面粗糙度和船体湿表面积对摩擦力的影响。 兴波阻力（Wave Resistance）： 介绍H. Lamb的理论基础，重点分析Froude数、船体形状参数（如吃水、长宽比）如何影响兴波的幅度和能量耗散。 2. 升力体理论（Thin Body Theory）： 应用势流理论（如二元或三元流线理论）来计算水下物体（如鳍、舵）的升阻力特性，这是水动力设计的基础。 第七章：流体动力学中的效应与非定常问题 本章关注船体运动与环境载荷的相互作用。 1. 附加质量与阻尼： 讨论物体在流体中加速或运动时，流体惯性产生的“附加质量”（Added Mass）效应，以及运动物体与流体粘性耗散相关的阻尼（Damping）效应。这对于分析船舶摇荡运动至关重要。 2. 水动力导数： 介绍船舶操纵性研究中使用的水动力导数概念，这些系数通常通过实验水池或数值模拟确定。 3. 空泡现象（Cavitation）： 深入探讨空泡的产生机理（基于Rayleigh-Plesset方程的简化），空泡闭合的物理过程，以及空泡破裂对螺旋桨叶片和水下结构物表面造成的冲蚀破坏。 第八章：海洋工程中的流体力学挑战 1. 绕射与流固耦合： 分析波浪与大型固定或浮式结构物（如平台、导管架）的相互作用。重点介绍绕射理论（Diffraction Theory）在计算波浪载荷（如一阶和二阶力）中的应用。 2. 流致振动（Vortex-Induced Vibration, VIV）： 针对系泊缆绳、立管和海洋结构物立柱，讨论卡门涡街的形成，以及涡脱落频率与结构固有频率的共振现象，并简述抑制VIV的工程措施。 第四部分：计算流体力学（CFD）导论与工程实践 第九章：CFD的基本框架与数值方法 本章作为理论到实践的桥梁，简要介绍求解N-S方程的数值方法。 1. 离散化基础： 介绍有限差分法（FDM）、有限体积法（FVM）的基本原理，并侧重于FVM在工程CFD中的广泛应用。 2. 求解N-S方程的策略： 讨论压力-速度耦合算法（如SIMPLE、PISO算法）的迭代过程，以及稳态与非稳态问题的求解策略。 3. 湍流模型： 简要介绍工程中常用的湍流模型，如零方程模型、k-epsilon ($ ext{k-}epsilon$) 模型和剪应力输运（SST）模型，及其在边界层和分离流模拟中的适用性。 本书的特点在于将严谨的理论推导与面向工程实际的简化、计算方法相结合，提供一套从基本原理到复杂流体现象分析的完整技术路线图。书中的例题和习题将侧重于使用工程经验公式和数值结果的解释，以培养读者分析和解决实际水动力学问题的能力。
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这本书适合少学时的工程流体力学教材，结构安排比较合理，相应的概念言简意赅，适合初学者
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