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出版者:科学

作者:李素循

出品人:

页数:193

译者:

出版时间:2007-6

价格:45.00元

装帧:

isbn号码:9787030191212

丛书系列:

图书标签:

• 空气动力学
• 数值计算
• 激波
• 边界层
• 复杂流动
• 计算流体力学
• 数值模拟
• 气动学
• 传热学
• 湍流
• 超音速流动
• 可压缩流动

激波与边界层主导的复杂流动 本书深入探讨了在高速气体动力学领域中，激波与边界层相互作用所引发的各种复杂流动现象。作者从理论基础出发，系统梳理了激波的产生机制、结构特性及其传播演化规律，并在此基础上，详细阐述了边界层的形成、发展以及与激波耦合时的非定常、三维等复杂行为。全书力求将抽象的物理概念与严谨的数学描述相结合，为读者提供一个全面而深刻的理解框架。 第一部分：激波的基本理论与流动机理 本部分将首先回顾经典气体动力学理论，为理解高速流动奠定基础。我们将从理想气体模型开始，介绍亚声速、跨声速、超声速和高超声速流动的基本特征，以及马赫数、普朗特-迈耶函数等关键参数的物理意义。 第一章：高超声速流动的基本概念 1.1 马赫数与流动分类： 详细介绍马赫数在划分不同流速区间中的作用，包括亚声速、跨声速、超声速和高超声速流动的边界条件和典型特征。 1.2 气体动力学基本方程组： 阐述连续性方程、动量方程和能量方程在高马赫数流动的简化与应用，以及定性分析其在激波附近的显著变化。 1.3 绝热过程与热力学关系： 深入分析绝热过程对气体状态参数的影响，重点关注绝热指数、等熵过程、绝热膨胀与压缩等概念，并探讨其在激波压缩过程中的体现。 1.4 伯努利方程在高马赫数流动的局限性： 解释为何在存在激波和粘性效应的非定常流动中，经典的伯努利方程不再完全适用，并引入更普适的能量守恒概念。 1.5 速度势流与不可压缩流动的类比与区别： 对比高超声速流动与经典低速流动在数学描述和物理规律上的异同，强调高马赫数下气体可压缩性带来的本质差异。 第二章：激波的产生、结构与传播 2.1 激波产生的充要条件： 详细分析激波产生所必需的超声速流动和气流的不连续性，探讨不同几何形状物体（如楔形、圆锥体）在超声速流场中产生激波的模式。 2.2 激波的分类： 区分斜激波、直激波、弓形激波、马赫 the the，以及附着激波和脱体激波等不同类型，并分析它们各自的形成条件和流场结构。 2.3 激波的内部结构： 探讨激波层内的物理过程，包括分子碰撞、能量传递以及粘性耗散的作用，分析激波厚度与气体性质、流动参数的关系。 2.4 激波强度与气体参数变化： 基于雷曼-因纳斯（Rankine-Hugoniot）关系式，定量分析激波前后的压力、密度、温度和速度等参数变化，深入理解激波压缩的本质。 2.5 激波传播的动力学： 分析激波的形成、传播速度及其与流场速度的关系，探讨激波在自由空间传播、遇到障碍物时的反射、透射和衍射现象。 2.6 激波在二维与三维流场中的行为： 扩展激波理论至更高维度，分析激波在复杂几何形状和三维流场中的相互作用，如激波聚焦、激波合并等。 第二部分：边界层的形成、发展与激波耦合 本部分将聚焦于粘性效应在高速流动中的重要性，特别是边界层的形成、发展及其与激波之间的复杂互动。 第三章：粘性流动与边界层的基本理论 3.1 粘性对流动的影响： 引入纳维-斯托克斯方程，阐述粘性力在流体内部和壁面附近的耗散作用，以及它如何导致边界层的形成。 3.2 普朗特边界层概念： 详细介绍普朗特边界层理论，区分层流边界层和湍流边界层，以及它们在速度分布、厚度和能量耗散方面的差异。 3.3 边界层的发展与转捩： 分析边界层从层流向湍流的转捩过程，探讨影响转捩的关键因素，如表面粗糙度、压力梯度和外流扰动。 3.4 边界层方程的简化与求解： 介绍相似解法、积分法等求解边界层方程的常用方法，并分析其在高马赫数流动的适用性。 3.5 边界层与自由流的相互作用： 探讨边界层厚度、形状因子等参数对外部流场的影响，为理解激波与边界层耦合奠定基础。 第四章：激波与边界层的相互作用 4.1 激波对边界层的影响： 分析当激波与边界层相遇时，激波的压力升高、温度升高如何改变边界层的速度分布、动量厚度和能量厚度。 4.2 边界层对激波的影响： 探讨边界层内的速度亏损如何影响激波的形状和强度，以及边界层的粘性耗散如何使得激波不再是严格的二维或三维理想激波。 4.3 附着激波与边界层分离： 详细分析当激波强度达到一定程度，或遇到逆压梯度时，边界层发生分离的现象，以及分离引起的流场不稳定性。 4.4 激波-边界层相互作用的类型： 区分不同强度的激波与边界层相互作用产生的现象，如弱相互作用、强相互作用、激波诱导分离、边界层诱导激波等。 4.5 非定常激波-边界层相互作用： 深入探讨在某些流动条件下，激波与边界层相互作用产生的周期性或随机性振荡，如激波振荡、颤振等。 4.6 三维激波-边界层相互作用： 扩展至更复杂的三维流动，分析角落激波、拐角激波等引起的复杂流场结构，以及它们与三维边界层的耦合。 第三部分：复杂流动现象与数值模拟 本部分将综合前两部分的内容，深入探讨激波与边界层主导的复杂流动在工程应用中的具体表现，并介绍常用的数值模拟方法。 第五章：复杂流动现象分析 5.1 高超声速飞行器绕流： 分析高超声速飞行器（如火箭、导弹、航天飞机）在再入大气层过程中，其头部激波、翼面激波与边界层相互作用产生的气动加热、气动载荷和控制面的响应。 5.2 超燃冲压发动机内部流动： 探讨超燃冲压发动机（Scramjet）中，激波串与进气道边界层、燃烧室内的激波与火焰相互作用，以及由此产生的燃烧不稳定性和性能损失。 5.3 喷气推进与排气流： 分析喷气发动机喷口处的激波结构（如超声速射流中的“马赫盘”），以及激波与周围空气边界层的相互作用对噪声和推力的影响。 5.4 激波管与冲击波发生器： 探讨激波管在产生瞬态高压、高温流场中的应用，以及激波在其中的传播、反射和相互作用，并分析其在材料测试、冲击波研究中的作用。 5.5 航空发动机与燃气轮机叶片上的流动： 分析航空发动机跨声速压气机和涡轮叶片上的激波与边界层相互作用，以及由此引起的流动损失、喘振和效率下降。 5.6 冲击波在材料科学与工程中的应用： 探讨冲击波在材料冲击压缩、冲击波诱导相变、爆炸成形等过程中的作用，以及激波与材料界面边界层的相互作用。 第六章：数值模拟方法与应用 6.1 数值方法的原理与分类： 介绍有限差分法、有限体积法、有限元法等数值求解纳维-斯托克斯方程的基本原理，以及它们在高马赫数流动模拟中的适用性。 6.2 激波捕捉与界面处理技术： 重点阐述激波捕捉方法，如黎曼求解器、通量修正等，以及如何处理激波与边界层界面的数值离散问题，避免数值耗散过大或数值振荡。 6.3 湍流模型在高速流动中的应用： 讨论不同类型的湍流模型（如RANS、LES、DNS）在高马赫数、强相互作用流动模拟中的选择与优缺点，以及如何准确捕捉边界层湍流结构。 6.4 高性能计算在复杂流动模拟中的作用： 强调并行计算、GPU加速等技术在高马赫数复杂流动三维瞬态模拟中的重要性。 6.5 数值模拟的验证与展望： 讨论数值模拟结果与实验数据的对比验证方法，并展望未来数值模拟在预测和优化复杂流动问题中的发展趋势。 本书旨在为从事航空航天、动力工程、材料科学等领域的科研人员、工程师和研究生提供一本内容扎实、视野开阔的参考书，帮助他们深入理解并解决激波与边界层主导的复杂流动问题。

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主要以实验为主，数据堆砌，对物理本质深入不够

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