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isbn号码:9787810074698

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现代流体力学研究前沿与应用 本书导览：跨越理论与实践的流体动力学新视野 本书旨在为流体力学领域的研究人员、工程师以及高年级本科生提供一个全面、深入且紧跟时代前沿的知识体系。我们聚焦于流体力学领域内那些推动学科发展、并在多个工程领域展现出巨大应用潜力的核心概念、先进方法论以及突破性成果。本书的编写哲学是：立足坚实的理论基础，面向前沿的实际挑战。 --- 第一部分：流体动力学基础的再审视与深化 (Foundational Rethinking) 传统的流体力学教学往往侧重于牛顿、欧拉和纳维-斯托克斯方程的解析求解。然而，在现代工程和自然科学的复杂系统中，解析解已无法应对绝大多数问题。本部分旨在对这些基础进行“重新校准”，强调其在复杂介质和极端条件下的适用性边界。 第一章：非牛顿流体动力学的本构关系与复杂流变学 本章摒弃了对经典牛顿流体的简单假设，深入探讨了高分子溶液、悬浮液、泥石流、生物体液等非牛顿流体的复杂流变行为。 1. 广义粘度模型及其局限性： 重点分析了剪切稀化（剪切变稀）和剪切增稠（剪切浓化）现象背后的微观机理。详细介绍如幂律模型（Power Law）、宾汉塑性（Bingham Plastic）以及更高级的卡罗-斯威夫特（Carreau-Yasuda）模型在描述跨尺度剪切速率下的粘度变化。 2. 粘弹性流体： 引入了记忆效应和松弛时间概念，探讨了Oldroyd-B、Maxwell模型在描述拉伸和剪切变形中的差异。特别关注了“绳索状效应”（Weissenberg Effect）在挤出和喷射过程中的控制作用。 3. 粘塑性与屈服应力： 深入研究了如何准确测量和建模屈服应力（Yield Stress），这对于油泥、牙膏、混凝土等材料的储存、泵送和流动至关重要。 第二章：湍流模型的演进与混合长度理论的修正 湍流是流体力学中最具挑战性的课题之一。本章不满足于标准 $k-epsilon$ 模型，而是聚焦于高精度和可解释性的湍流模型。 1. 雷诺时均化（RANS）的局限性与修正： 分析了标准模型在处理强烈流线弯曲、逆压梯度分离区域的衰减问题。引入了 Spalart-Allmaras 模型在边界层预测上的优势，以及 SST $k-omega$ 模型在处理壁面剪切流中的稳定性。 2. 大涡模拟（LES）的进展： 重点讨论了亚网格尺度（Subgrid-Scale, SGS）模型的改进，包括动态SGS模型和基于能量守恒的SGS模型，以及它们在涡旋结构解析中的应用。 3. 混合长度理论的非局部性： 探讨了如何利用非局部性理论（如涡粘性系数的非局部依赖性）来更准确地描述湍流脉动的相互作用，尤其是在剪切层入口区域。 --- 第二部分：极端环境与多物理场耦合 (Extreme Environments and Multiphysics) 现代工程问题往往涉及高温、高压、化学反应或电磁场等多种物理现象的耦合。本部分是本书最具前沿性的内容，专注于解析和数值模拟多物理场耦合下的流体行为。 第三章：高超声速流动与稀薄气体动力学 在航天和高超声速飞行器设计中，气体动力学行为发生根本性变化。 1. 分子运动论的回归： 详细介绍了气体动力学理论（Kinetic Theory），特别是玻尔兹曼方程及其在稀薄气体流动中的应用。讨论了基于直接模拟蒙特卡洛（DSMC）方法的优势与挑战。 2. 化学反应动力学与非平衡态效应： 深入分析了高焓状态下气体的化学反应、电离和弛豫过程。探讨了如何将化学反应速率常数与流场求解器进行耦合，以预测再入大气层时的气动热载荷。 3. 激波层结构： 区别于经典的薄激波模型，本章探讨了高马赫数下激波内部的分子碰撞、能量交换和熵增过程的精细结构。 第四章：磁流体动力学（MHD）在受限系统中的应用 探讨了在强磁场作用下导电流体（如等离子体、熔融金属）的运动规律及其在能源技术中的应用。 1. MHD 方程组的简化与求解： 分析了磁场作用下的洛伦兹力对纳维-斯托克斯方程的修正。重点讲解了如何在数值模拟中处理磁场与流场之间的强耦合，特别是如何保持磁场的无散性（$ abla cdot mathbf{B} = 0$）。 2. 电磁驱动与控制： 阐述了电磁感应泵（Induction Pump）的工作原理，以及如何利用外部磁场对高速流体进行非接触式加速或制动，这在核聚变反应堆的液态金属冷却回路中具有重要意义。 3. 等离子体边界层问题： 讨论了等离子体与固体壁面相互作用产生的Shear Layer问题，以及电磁辐射对流体温度场的影响。 --- 第三部分：数值模拟方法的突破与验证 (Numerical Breakthroughs and Verification) 本书的很大一部分篇幅致力于介绍和评估当前最先进的计算流体力学（CFD）算法，以及确保模拟结果可靠性的严格验证与确认（Verification and Validation, V&V）流程。 第五章：基于网格重构的高精度空间离散化技术 传统的有限体积法（FVM）在处理复杂几何体和高精度要求时存在固有缺陷。本章聚焦于超越FVM的先进技术。 1. 不规则网格上的高阶精度方法： 详细介绍了有限单元法（FEM）在流体动力学中的应用，特别是其在处理非结构化网格上的优势。深入探讨了等几何分析（Isogeometric Analysis, IGA）如何通过使用NURBS基函数来统一CAD几何描述和FEA求解，从而消除几何误差。 2. 间断伽辽金方法（DG）与高精度格式： 阐述了DG方法在保持局部解高精度和捕捉间断（如激波）方面的卓越性能。分析了如何设计满足熵条件的DG格式来确保物理可行性。 3. 自适应网格加密（AMG）与局部网格加密（LOM）： 探讨了如何利用先进的误差指示器（如梯度重构或余量分析）自动优化网格密度，从而在保证整体计算效率的同时，精确解析关键的物理特征（如分离点、再附着点）。 第六章：数据驱动与混合建模方法 随着计算资源的增强和实验数据的积累，将数据科学融入流体力学建模已成为必然趋势。 1. 本构方程的机器学习修正： 介绍如何使用神经网络或高斯过程回归（GPR）来修正传统湍流模型中参数化的不准确性，使模型更符合特定实验数据。 2. 降阶模型（ROM）的构建： 重点介绍基于Proper Orthogonal Decomposition (POD) 或Dynamic Mode Decomposition (DMD) 的方法，用于从高维CFD数据中提取出控制流场动态行为的低维模态，从而实现实时或近实时模拟。 3. “数字孪生”的流体力学基础： 探讨如何结合实时传感器数据与高保真CFD模型，通过卡尔曼滤波或数据同化技术，对复杂的工业过程（如燃烧室、水轮机叶片结冰）进行预测性维护和实时优化控制。 --- 第四部分：前沿应用案例与工程挑战 (Frontier Applications) 本部分选取了当前最具挑战性、对社会影响最大的工程领域，展示流体力学工具箱的实际效能。 第七章：多相流与界面动力学 复杂系统往往涉及气-液、液-液或固-液之间的界面演化。 1. 相场方法（Phase Field Method）： 详细解析相场方法如何描述界面演化、合并和破碎，特别适用于模拟复杂的雾化、喷射和润湿问题，避免了传统VOF（Volume of Fluid）界面追踪的数值耗散问题。 2. 微流控中的非对称输运： 讨论在极低雷诺数下，如在微通道内，流体阻力、电泳作用和扩散作用如何共同影响颗粒或溶质的输运，以及如何利用微结构设计来增强或抑制混合。 3. 多孔介质中的非达西流动： 探讨了高孔隙度或高渗透率介质中的流动，如在页岩气开采或燃料电池中的气液分布问题，需要考虑毛细管力和表面张力的影响。 第八章：生物流体力学中的宏观与微观耦合 本章关注流体力学原理在生物系统中的应用，这是一个快速发展的交叉学科领域。 1. 心血管动力学： 结合血流动力学、血液粘弹性以及血管壁的弹性力学，分析动脉瘤的形成风险和瓣膜的动力学特性。强调了脉动流场（Pulsatile Flow）对壁面剪切应力的影响。 2. 呼吸系统气动声学： 分析了声带振动产生的复杂非定常流动，以及如何利用流体-结构耦合（FSI）模型来预测呼吸道疾病（如哮喘）中气流阻力的变化。 3. 微生物群落的输运： 探讨了在低速流动环境中，细菌群落如何通过介导流体剪切力来影响其自身的附着和迁移行为，这对于生物膜的形成至关重要。 总结： 本书的最终目标是培养读者在面对未定义或高度耦合的流体力学问题时，能够批判性地选择最合适的物理模型、最可靠的数值算法，并严格执行V&V流程，从而在航空航天、能源、环境、生物医学等多个高技术领域中，提供具有工程实用价值的解决方案。

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这本书的装帧设计十分典雅，厚重的纸张和精美的印刷，都透着一股学术的严谨和专业。我尤其喜欢它对复杂数学公式的处理，清晰明了，排版也十分考究，这对于阅读一本涉及大量数学推导的书籍来说，无疑是一个巨大的福音。我之前也接触过一些关于流体力学的书籍，但往往因为公式太多、推导过程跳跃而感到困惑。而这本书似乎很注重细节，力求让读者能够步步为营地理解每一个概念和公式的由来。我虽然还没有开始深入研究里面的具体算法，但光是看它对基本概念的引入和阐述，就感觉非常扎实。例如，它对纳维-斯托克斯方程的讲解，以及各种近似方法的引入，都做得相当到位，给人的感觉是作者不仅知识渊博，而且非常善于教学。这本书的出现，对我来说，更像是一次系统性的学习机会，而不仅仅是知识的获取。

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我一直对航空航天领域的流体动力学现象感到着迷，特别是飞机和火箭在高速飞行时产生的各种复杂气流。这本书的出现，让我看到了将这份好奇心转化为实际理解的可能性。我了解CFD在航空航天领域的广泛应用，从飞机翼型设计到火箭发动机的性能优化，都离不开CFD的强大支撑。虽然我还没有深入研究本书的具体技术细节，但书中提到的各种应用场景，比如空气动力学分析、热传导模拟等，都与我的兴趣点不谋而合。我非常期待能够通过阅读这本书，了解CFD是如何模拟这些复杂流动过程的，以及这些模拟结果如何帮助工程师们解决实际问题。这本书似乎为我打开了一扇通往航空航天流体动力学奥秘的大门，让我看到了理论与实践相结合的无限可能。

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初拿到这本《计算流体力学》，就觉得它一定是一本重量级的著作。翻开目录，琳琅满目的章节标题，从最基础的流体力学方程讲起，到各种数值离散方法，再到湍流模型、网格生成技术，以及高性能计算的应用，几乎涵盖了CFD领域的方方面面。这让我感到既兴奋又有些许敬畏。我一直对流体运动的奥秘充满好奇，但理论知识总是显得有些抽象，缺乏直观的理解。听说CFD能够将这些复杂的物理过程转化为计算机可以模拟和可视化的结果，这让我对这门学科产生了浓厚的兴趣。虽然我还没有深入阅读具体内容，但仅仅是浏览目录，就足以勾勒出这本书的宏大图景，让我看到了通往理解和掌握CFD知识的清晰路径。这本书似乎是一位经验丰富的向导，为我指明了探索未知领域的方向。期待着通过阅读它，能够真正领略到CFD的魅力，并将抽象的理论转化为具体的认识。

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这本书的篇幅相当可观，拿在手里就能感受到其内容的丰富程度。我注意到它不仅介绍了CFD的基本原理和数值方法，还对一些前沿的计算技术和软件应用进行了探讨。这让我觉得这本书具有很强的时效性和实用性。我一直以来都对如何将理论知识转化为实际的工程应用感到好奇，而CFD正是连接这两者的重要桥梁。我希望通过学习这本书，能够掌握一些实际的CFD操作技巧，例如如何建立计算模型、设置边界条件、进行网格划分以及后处理数据等。虽然我现在还无法断言它能否完全达到这些目标，但从其内容的广度和深度来看，它非常有潜力成为一本能够指导我进行实际CFD项目操作的参考书。

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这本书的作者在引言部分就强调了CFD在现代科学和工程中的重要性，这让我对其内容充满了期待。我一直认为，理论知识的掌握最终还是要落脚到解决实际问题的能力上，而CFD恰恰提供了这样一个强大的工具。这本书的整体结构安排，从基础概念到高级应用，似乎是在循序渐进地引导读者掌握这项技能。我特别关注的是它对不同数值方法的介绍，因为我知道在CFD领域，方法的选择直接关系到计算的精度和效率。虽然我现在还没有深入研究具体的方法，但仅从介绍的全面性来看，这本书似乎能够为我提供一个清晰的比较和选择的依据。这本书的出现，让我看到了学习CFD，进而将其应用于我的学习和研究中的希望。

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