New Results in Numerical and Experimental Fluid Mechanics IV pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:Springer Verlag

作者:Breitsamter, Christian/ Laschka, Borishristian (EDT)/ Heinemann, Hans-Joachim (EDT)/ Hilbig, Reinhar

出品人:

页数:484

译者:

出版时间:

价格:259

装帧:HRD

isbn号码:9783540202585

丛书系列:

图书标签:

• Fluid Mechanics
• Numerical Analysis
• Computational Fluid Dynamics
• Experimental Fluid Mechanics
• Heat Transfer
• Turbulence
• Multiphase Flow
• Fluid-Structure Interaction
• Engineering
• Applied Mathematics

湍流控制与应用：前沿理论与工程实践 导言 流体力学作为物理学和工程学交叉领域的核心分支，其研究对象——流体运动的规律，深刻影响着从航空航天到生物医学的诸多关键技术。近年来，随着计算能力的飞跃和实验测量精度的提高，流体力学正经历着一场深刻的变革。特别是在湍流控制、复杂流体流动模拟以及多物理场耦合效应的理解方面，涌现出大量突破性的新成果。 本书《湍流控制与应用：前沿理论与工程实践》汇集了全球顶尖学者在近年来取得的最新研究进展，聚焦于如何从机理上理解和有效地干预高雷诺数下的复杂流动现象，并将其转化为实际的工程应用。本书并非对既有研究的简单回顾，而是深入探讨那些尚未完全解决的科学难题，以及新兴技术如何推动该领域向前发展。 第一部分：湍流结构的解析与建模革新 湍流，作为最具挑战性的流体力学问题之一，其随机性和多尺度特性一直是理论研究的焦点。本部分着重探讨了先进的实验技术和高保真数值模拟如何揭示湍流细微结构。 1.1 基于非线性动力学视角的湍流相空间探索 传统上，湍流被视为具有随机性的，但新的研究开始利用混沌动力学和高维相空间重构技术，尝试识别驱动湍流演化的低维或有限维子空间。本章详细介绍了如何利用切片动力学（Slicing Dynamics）和时间延迟嵌入技术，从大规模直接数值模拟（DNS）数据中提取出决定宏观湍流特性的关键模态。讨论了这些低维模型在预测壁面湍流剪切层演变中的局限性与潜力。重点关注了能量级串的非平衡态演化及其对混合效率的长期影响。 1.2 亚网格尺度（LES）模型的修正与跨尺度验证 在大涡模拟（LES）中，亚网格尺度的建模精度直接决定了模拟的有效性。本部分超越了标准的Smagorinsky模型，深入探讨了基于能量守恒原理构建的动态模型（Dynamic Models）的最新改进。特别关注了应用于可压缩流动和高剪切区时，如何通过局部曲率和应变率张量来动态调整粘性系数。同时，章节提供了在通道流和翼型绕流中，使用不同LES模型所得结果的定量比较，强调了在设计面向应用的湍流模型时，必须考虑网格分辨率对模型偏差的系统性影响。 1.3 量子化学方法在湍流反应流中的初步应用 在处理高超声速或燃烧环境下的湍流问题时，化学反应和湍流的相互作用至关重要。本章探讨了如何将分子动力学模拟（MD）的某些处理非平衡态的统计方法，与大尺度CFD计算相结合，以期在反应区模拟中获得更精确的输运系数估计。虽然该领域尚处于理论探索阶段，但其为未来多尺度耦合模拟指明了方向。 第二部分：主动与被动流动控制的新范式 对流体进行有效控制是提升空气动力效率、减少结构载荷和抑制噪声的关键。本部分集中展示了在智能流体力学（Smart Fluidics）框架下，控制策略的设计与实施。 2.1 基于模型预测控制（MPC）的自适应湍流抑制 传统的反馈控制系统难以应对湍流的快速非线性和时变特性。本章详细阐述了将模型预测控制（MPC）算法引入壁面湍流控制的实践。通过实时识别近壁区关键流向涡结构（Streamwise Vortices）的瞬时状态，MPC能够提前预测未来短时间内的流场演变，并计算出最优的吹吸（Suction/Blowing）控制输入，从而实现对边界层分离的提前干预。文中提供了在不同攻击角下翼型分离控制的实验验证数据。 2.2 等离子体激励器在跨音速流动中的非线性响应 等离子体（Plasma Actuators）作为一种无移动部件的被动/主动混合控制元件，在近年来受到广泛关注。本部分聚焦于等离子体在跨音速边界层中的应用。研究揭示了在高马赫数下，等离子体产生的微小扰动如何通过非线性放大机制（如Kelvin-Helmholtz不稳定性），有效延迟激波边界层干扰引起的流动分离。对等离子体诱导的动量注入效率和能量消耗进行了详尽的评估。 2.3 超疏水表面的长期稳定性和机理研究 被动控制技术，尤其是模仿鲨鱼皮的微结构表面，在降低摩擦阻力方面展示了潜力。本章深入分析了超疏水涂层在实际工业环境（如油水混合物或含有颗粒物的流体）中的耐久性和稳定性问题。研究不仅关注了初始的减阻效果，更重要的是探讨了微结构在长时间运行后因污染物沉积或表面润湿性改变而导致的性能衰减机制，并提出了一种新型的自清洁涂层设计策略。 第三部分：复杂介质中的多物理场耦合流动 现代工程应用往往涉及多相、多组分或具有特殊物理性质的流体。本部分关注于理解和模拟这些极端条件下的流动行为。 3.1 颗粒密集床层中的非牛顿流体力学 在化工、采矿和生物工程中，处理高体积分数的固体颗粒悬浮液至关重要。本章采用离散元方法（DEM）与计算流体力学（CFD）耦合的方式，对颗粒密集床层中的非牛顿行为进行深入模拟。重点讨论了如何准确地表征颗粒间接触力模型，以区分粘性剪切增稠和剪切稀化现象在宏观混合效率上的差异。 3.2 磁流体动力学（MHD）在聚变反应堆中的应用拓展 对于涉及强磁场环境的流体（如液态金属冷却剂或等离子体），磁流体动力学效应是决定流动稳定性的关键。本部分提出了针对高哈特曼数流动的改进数值格式，该格式能更精确地捕捉到洛伦兹力对湍流脉动的影响。应用案例聚焦于下一代聚变反应堆中，磁场梯度对液态锂射流冷却性能的调控作用。 3.3 极端条件下的气固两相流中的热质传递 在行星大气进入或火箭发动机燃烧室等极端高温高压环境下，气固两相流的热质传递效率极高，但其机理复杂。本章利用拉格朗日方法追踪粒子轨迹，结合欧拉方法处理气体相，重点分析了粒子破碎、蒸发和化学反应共同作用下，对局部温度场和组分浓度的反馈效应。研究成果为设计高效的固态燃料燃烧系统提供了精确的热力学数据支持。 结论与展望 本书所呈现的研究成果，标志着流体力学正在从精确描述已知现象，迈向有效预测和精确控制复杂流动的时代。未来的研究将更加依赖于跨学科合作，将先进的机器学习方法深度融入流场数据的分析与控制策略的生成中，以期在能源、交通和环境等关键领域实现颠覆性的工程突破。本书为该领域的研究人员、工程师以及高年级学生提供了一个全面而深入的知识平台，用以把握当前最尖端的学术动态。

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