Atmospheric and Space Flight Dynamics pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:Springer Verlag

作者:Tewari, Ashish

出品人:

页数:580

译者:

出版时间:2006-10

价格:$ 111.87

装帧:HRD

isbn号码:9780817644376

丛书系列:

图书标签:

• 航空航天动力学
• 大气飞行力学
• 空间飞行力学
• 飞行器动力学
• 轨道力学
• 姿态动力学
• 控制理论
• 数值方法
• 空气动力学
• 推进原理

揭秘星辰与气流的交织：流体力学前沿探索 一部突破传统界限的流体力学巨著，深入剖析自然界中最具挑战性的两个领域：高超音速空气动力学与行星际空间中的等离子体动力学。 本书并非传统的流体力学教科书，它聚焦于那些对现代航空航天工程、空间科学乃至天体物理学至关重要的前沿课题。我们摒弃了对基础层流和经典可压缩流动的冗长回顾，转而将读者的目光引向那些在极端条件下，传统理论面临失效的物理现象。 第一部分：高超音速流动与稀薄气体动力学——穿越大气层边缘的挑战 本部分致力于解构从马赫数五开始，直至再入地球或逃逸至行星际空间所需的复杂流动物理。这不是关于亚音速升力与阻力的讨论，而是关于如何应对激波层、化学反应、能量耦合与非平衡态效应。 1.1 稀薄气体效应与统计力学基础重构 在极高海拔或低密度环境下，连续介质假设（Navier-Stokes方程）逐渐瓦解。本书从玻尔兹曼方程的视角出发，详尽分析了非平衡态输运现象。我们不仅阐述了标准的Knudsen数判据，更深入探讨了直接模拟蒙特卡洛（DSMC）方法的最新进展，包括如何优化粒子统计以提高计算效率，尤其是在处理复杂几何结构和多组分气体混合物时的局限性与突破。 1.2 高超音速激波下的化学动理学与热力学 当飞行器以数倍音速穿越大气层时，空气不再是简单的双原子气体。分子解离、电离和化学反应（如$ ext{N}_2$和$ ext{O}_2$的氧化还原过程）主导了能量传递。本章详细梳理了高焓气体的化学反应动力学模型，包括如何准确拟合实验数据以构建适用的反应速率常数。我们重点分析了“热滞后”现象——即不同化学组分达到热力学平衡所需时间尺度差异——对气动热载荷和边界层分离行为的深远影响。 1.3 表面耦合与气动热管理前沿 高超音速飞行器的生存依赖于对表面热流的精确预测和管理。本书超越了传统的菲克定律传热模型，引入了辐射效应在稀薄介质中传递的复杂机制。我们对烧蚀材料（Ablative Materials）的流固耦合响应进行了深度剖析，阐明了材料气化产生的吹扫层如何反作用于外部激波结构，从而实现热防护。此外，对磁流体动力学（MHD）边界层控制的潜力也进行了批判性评估，重点关注其在产生电磁阻力或推力方面的可行性。 第二部分：空间等离子体动力学——太阳风、磁层与行星际介质 将视角从地球大气层向上推进，本书转向了真空的假象——空间充斥着由磁场约束的带电粒子流，即等离子体。这要求我们从牛顿力学和欧拉方程转向电磁场理论与流体理论的融合。 2.1 磁流体力学（MHD）的广义框架与局限性 等离子体动力学的核心是MHD。本书不仅复习了阿尔芬波（Alfvén Waves）和磁流体力学不稳定性，更着重探讨了当粒子遵循冰眼漂移（$mathbf{E} imes mathbf{B}$ drift）而非简单的惯性运动时，标准的单流体MHD模型如何失效。我们深入研究了双流体模型（Two-Fluid Model）在描述电子和离子分离运动边界处的必要性，尤其是在重联区和边界层。 2.2 太阳风的形成与行星磁层的相互作用 太阳风的加速机制是空间物理学的核心谜团之一。我们详细考察了耗散机制，例如湍流加热、波-粒子相互作用，如何为太阳风提供所需的动能。在描述行星际磁场（IMF）与行星磁层相互作用时，本书侧重于磁重联（Magnetic Reconnection）。我们通过分析电子尺度的动力学（如电子惯性效应和电子粘滞性）来解释重联的快速模式，并将其与行星磁层中的能量释放事件（如磁暴）联系起来。 2.3 空间湍流的谱学分析与能量级联 空间等离子体是自然界中规模最大的湍流系统之一。本书采用了先进的统计工具，如范化谱分析（Wavelet Analysis）和非均匀性指标，来区分朗格穆尔湍流（Langmuir Turbulence）和剪切驱动湍流的特征。我们探讨了湍流级联的路径：能量如何从大尺度（行星磁层边界）传输到小尺度（电子回旋半径），并最终耗散为热能，这一过程是理解空间天气影响地球电离层的关键。 第三部分：高级数值方法与跨尺度模拟 理解上述极端现象，必须依赖于强大的计算工具。本书的最后部分专门探讨了为解决这些耦合问题而开发的最新数值技术。 3.1 适应性网格与多尺度耦合策略 传统的固定网格方法在模拟涉及极端尺度差异（如在航天器尖端尺度为微米，而在磁层尺度为天文单位）的问题时效率低下。我们介绍了高阶有限体积法在处理复杂守恒律问题中的应用，并重点阐述了局部自适应网格加密（AMR）技术如何智能地在激波、边界层或重联区分配计算资源。此外，对于需要结合宏观MHD与微观粒子模拟的场景，本书探讨了混合尺度的（Hybrid-Scale）模拟框架，以及如何确保不同模型间数据交换的物理一致性。 3.2 机器学习在动力学预测中的新兴角色 本章审视了数据驱动方法在流体力学中的前沿应用。我们展示了如何利用深度学习网络（如CNN/RNN）从高保真但计算昂贵的DSMC或PIC（粒子约束）模拟结果中提取低维动力学模型（Reduced-Order Models, ROMs），从而实现近实时预测。特别关注了利用神经网络替代传统闭合模型（Closure Models）的尝试，以期更精确地描述湍流粘性和等离子体输运系数。 本书面向具备扎实流体力学、热力学和电磁学基础的研究生、工程师和科研人员，旨在提供一个前瞻性、问题驱动型的知识体系，以应对下一代高超音速飞行器设计与深空探测任务中的核心物理难题。它不仅是对现有知识的总结，更是对尚未解决的物理难题的挑战。

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