Analysis of Low-Speed Unsteady Airfoil Flows pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:Springer Verlag

作者:Chen, Hsun

出品人:

页数:226

译者:

出版时间:

价格:$ 220.35

装帧:HRD

isbn号码:9783540229322

丛书系列:

图书标签:

• 空气动力学
• 翼型
• 低速流
• 非定常流
• 数值模拟
• 计算流体力学
• 湍流
• 气动特性
• 流体动力学
• 航空工程

《流体力学前沿：高超声速湍流边界层与热环境》 第一部分：引言与高超声速流动的基本概念 本书深入探讨了高超声速（Hypersonic Flow）领域中一个至关重要且极具挑战性的课题——湍流边界层（Turbulent Boundary Layers）的特性、发展机制及其对飞行器热环境的综合影响。高超声速飞行，通常指马赫数（Mach Number）大于5的飞行，是当前航空航天领域的研究热点，涉及再入飞行器、高超声速巡航飞行器（HIFiRE、SR-72等）的关键技术。在这样的极端速度下，空气的化学反应、激波与边界层的强烈相互作用，使得传统的低速或可压缩流动的理论模型失效，对流体力学、传热学以及材料科学提出了前所未有的考验。 本书的开篇章节将首先确立高超声速流动的物理图像，详细阐述激波-边界层干扰（Shock Wave/Boundary Layer Interaction, SBLI）的复杂性。我们将区分强相互作用区和弱相互作用区，并侧重分析在强相互作用区内，由入射激波引起的压力和温度的剧烈非线性变化如何塑造边界层内的流动结构。重点内容包括：如何利用激波倾角、自由流马赫数和壁面温度比（Wall Temperature Ratio）来预测SBLI的严重程度，并引入无量纲参数体系来描述这些现象的普适性。 第二部分：湍流模型的挑战与本构方程的修正 理解高超声速湍流边界层的核心在于选择和应用合适的数学模型。鉴于极高的静温和壁面温度，气体动力学效应，如温度梯度引起的密度变化、分子输运性质（如粘度、导热系数）的剧烈依赖性，以及可能的化学反应（解离与再结合），使得经典的雷诺平均纳维-斯托克斯（RANS）模型，例如$k-epsilon$或$k-omega$模型，在预测壁面剪切应力、热流密度时表现出明显的局限性。 本部分将系统回顾并批判性分析当前在高超声速湍流模拟中常用的湍流模型。我们将详细介绍基于混合模型的改进方法，如考虑非平衡效应和化学反应影响的扩散项修正。重点讨论“稀疏性”和“热障”对湍流产生和耗散机制的改变。例如，在高温区域，动能谱的重塑，特别是对大尺度涡结构的影响，需要更精细的次网格尺度（Subgrid-Scale, SGS）建模。对于直接数值模拟（DNS）和大涡模拟（LES）的初步介绍，也将侧重于其在高超声速过渡区和分离流区的应用潜力与计算成本的权衡。 第三部分：热边界层与热环境分析 高超声速飞行器面临的首要工程挑战是热防护系统（Thermal Protection System, TPS）的设计。湍流边界层作为热量传递的主导机制，其壁面热流密度（Heat Flux）的预测精度直接决定了TPS材料的选择和寿命。 本书深入剖析了湍流热边界层的结构。我们将探讨“湍流热传递子层”（Turbulent Heat Transfer Sublayer）的特性，特别关注普朗特数（Prandtl Number, $Pr$）对速度边界层和温度边界层厚度关系的影响。在高超声速状态下，$Pr$不再是常数，其变化对局部热流的影响需要被精确捕捉。 专题部分将集中于： 1. 催化性效应（Catalytic Effects）： 当空气分子（如$ ext{O}_2$和$ ext{N}_2$）在高温壁面上发生化学反应（再结合成$ ext{O}$和$ ext{N}$原子）时，会释放出巨大的结合能，显著增加壁面热流。本书将提供评估不同TPS材料（如碳-碳复合材料、陶瓷隔热瓦）催化效率的理论框架和实验数据分析方法。 2. 非平衡态传热： 在极短的飞行时间内，边界层内气体的能量分布可能不处于热力学平衡状态（例如，振动能与平动能的不匹配）。如何将这些非平衡效应耦合到传热方程中，是本章的高级议题。 3. 热环境中的流动不稳定性： 分析如何在强烈外形曲率（如鼻锥和前缘）和高负荷作用下，局部湍流斑块（Turbulence Patches）的生成和发展如何影响瞬态热载荷。 第四部分：钝体与尖锐前缘的特异性问题 高超声速飞行器的几何构型对边界层行为有着决定性的影响。 对于钝体前缘（Blunt Bodies），例如航天飞机的头部或再入舱，我们重点研究围绕分离激波和再附着区域的流动。在这些区域，由于压力梯度剧烈变化，更容易出现边界层转捩（Transition）和流动分离，从而导致热点（Hot Spots）的产生。本书将采用修正的逆压力梯度函数来评估边界层在转捩点附近的稳定性，并结合实验观测结果，探讨如何通过微小几何扰动（如微槽或多孔结构）来延迟分离或增强再附着区域的混合，以降低峰值热流。 对于尖锐前缘或薄翼型（Sharp Leading Edges），挑战主要集中在如何在保持气动效率的同时，管理沿展向和弦向发展的复杂三维湍流结构。特别是对于具有弯度或扭转的翼型，气动弹性与气动热的耦合作用成为关键。我们将讨论如何利用数值方法（如伴随方程）来识别对热流敏感的关键区域，并据此优化翼型设计，实现气动热的综合性能提升。 第五部分：先进测量技术与未来展望 本书的最后一部分聚焦于实验验证和未来研究方向。在高超声速风洞中，对湍流边界层的精确测量极其困难，因为传感器（如皮托管或热电偶）本身可能对局部流场产生显著干扰。 我们将详细介绍先进的光学测量技术，如： 高分辨率受激拉曼散射（HI-Raman Scattering）： 用于同时测量温度和组分浓度分布，特别是在化学反应区。 基于粒子图像测速（PIV）的高速、高焓风洞适应性： 讨论如何处理颗粒氡射、激光散射衰减等问题，以获得高可靠性的速度场数据。 红外热成像（IR Thermography）： 作为一种非侵入式的壁面热流测量手段，其在高焓风洞中的校准方法和时间响应特性分析。 总结部分将展望下一代高超声速技术，包括吸气式发动机（Scramjet）的燃烧室入口边界层控制、脉冲激波风洞中瞬态热流的评估，以及人工智能和机器学习在高超声速湍流模型开发中的潜在应用。本书旨在为研究生、研究工程师和空气动力学领域的专业人士提供一个全面、深入且具有工程实用价值的参考资料。

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