First Course in Turbulence pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:Univ of Pittsburgh Pr

作者:Young, Dean

出品人:

页数:88

译者:

出版时间:1999-4

价格:$ 16.89

装帧:Pap

isbn号码:9780822956976

丛书系列:

图书标签:

• Turbulence
• Fluid Mechanics
• Computational Fluid Dynamics
• Engineering
• Physics
• Aerodynamics
• Heat Transfer
• Transport Phenomena
• Applied Mathematics
• Modeling

《湍流初探：流体运动的无序之美》 导言 浩瀚宇宙，从星辰大海的宏伟尺度，到微观粒子纷繁的运动，无不体现着一种普遍的规律。然而，在日常生活中，我们所见证的许多现象，如翻腾的海浪、掠过天空的云朵、剧烈搏动的火焰，甚至咖啡杯中搅动的糖浆，都揭示着一种截然不同的、看似混乱却蕴含深刻内在逻辑的运动形态——湍流。这种无序、耗散且难以精确预测的流体行为，是现代科学与工程领域中一个永恒的挑战，也是一个激动人心的研究前沿。《湍流初探》旨在为渴望理解这一迷人现象的读者，铺就一条清晰而富有启发性的学习之路。本书并非旨在提供关于湍流的全面百科全书式论述，而是聚焦于其最核心的概念、基本理论框架以及初步的分析方法，为读者构建一个扎实的认知基础，激发进一步探索的兴趣。 第一部分：湍流的起源与涌现 湍流并非凭空出现，它的根源在于流体运动在特定条件下的不稳定性。在这一部分，我们将追溯湍流的萌芽，从最简单的流体行为——层流（Laminar Flow）——开始。层流如同静谧的河流，流体粒子沿着平滑、有序的轨道缓慢移动，各项物理量（如速度、压力）在空间和时间上都表现出高度的规律性。我们将探讨何种条件下流体保持层流状态，以及层流的数学描述。 然而，当流速增加、几何形状改变，或者存在外力扰动时，层流的稳定性便会受到挑战。本书将深入剖析导致层流向湍流转变的关键因素，重点介绍雷诺数（Reynolds Number）这一无量纲参数的物理意义。雷诺数是惯性力与粘性力之比，它直接指示了流体运动从有序向无序转变的可能性。我们将通过一系列经典的实验和理论模型，例如平行平板流动、圆管流动中的转捩过程，来直观地展示湍流是如何“涌现”出来的。这不仅仅是数值的变化，更是流体动力学行为的质的飞跃，从可预测的规律性转向了随机性和混沌。 第二部分：湍流的特征与统计描述 一旦湍流形成，它便呈现出一系列显著的、与层流截然不同的特征。本部分将详细解析这些特征，并介绍科学家们如何利用统计学工具来捕捉和描述湍流的本质。 无序性与随机性： 湍流场的速度、压力等物理量在时间和空间上都呈现出高度的随机涨落。我们将解释这种随机性并非真正的“随机”，而是由大量相互作用的涡结构和多尺度动力学所驱动。 耗散性： 湍流是一种耗散过程，它将宏观动能转化为内能（热能）。我们将探讨能量如何在不同尺度的涡之间传递，以及黏性耗散在其中扮演的角色。 多尺度性： 湍流内部存在着从最大尺度（与流动几何形状相关的尺度）到最小尺度（科莫戈罗夫尺度，Kolmogorov Scale）的广泛尺度范围。这些不同尺度的涡结构相互作用，形成了复杂的湍流谱。 瞬时性与平均性： 由于湍流的随机涨落，任何单次测量的结果都只能反映一个瞬时状态。因此，统计平均成为了描述湍流行为的有力工具。我们将介绍如何通过时间平均和空间平均来获得稳定的平均量，例如平均速度剖面、湍流强度等。 脉动与涨落： 除了平均量，湍流的脉动（fluctuations）同样至关重要，它们包含了流动中的能量和信息。本书将引入方差、协方差、湍流应力等概念，解释它们如何量化脉动带来的影响，特别是在动量和能量的输运过程中。 概率分布： 许多湍流量在特定条件下可以近似用概率分布来描述，例如高斯分布或更复杂的分布。我们将探讨如何利用概率密度函数（PDF）来理解湍流场的统计特性。 第三部分：理解湍流的理论框架 尽管湍流的复杂性令人望而生畏，但科学家们已经发展出多种理论框架来尝试理解和建模它。本书将重点介绍几种基础且重要的理论视角。 纳维-斯托克斯方程（Navier-Stokes Equations）： 作为描述不可压缩粘性流体运动的基本方程组，纳维-斯托克斯方程在湍流研究中扮演着核心角色。我们将回顾这些方程的物理含义，并解释它们如何包含了流体的惯性、压力、黏性和外力等所有基本动力学。然而，我们将重点讨论求解这些方程的巨大挑战，特别是湍流尺度问题（Turbulence Scale Problem），即包含从宏观尺度到微观科莫戈罗夫尺度的巨大尺度范围，这使得直接数值模拟（DNS）在大多数实际应用中难以实现。 雷诺平均（Reynolds Averaging）： 面对纳维-斯托克斯方程的求解困难，雷诺提出的平均方法成为了工程和理论研究中的实用工具。我们将详细介绍雷诺平均的原理，即如何将瞬时量分解为平均量和脉动量，从而得到雷诺平均纳维-斯托克斯方程（RANS）。然而，RANS方程引入了新的未知项——雷诺应力项，这需要通过进一步的“湍流模型”来关闭方程组。 湍流模型简介： 湍流模型是RANS方法的核心，旨在提供对雷诺应力的近似。本书将初步介绍几种具有代表性的模型，包括： 代数模型（Algebraic Models）： 这些模型不引入额外的微分方程，仅根据局部流动参数计算雷诺应力。 单方程模型（One-Equation Models）： 如Spalart-Allmaras模型，引入一个输运方程来计算一个与湍流相关的量，如湍流粘度。 两方程模型（Two-Equation Models）： 这是RANS中最流行的一类模型，例如k-ε模型和k-ω模型。我们将解释它们如何通过引入两个输运方程来计算湍动能（k）和耗散率（ε）或特定耗散率（ω），并利用它们来计算湍流粘度。本书将侧重于k-ε模型，解释其背后的物理思想和适用范围。 相似性原理与量纲分析： 在许多情况下，精确的解析解难以获得，但通过相似性原理和量纲分析，我们可以理解不同流动之间的普适性，并预测流动行为的变化趋势。本书将简要介绍如何应用这些工具来理解湍流中的相似性，例如速度剖面的对数律。 第四部分：湍流的现象与应用初探 湍流并非仅仅是纯粹的理论研究对象，它深刻地影响着我们生活的方方面面，从自然现象到工程应用。本部分将通过几个典型的例子，展示湍流的实际意义。 大气与海洋湍流： 天气预报、气候模型，以及海洋环流的研究都离不开对大气和海洋中湍流过程的理解。我们将探讨湍流如何影响能量和物质的输运，例如热量的对流和污染物的扩散。 航空航天工程： 飞机机翼上的气流、火箭发动机的燃烧过程，都涉及复杂的湍流现象。了解并预测这些湍流将有助于提高飞机的升力、降低阻力，以及优化发动机性能。 生物流体力学： 血液在血管中的流动、鸟类在空气中的飞行，甚至鱼类在水中的游动，都存在湍流的影响。生物体在漫长的进化过程中，似乎也发展出了能够适应或利用湍流的机制。 工业过程： 化工反应器中的混合、管道中的输运、热交换器的效率，很大程度上取决于湍流的强度和特性。精细的湍流控制和模拟，可以极大地提高工业生产的效率和安全性。 湍流减阻： 减少物体在流体中运动时的阻力，是航空、航海、交通等领域的重要课题。本书将初步介绍一些基于湍流减阻的策略，例如在表面制造微小纹理，或注入添加剂，以抑制湍流的产生和发展。 结语 《湍流初探》作为一本入门读物，致力于为读者揭开湍流神秘的面纱，呈现流体运动中那无序而又充满韵律的美。我们相信，通过对湍流起源、基本特征、统计描述以及核心理论框架的介绍，读者将能够建立起对这一复杂现象的初步认识。湍流的研究是一个不断发展的领域，本书提供的只是一个起点。希望它能激发您对流体力学、物理学以及工程科学的浓厚兴趣，鼓励您继续深入探索湍流的奥秘，并思考它在更广阔的科学和技术领域中的重要地位。湍流的挑战，也是创新的源泉，理解它，就是理解我们所处世界更深层次的运作机制。

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