Porous and Complex Flow Structures in Modern Technologies

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出版者:Springer
作者:Adrian Bejan
出品人:
页数:414
译者:
出版时间:2004-04-29
价格:USD 134.00
装帧:Hardcover
isbn号码:9780387202259
丛书系列:
图书标签:
  • 多孔介质
  • 复杂流体
  • 流体流动
  • 传热传质
  • 现代技术
  • 数值模拟
  • 实验研究
  • 微流控
  • 能源应用
  • 环境工程
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具体描述

Porous and Complex Flow Structures in Modern Technologies represents a new approach to the field, considering the fundamentals of porous media in terms of the key roles played by these materials in modern technology. Intended as a text for advanced undergraduates and as a reference for practicing engineers, the book uses the physics of flows in porous materials to tie together a wide variety of important issues from such fields as biomedical engineering, energy conversion, civil engineering, electronics, chemical engineering, and environmental engineering. Thus, for example, flows of water and oil through porous ground play a central role in energy exploration and recovery (oil wells, geothermal fluids), energy conversion (effluents from refineries and power plants), and environmental engineering (leachates from waste repositories). Similarly, the demands of miniaturization in electronics and in biomedical applications are driving research into the flow of heat and fluids through small-scale porous media (heat exchangers, filters, gas exchangers). Filters, catalytic converters, the drying of stored grains, and a myriad of other applications involve flows through porous media. By providing a unified theoretical framework that includes not only the traditional homogeneous and isotropic media but also models in which the assumptions of representative elemental volumes or global thermal equilibrium fail, the book provides practicing engineers the tools they need to analyze complex situations that arise in practice. This volume includes examples, solved problems and an extensive glossary of symbols.

流动结构动力学:现代工程中的复杂流体行为分析 图书简介 本书深入探讨了在现代工程领域中广泛存在的复杂流动结构及其动力学行为。我们聚焦于那些在传统连续介质力学框架下难以完全捕捉的现象,例如湍流边界层中的相干结构、多孔介质内部的非均匀流动、以及在微尺度和纳米尺度下流体与复杂几何形状相互作用产生的特殊效应。全书旨在为工程师和研究人员提供一套系统化的分析工具和深入的物理洞察力,用以理解、预测和控制这些复杂流动在实际应用中的表现。 第一部分:复杂流动的基本理论与表征方法 本部分奠定了分析复杂流动结构的基础。我们从流体力学基本方程出发,着重阐述在非线性、非均匀或跨尺度流动条件下,如何修正和应用纳维-斯托克斯方程组。重点讨论了如何通过引入新的场变量和本构关系来描述介质的非线性响应。 1.1 湍流相干结构的识别与量化: 湍流是工程中最普遍的复杂流动形式。本书不满足于传统的雷诺平均纳维-斯托克斯(RANS)模型,而是深入研究了瞬态、高分辨率模拟(如DNS和LES)所揭示的拟序结构——包括涡旋、剪切层和准周期性脉动。详细介绍了基于本征正交分解(POD)、动态模态分解(DMD)等先进数据驱动技术,用于从大规模数据集中提取出具有物理意义的低维动力学模态,以及它们如何驱动能量传输和动量混合。 1.2 尺度依赖性与多尺度分析: 现代技术往往跨越多个尺度进行操作,从宏观设备到微米级的接触点。我们探讨了如何处理这种尺度效应。引入了多尺度方法论(如多尺度有限元法和平均场理论),用于连接不同尺度上的物理过程,例如,如何将微观尺度的界面张力或分子间作用力,有效地“上卷”到宏观的流动模型中。 1.3 界面与边界的复杂性: 在涉及多相流或在复杂固体结构中流动的场景中,边界条件和界面的精确描述至关重要。本书详细分析了粗糙表面、蠕变边界层、以及在强化学反应或相变过程中的动态界面演化问题,强调了界面拓扑结构对整体流动稳定性的影响。 第二部分:工程应用中的特定复杂流动结构 本部分将理论框架应用于当前高新技术领域中面临的严峻挑战,展示了特定流动结构对系统性能的决定性作用。 2.1 能源转换系统中的热-流耦合: 在高效热交换器、燃料电池堆或燃气轮机中,流体动力学与传热传质过程紧密耦合。重点分析了在强热梯度驱动下的自然对流、射流不稳定性以及高温壁面附近的湍流热边界层分离现象。讨论了如何通过结构优化(如导流片设计、通道几何微结构化)来增强混合效率并抑制热点形成。 2.2 航空航天中的气动弹性与分离流控制: 针对高超音速飞行器和大型无人机面临的气动载荷问题,深入研究了非定常流动诱导的结构振动(气动弹性力学)。阐述了等离子体激励器、吹吸控制等主动流动控制技术如何通过修改局部剪切层形态,实现对流动分离的延迟或再附着,从而优化升阻力特性。 2.3 微纳尺度流体动力学: 在微流控芯片、生物医学设备和精密涂层技术中,黏性效应和表面力占据主导地位。本书分析了低雷诺数下的斯托克斯流,以及电润湿、电渗流等电场驱动的复杂输运现象。特别关注了在纳米通道中,分子层吸附和流体“固着”现象对有效渗透率的影响。 2.4 土木与环境工程中的地下水与污染物迁移: 讨论了在非均质地层(如岩溶、裂隙网络)中,由于渗透率的巨大差异导致的对流-弥散过程。分析了对流驱动下的污染物羽流的非对称扩散,以及在多孔介质内部,流体通过非线性路径和“盲区”的迁移特性。 第三部分:建模、仿真与实验验证的前沿方法 要有效应对复杂流动,必须依赖强大的计算工具和精密的测量技术。本部分侧重于当前研究中最先进的建模策略和实验诊断手段。 3.1 先进计算流体力学(CFD)模型: 详细比较了各种湍流模型(如$ ext{k}-omega$ SST, $ ext{Gamma}- ext{Theta}$)在捕捉特定流动结构(如回流区、涡旋脱落)时的准确性和计算成本。引入了格子玻尔兹曼方法(LBM)作为处理复杂边界和多相流的替代框架,强调其在模拟介孔结构和界面演化中的优势。 3.2 概率与不确定性量化: 鉴于复杂流动的内在随机性,本书介绍了如何将概率论方法(如随机场理论、贝叶斯推断)融入到流动预测中。讨论了在模型参数不确定和输入数据存在噪声的情况下,如何量化预测结果的可靠区间。 3.3 实验测量与数据融合技术: 涵盖了现代流场诊断技术的最新进展,包括高时空分辨率的粒子图像测速(PIV)技术,特别是立体和时间分辨PIV,用于三维涡旋结构的可视化。同时,探讨了同步辐射X射线成像、激光诱导荧光(LIF)在测量高焓或高压环境下流动组分和温度分布中的应用。强调将高维实验数据与高保真模拟结果进行定量对比和校准的流程。 本书内容全面,涵盖了从基础理论到前沿应用的各个层面,为读者提供了一个理解和掌握现代工程中复杂流动结构的关键资源。

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我是一名对前沿科技和理论物理充满探索欲的爱好者,总是喜欢阅读那些能够拓展我认知边界的书籍。当我偶然看到“Porous and Complex Flow Structures in Modern Technologies”这本书时,我的好奇心被彻底点燃了。虽然我可能不像专业工程师或科学家那样直接接触这些技术,但我坚信理解这些底层原理对于把握科技发展的脉搏至关重要。“多孔介质”的奇妙之处在于其微观结构能够引发宏观上令人惊叹的流体行为,这让我联想到诸如材料科学中的自组装现象,或者纳米技术中的纳米流体控制。而“复杂流”这个词,则让我想到非牛顿流体、湍流,甚至是一些在极端条件下出现的奇异流态,这些都充满了引人入胜的物理挑战。我特别期待书中能够探讨这些复杂流体结构是如何在诸如微电子制造、航空航天推进系统、或者甚至是新型能源设备(如燃料电池)的设计中发挥作用的。我对这本书是否会提供一些概念性的框架,来帮助我理解这些看似毫不相关的科技领域背后共同的流体动力学原理,以及它们是如何通过操纵“多孔”和“复杂”的流动结构来取得突破性进展的,充满了期待。

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作为一名工业设计师,我一直在探索如何将科学原理融入产品设计,以创造出更具功能性和美学感的作品。这本书的标题,“Porous and Complex Flow Structures in Modern Technologies”,让我看到了跨越科学与设计之间鸿沟的潜力。“多孔材料”的质感和形貌本身就具有独特的视觉吸引力,而它们在流体控制方面的功能性,则为产品设计提供了新的思路。我设想,在未来,或许会有集成式过滤装置、自适应的散热系统,甚至是通过模拟复杂流体行为来创造新颖的交互界面的产品。我对书中是否会展示一些巧妙的设计案例,将这些科学概念转化为实际的产品,或者是否会提供一些关于如何可视化和表达复杂流体结构的建议,来提升产品的叙事性和吸引力,充满了期待。例如,在设计一款高性能的运动装备时,了解流体如何在人体和织物之间流动,可以帮助我优化透气性和排汗性;在设计一款厨房电器时,理解液体在内部管道中的流动,可以帮助我优化清洁和烹饪效率。这本书的标题让我意识到,科学的严谨性与设计的创造性是可以完美结合的,我希望能从中获得灵感,将这些“隐藏的结构”转化为触手可及的创新设计。

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我是一名对航空航天工程怀有无限憧憬和热情的学生,尤其关注那些能够提升飞行器性能和效率的技术。“Porous and Complex Flow Structures in Modern Technologies”这个书名,立刻勾起了我对飞行器设计中流体动力学应用的兴趣。“多孔材料”在航空航天领域有着多方面的应用,例如,用于吸声降噪的声学衬层、用于减阻的表面涂层、以及用于高效散热的结构部件。我对书中是否会深入探讨这些多孔材料在极端航空航天环境下的流体行为,例如在高速气流中的表现,或者在真空环境下的热传导特性,充满了期待。同时,“复杂流”的概念也与航空航天紧密相连,例如,飞机机翼表面的边界层流动、发动机内部的燃烧室流动、以及火箭喷射时的气流动力学,都充满了复杂性。我特别好奇书中是否会介绍如何利用先进的计算流体动力学(CFD)技术来模拟和优化这些复杂流动,从而提高飞行器的空气动力学效率,降低油耗,甚至开发新型的推进系统。这本书的“现代科技”部分,让我联想到隐身技术、超音速飞行、以及太空探索中的热管理问题,这些都可能涉及到对复杂流体结构的深刻理解和巧妙应用。我希望这本书能够为我揭示这些前沿技术背后的科学原理,并激发我在这领域进行更深入的学习和探索。

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我是一名对物理化学和界面现象充满兴趣的研究生,尤其关注那些影响物质传输和反应效率的关键因素。这本书的标题,“Porous and Complex Flow Structures in Modern Technologies”,恰好触及了我当前研究方向的核心。我深信,多孔介质的特性,如孔径分布、表面化学性质,以及它们如何影响流体在其中的吸附、扩散和反应过程,是理解许多现代催化、分离和传感器技术的关键。我对书中是否会深入探讨这些微观尺度上的相互作用,以及它们如何宏观地影响技术的性能,充满了期待。例如,在多相催化反应中,反应物如何在多孔催化剂载体中传输,与活性位点发生碰撞,这些过程都与复杂的流体动力学息息相关。在膜分离技术中,不同孔径和表面性质的膜如何选择性地允许或阻碍特定物质的通过,也依赖于对复杂流体渗透的深刻理解。这本书的“现代科技”部分,让我联想到诸如微反应器、燃料电池电极、以及先进的吸附材料等,这些都普遍依赖于对多孔介质中复杂流动的精确控制。我期望这本书能够提供扎实的理论框架和实验验证,帮助我深入理解这些现象背后的物理化学原理,并为我的研究提供新的视角和思路。

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作为一名对环境科学和可持续发展充满热情的学生,我一直在寻找能够解释和解决环境污染及资源管理挑战的科学知识。这本书的标题,“Porous and Complex Flow Structures in Modern Technologies”,立即引起了我的兴趣,因为我意识到这些概念在环境保护领域有着广泛而重要的应用。“多孔介质”常常出现在土壤、岩石以及各种过滤材料中,它们在地下水污染物的迁移、土壤修复以及水处理技术中扮演着关键角色。例如,理解污染物如何在多孔土壤中扩散,以及如何设计有效的吸附材料来去除水体中的有害物质,都离不开对复杂流体结构的深入认识。同时,我也对“复杂流”的概念在气候模拟、大气污染物扩散以及海洋环流等大型环境系统中的应用感到好奇。这本书的“现代科技”部分,让我联想到诸如生物膜处理技术、人工湿地设计,甚至是一些先进的碳捕获和储存技术,这些都可能涉及到复杂多孔介质中的流体行为。我希望这本书能够提供清晰的解释,将抽象的物理原理与具体的环保应用联系起来,帮助我理解如何利用这些科学知识来开发更有效的环境治理方案,为创造一个更清洁、更可持续的未来做出贡献。

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这本书的封面设计极具吸引力,深邃的蓝色背景上,错综复杂的流体模型若隐若现,仿佛在诉说着其中蕴含的无穷奥秘。我是一个对工程学和物理学领域充满好奇的学习者,尤其对那些能够解释我们日常生活中许多现象的底层原理感到着迷。在翻阅这本书之前,我对“多孔介质”和“复杂流”这些概念仅有模糊的认识,知道它们在化工、石油、生物医学等众多领域扮演着至关重要的角色。然而,这本书的名字本身就充满了挑战性和吸引力,让我迫不及待地想深入了解这些“现代科技”背后隐藏的“结构”。我期望这本书能够以一种既严谨又不失生动的方式,为我揭示这些看似抽象的概念在现实世界中的具体应用,比如在催化剂设计中,多孔材料如何优化反应效率;在水处理技术中,它们如何实现高效过滤;在医疗植入物设计中,它们又如何促进组织再生。我对书中是否会涵盖诸如计算流体动力学(CFD)等先进模拟技术,以及这些技术如何帮助科学家和工程师理解和操纵复杂流体行为,也充满了期待。这本书的标题让我联想到许多前沿的研究课题,希望它能够提供一个系统性的视角,将那些分散在不同科学期刊中的知识碎片串联起来,形成一个连贯的知识体系,从而帮助我更好地理解现代科技的基石。

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作为一名在能源领域工作的工程师,我深知流体在输送、储存以及能源转化过程中的关键作用。尤其是在石油天然气行业,复杂的地质构造往往意味着流体在地下多孔介质中的流动充满了不确定性和挑战。我一直致力于寻找能够提升勘探和开采效率的方法,而“Porous and Complex Flow Structures in Modern Technologies”这个书名,毫不疑问地触及了我工作中最核心的难题之一。我非常希望这本书能够深入探讨多孔介质的微观结构如何影响流体的宏观流动行为,例如孔隙度、连通性、渗透率等参数的变化对油气产量可能产生的巨大影响。同时,我也期待书中能够介绍先进的监测和模拟技术,这些技术如何被应用于评估和预测地下油气藏的流动特性,以及如何优化钻井和生产策略。此外,这本书提及的“现代科技”也让我产生了广泛的联想,除了传统的能源领域,我对它在页岩气开采、二氧化碳地质储存等新兴技术中的应用前景尤为感兴趣。我希望这本书能够提供一些具有实践指导意义的分析方法或案例研究,帮助我理解并应对这些复杂流动带来的挑战,从而为提高能源利用效率和可持续发展贡献力量。

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我对机器人技术和自动化领域的发展一直保持着敏锐的观察,尤其关注那些能够赋予机器人更精细、更智能的运动和感知能力的技术。“Porous and Complex Flow Structures in Modern Technologies”这本书的标题,让我看到了流体动力学在机器人领域潜在的创新应用。“多孔材料”可以被用于制造具有柔性、自适应性的机器人部件,例如,通过控制流体在材料内部的流动,可以实现机器人的形变和运动。我对书中是否会介绍如何利用这种“流动驱动”的机制来设计新型的机器人执行器,或者如何利用多孔结构来构建具有触觉感知能力的机器人皮肤,充满了好奇。此外,“复杂流”的概念也可能在机器人领域找到新的应用,例如,在微型机器人或生物混杂机器人中,微流控技术可以实现精密的流体控制,从而驱动机器人的运动或输送药物。我同样期待书中是否会探讨如何利用流体动力学来模拟和理解生物体内的运动机制,例如昆虫的飞行或者鱼类的游动,并将这些原理应用于机器人设计。这本书的“现代科技”部分,让我联想到柔性机器人、仿生机器人、以及在复杂环境中执行任务的特种机器人,这些都可能需要对“多孔”和“复杂”的流动结构有深刻的理解和灵活的应用。我希望这本书能够为我提供新的设计思路和技术灵感,帮助我理解如何将流体力学原理转化为实用的机器人技术。

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我对生物医学工程领域的新进展一直保持着高度的关注,尤其是那些能够改善人类健康和生活质量的创新技术。当我在书店的架子上看到“Porous and Complex Flow Structures in Modern Technologies”这本书时,我的目光立刻被它所吸引。在我看来,生物医学领域正越来越多地依赖于对微观世界中复杂流体行为的理解和控制。例如,药物输送系统,特别是那些利用多孔材料作为载体的,其效率很大程度上取决于药物在载体内的扩散和释放速率,而这又与载体的孔隙结构和流体动力学密切相关。再比如,组织工程,构建具有血管化结构的生物支架,就需要精确控制细胞和营养物质在复杂通道网络中的流动,以确保细胞的存活和生长。我还对这本书是否会探讨流体在人体内的生理过程,如血液在血管中的流动,或者细胞在体液中的运动,是否也会被纳入其“复杂流结构”的范畴感到好奇。这本书的名字让我联想到许多令人兴奋的交叉学科研究,我期望它能够提供一个坚实的理论基础,并辅以相关的实验数据和案例,帮助我理解这些先进的生物医学技术背后的科学原理,并激发我在这方面的进一步探索。

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我一直对材料科学领域的最新进展保持着高度的关注,尤其是那些能够赋予材料全新性能的创新方法。这本书的标题,“Porous and Complex Flow Structures in Modern Technologies”,立即吸引了我的注意,因为我知道“多孔结构”是许多高性能材料的关键特征,而流体在其中的行为则直接影响着材料的制造过程和最终应用。“多孔材料”在过滤、吸附、绝热、减震等领域有着广泛的应用,而它们在制造过程中,例如通过模板法、相分离法或者3D打印技术,往往涉及到复杂的流体填充和固化过程。我对书中是否会介绍这些先进的材料制备技术,以及如何通过精确控制流体在多孔结构形成过程中的行为,来定制材料的孔隙结构和整体性能,充满了期待。例如,我好奇书中是否会讨论如何设计多孔金属材料用于结构支撑和散热,或者如何制造具有特定孔隙结构的陶瓷材料用于高温应用。这本书的“复杂流”部分,也让我联想到在材料退火、烧结过程中,气体或熔体的扩散和迁移,这些都会影响材料的微观结构和宏观性能。我希望这本书能够提供一个全面的视角,将材料科学、流体力学和现代制造技术融为一体,帮助我理解如何通过操纵“多孔”和“复杂”的流动,创造出更具创新性和实用性的新材料。

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