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出版者:Earthscan Publications Ltd.

作者:Martin O. L. Hansen

出品人:

页数:181

译者:

出版时间:2008-01

价格:USD 117.00

装帧:Hardcover

isbn号码:9781844074389

丛书系列:

图书标签:

• 风力涡轮机
• 空气动力学
• 可再生能源
• 风能
• 流体力学
• 涡轮机设计
• 叶片设计
• 边界层
• 计算流体力学
• 性能分析

好的，这是一本名为《船舶空气动力学：从基础到前沿》的图书的详细简介。 --- 船舶空气动力学：从基础到前沿 内容简介 本书旨在系统、深入地探讨船舶在复杂流体环境（空气与水）中的空气动力学行为，尤其侧重于宏观尺度下船体、上层结构以及配套设备与周围气流相互作用的物理机制、分析方法与工程应用。全书内容结构严谨，从基础的流体力学原理出发，逐步深入到复杂船型的高级气动分析，涵盖了从理论建模、数值模拟到实验验证的多个维度。 本书面向船舶工程师、海洋结构设计师、流体力学研究人员以及相关专业的高年级本科生和研究生。它不仅是理解现代船舶设计中空气阻力、侧风稳定性等关键问题的理论参考，更是指导工程实践、优化船舶性能的工具书。 --- 第一部分：基础理论与环境模型 本部分为全书的理论基石，详细阐述了船舶空气动力学研究所需的流体力学和大气科学基础知识。 第一章：流体力学基础回顾 本章首先回顾了适用于船舶空气动力学分析的连续介质理论，包括不可压缩流和可压缩流的基本控制方程（Navier-Stokes方程）。重点讨论了边界层理论在船舶尺度上的应用，特别是湍流边界层的特性，以及船体表面附着流分离的初步判断标准。引入了气动力和力矩的概念，并定义了船舶空气动力学性能的关键无量纲参数（如阻力系数、升力系数、力矩系数等）及其在不同雷诺数和攻角范围内的变化趋势。 第二章：大气边界层与气象环境 船舶的空气动力学行为受到其所处大气环境的深刻影响。本章聚焦于地球大气边界层的结构，分析了不同风廓线模型（如幂律模型、指数律模型、Logarithmic律模型）在海面和近海环境中的适用性。详细讨论了风切变、湍流脉动以及环境气温和湿度的变化对空气密度和粘性的影响。此外，本章还介绍了海浪与气流的耦合效应，探讨了海浪对船体上部结构气动载荷的调制作用。 第三章：船舶几何模型与坐标系 为了进行精确的气动分析，需要标准化的船舶几何描述。本章详细介绍了国际上通用的船舶空气动力学参考坐标系（例如，船体固定坐标系与惯性坐标系），以及如何将复杂的船体几何形状（包括船艏、船艉、上层建筑和各种暴露设施）数字化和参数化。讨论了简化模型（如二维翼型截面、等效平面）在初步设计阶段的应用与局限性。 --- 第二部分：静止与低速空气动力学分析 本部分着重于船舶在相对稳定和低速运动状态下受到的气动载荷计算方法。 第四章：二维截面气动特性 从基础的二维翼型理论入手，详细分析了不同截面形状（如矩形、椭圆形、船用特殊剖面）在不同攻角下的升力、阻力特性。引入了厚度和弯度对气动性能的影响，并探讨了气流分离点预测的经验方法。本章特别关注了船舶上层建筑边缘和开口处产生的局部气流加速现象。 第五章：三维船体绕流与阻力预测 本章将二维原理扩展至三维船体。重点介绍了阻力分解方法，将总阻力分为形状阻力（压差阻力）和摩擦阻力两部分。详细讨论了压力分布的计算，包括基于势流理论（如面元法）和粘性流体计算（如边界元法）的预测模型。对于高速船舶，本章还涉及了粘性效应在形成尾流和分离区域中的关键作用。 第六章：侧风力矩与稳定性评估 侧风载荷是决定船舶系泊和航行安全的关键因素。本章系统地分析了船体、上层建筑和桅杆等各部件对侧风产生的气动力和力矩。通过建立船体静力学平衡方程，详细推导了船舶在定常侧风下的平衡迎角。引入了“有效风”的概念，并结合船体水动力响应，评估了船舶的静侧倾稳定性裕度。 --- 第三部分：先进气动计算与实验技术 本部分探讨现代船舶空气动力学研究中不可或缺的计算流体力学（CFD）方法和先进的实验测试技术。 第七章：计算流体力学（CFD）在船模分析中的应用 详细介绍了求解船舶空气动力学问题的CFD流程。内容覆盖了网格生成（结构化、非结构化网格），求解器选择（RANS、LES），以及湍流模型（$k-epsilon, k-omega$ SST等）在船体绕流中的适用性比较。重点讨论了如何处理船体与水面交界面附近的复杂流动结构，以及如何准确捕捉气动载荷的瞬态变化。 第八章：风洞试验与模型修正 风洞试验是验证CFD结果和获取高精度气动数据的黄金标准。本章介绍了船舶风洞试验的模型缩比原理、流场相似性准则（特别是雷诺数匹配的挑战）。详细描述了船模的布置、六分量测力计的使用、压力测点技术，以及如何利用粒子图像测速（PIV）等先进技术可视化船体表面的流场结构，包括分离泡和尾流场。 第九章：船体-流体耦合效应 在强风和高速航行条件下，船舶的空气动力学载荷与水动力响应是相互影响的。本章探讨了流固耦合（FSI）的基本概念。对于高耸结构（如集装箱船、海上平台），分析了气载荷引起的结构振动和疲劳问题。同时，讨论了浪致运动（如摇荡、漂移）对有效气动迎角的影响，并介绍了时域与频域下的耦合分析方法。 --- 第四部分：工程应用与前沿课题 本部分将理论和方法应用于实际工程设计，并展望了该领域的前沿研究方向。 第十章：集装箱船与高耸结构的气动优化 集装箱船因其巨大的侧向迎风面积，对气动性能尤为敏感。本章专门研究了集装箱堆积模式对整体气动阻力和侧向力矩的影响。提出了一系列气动优化策略，包括船体上层结构的导流设计、集装箱间隙气流管理，以及利用气动减摇装置的可能性。 第十一章：系泊与靠泊中的气动载荷控制 船舶在港口和锚地受到的风载荷直接关系到系泊缆绳的设计强度和操作安全。本章侧重于分析低速（或零速）条件下的瞬态风载荷过程，特别是阵风冲击效应。介绍了风载荷预报与实时监测系统，并探讨了主动式（如偏航控制）和被动式（如导流板）气动减载技术的应用前景。 第十二章：新能源与未来船舶的气动挑战 本章展望了该领域的前沿动态。深入分析了采用大型风帆（如翼帆、硬质帆）推进的船舶所涉及的空气动力学增益与耦合问题。同时，讨论了无人水面航行器（USV）在复杂海况下对气动控制的更高要求，以及如何利用电推系统与气动载荷进行协同控制，以实现最优能效。 --- 本书特色： 理论与工程并重： 兼顾了严格的数学物理推导和直接面向工程应用的简化模型。 全面覆盖： 涵盖了从基础流体力学到先进的CFD应用和前沿课题的完整知识体系。 结构化叙事： 逻辑清晰，由浅入深，便于读者建立完整的知识框架。 通过阅读本书，读者将能够掌握分析和设计船舶在真实海洋环境下气动特性的必要工具和深刻洞察力，从而推动更安全、更高效的船舶设计。

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这本书的封面设计简直是一场视觉盛宴，色彩搭配既专业又不失艺术感，那种深邃的蓝色与涡轮叶片的动感线条完美融合，让人一眼就能感受到其内容的严谨与前沿。我当初拿起它，完全是被封面上那股“风”的力量所吸引，仿佛能透过纸张感受到空气流动的轨迹。内页的排版也极其考究，字体选择清晰易读，图表和公式的布局疏密有致，即便是面对复杂的流体力学方程，也能保持视觉上的舒适感。特别是那些剖视图和三维模型渲染，简直是教科书级别的艺术品，它们将原本抽象的空气动力学原理具象化，使得初学者也能迅速抓住重点。我尤其欣赏作者在版式设计上对“呼吸感”的把握，留白恰到好处，避免了信息过载带来的压迫感。毫不夸张地说，这本书在设计层面就已经超越了一般的学术专著，它更像是一件精心打磨的工艺品，让人爱不释手，甚至愿意将其摆在书架最显眼的位置，供人随时把玩品鉴。这种对细节的极致追求，无疑为后续内容的深度阅读打下了极佳的心理基础。

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如果非要说这本书有什么“遗憾”之处，或许就是它对初学者的友好度并非绝对优先。虽然前文提到了它善于引导，但这种引导仍然是建立在一个扎实的微积分和基础物理学基础之上的。对于完全没有接触过流体力学概念的门外汉来说，前几章的数学密度可能会带来一定的挫败感。它更像是一本为具备一定工程或物理背景的本科高年级学生、研究生以及初级工程师量身定制的深度读物。它不会为了迎合最广泛的受众而稀释核心概念的浓度，这使得它在专业领域的权威性得以保持。总而言之，这是一部需要投入时间和精力的著作，但它所回报给读者的，是深厚的理论内功和清晰的工程视野，对于任何想在这个领域有所建树的人来说，这是一笔绝对值得的投资，其内容深度和系统性，在同类书籍中几乎是无出其右的。

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翻开正文，我立刻被作者那种庖丁解牛般的叙事方式所折服。他似乎非常清楚读者在学习复杂气动理论时最容易在哪里“卡壳”，并总能提前准备好最精妙的比喻或最直观的类比来疏导难点。例如，在阐述叶尖涡流的形成机制时，他并没有直接堆砌纳维-斯托克斯方程的简化形式，而是从一个宏观的、生活中常见的漩涡现象入手，层层递进，最终将读者自然而然地引入到高深的数学模型之中。这种“由表及里”的教学策略，极大地降低了专业门槛，让那些原本对湍流和边界层理论心生畏惧的工程师们，也能鼓起勇气深入探索。行文风格非常老练，夹叙夹议，时而幽默风趣，时而又沉稳有力，阅读过程更像是一场与一位经验丰富的大师级的导师的深度对话，而不是冷冰冰地接受知识灌输。这使得学习过程不再是苦役，而成为一种充满发现乐趣的探索之旅。

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本书在案例分析部分的深度和广度，是其他同类书籍难以企及的。作者并未满足于仅仅介绍标准的NREL（国家可再生能源实验室）参考模型，而是深入挖掘了不同地理条件、不同切入角度下的实际工程挑战。我印象最深的是关于阵列效应（Wake Effect）的章节，它不仅仅停留在理论计算，而是结合了实际风电场布局的优化问题，给出了多目标决策分析的框架。那种将纯理论推导与实际电网接入、疲劳载荷评估等工程约束紧密结合的处理方式，显得极为成熟和务实。每一次理论的引入，都能迅速找到其在叶片设计、塔架选型或者运行维护中的对应场景，这种强烈的“学以致用”的指向性，让我感觉这本书的价值远超学术研究的范畴，它简直是一本高精尖的“实战手册”。即便是对特定商业化机型略有了解的读者，也能从中汲取到关于设计哲学层面的深刻洞察。

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我必须强调这本书在数学推导上的严谨性，这才是其真正的核心竞争力所在。对于追求精确性的研究人员而言，这本书无疑是圣经级别的参考资料。作者在处理非定常气动载荷和气动弹性耦合问题时，所展现出的数学功底令人叹服。他清晰地展示了每一步近似和简化背后的物理假设，而不是简单地给出结果。例如，在推导动态失速模型时，他对延迟效应和记忆效应的处理逻辑阐述得极其清晰，涉及到复杂的积分方程和边界条件设定，书中的推导过程如同精密的钟表机械，每一个齿轮的咬合都精确无误，让人忍不住想要自己动手演算一遍，以检验理解的深度。这种毫不妥协的数学深度，确保了读者在引用或扩展研究时，能够建立在最坚实和可追溯的理论基础之上，避免了许多二阶文献中常见的逻辑跳跃和假设模糊的问题。

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