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出版者:

作者:Zukas, Jonas A.

出品人:

页数:326

译者:

出版时间:2004-2

价格:$ 192.10

装帧:

isbn号码:9780080443485

丛书系列:

图书标签:

• Hydrocodes
• Computational Fluid Dynamics
• Numerical Methods
• Fluid Mechanics
• Shock Physics
• High-Energy-Density Physics
• Impact Physics
• Finite Volume Methods
• Modeling
• Simulation
• Engineering

《水动力学基础：数值模拟与应用》 内容简介 本书是一部面向高等院校工科专业高年级学生、研究生以及相关领域工程技术人员的专业教材与参考书。它系统、深入地探讨了流体力学，特别是水动力学领域的核心理论、数值求解方法及其在现代工程实践中的广泛应用。本书旨在为读者构建一个坚实而全面的理论框架，并配备足够的技术细节，使其能够独立分析、建模和解决复杂的流体动力学问题。 全书共分为六个主要部分，共二十章，结构严谨，逻辑清晰，理论与实践紧密结合。 --- 第一部分：流体力学与控制方程的建立（第 1-4 章） 本部分是全书的理论基石，详细回顾了连续介质力学的基本假设，并从微观和宏观角度推导了流体运动的控制方程。 第一章：流体力学的基本概念与假设 本章首先界定了流体力学（Hydrodynamics）与流变学（Rheology）的范畴，明确了流体的理想化模型（如牛顿流体、非牛顿流体）与真实流体的区别。重点阐述了欧拉描述（Eulerian Description）和拉格朗日描述（Lagrangian Description）的数学表达及其相互转换，为后续的方程建立奠定基础。此外，还引入了物质导数（Material Derivative）的概念，它是理解流体运动随时间演变的关键。 第二章：流体运动的连续性方程 本章专注于质量守恒原理在流体运动中的体现。详细推导了不可压缩流体和可压缩流体（包括马赫数概念）的连续性方程，并讨论了在不同坐标系（笛卡尔、柱坐标、球坐标）下的形式。通过一系列典型的流场实例，如等速管道流动和射流问题，展示了连续性方程的物理意义和初步应用。 第三章：动量守恒——纳维-斯托克斯方程（Navier-Stokes Equations） 这是本书的核心章节之一。本章以牛顿第二定律为基础，在张量分析的框架下，严格推导了适用于牛顿流体的三维、瞬态纳维-斯托克斯方程。详细讨论了压力梯度项、粘性应力项和外力项的物理来源。随后，将方程应用于简单的层流问题（如平板上的Couette流动和Poiseuille流动），展示了如何通过求解简化后的NS方程得到精确解。 第四章：能量守恒与热力学基础 本章将流体力学与传热学相结合，推导了流体系统的能量方程。讨论了粘性耗散（Viscous Dissipation）在流体加热中的作用，以及对流、传导和辐射在能量传输中的相对重要性。针对等温、绝热流动的特殊情况进行了分析，并引入了总焓和熵的输运方程。 --- 第二部分：无粘流体理论与势流分析（第 5-6 章） 在理解粘性效应之前，有必要先研究理想化的无粘流体模型，这有助于分离流动中的惯性与压力效应。 第五章：欧拉方程与伯努利原理 本章介绍了忽略粘性后的欧拉方程。深入探讨了著名的伯努利方程，并分析了其在沿流线和法线方向上的应用条件。通过对引力势的引入，将无粘流体的速度场与标量势函数联系起来。 第六章：势流理论与二维流动分析 本章是势流理论的集中展示。详细介绍了速度势（Velocity Potential）和流函数（Stream Function）的定义及其在二维不可压缩流动中的共轭关系（柯西-黎曼方程）。利用复变函数理论（Complex Potential），系统分析了均匀流、点源/汇、偶极子以及基本几何体（如平板、圆柱）绕流的叠加模型，为理解绕流场的复杂结构提供了强大的数学工具。 --- 第三部分：湍流模型与统计方法（第 7-9 章） 真实工程流动大多处于湍流状态，本部分专门处理湍流这一非线性、高维度的复杂现象。 第七章：湍流的统计描述 本章从实验观测出发，引入了流速脉动（Velocity Fluctuations）的概念，并定义了平均流速、脉动速度以及雷诺时均化（Reynolds Averaging）操作。推导了雷诺平均纳维-斯托克斯（RANS）方程，重点分析了新增的雷诺应力项。 第八章：湍流的粘性与混合长度理论 本章探讨了湍流输运的物理机制，引入了湍流粘性（Eddy Viscosity）的概念。详细介绍了经典的混合长度模型（Prandtl's Mixing Length Model），并分析了其在边界层内的局限性。 第九章：主流湍流模型综述 本章着重介绍现代计算流体力学（CFD）中应用最广泛的两方程模型。详细阐述了 $k-epsilon$ 模型和 $k-omega$ 模型（包括SST $k-omega$ 模型）的输运方程、源项和关闭关系。讨论了这些模型在处理壁面附近流动（壁面函数与低雷诺数修正）上的差异与适用性。 --- 第四部分：边界层理论与分离流动（第 10-12 章） 边界层理论是理解流体与固体表面相互作用的核心。 第十章：边界层概念与普兰德尔近似 本章概述了边界层的形成机制，并基于普兰德尔（Prandtl）的简化假设，推导了适用于高雷诺数流动的边界层方程。 第十一章：积分法与相似解 介绍了求解边界层方程的两种主要方法。首先，详细讲解了卡门动量积分方程（Kármán Momentum Integral Equation）及其在平板上摩擦阻力计算中的应用。其次，深入分析了布劳修斯（Blasius）方程的相似解及其数值处理。 第十二章：流动分离与尾流 讨论了边界层由附着转变为分离的物理条件，如压力梯度对分离位置的影响。分析了钝体绕流中的分离点预测（如Thwaites方法）以及分离后形成的尾流（Wake）结构及其对阻力的贡献。 --- 第五部分：可压缩流动的基本原理（第 13-15 章） 本部分侧重于高马赫数流动中气体动力学效应。 第十三章：基本概念与等熵流动 介绍了声速、马赫数、滞止参数（Stagnation Properties）等关键概念。详细分析了气体在管道中经历的等熵膨胀与压缩过程，包括法线膨胀/压缩波的特性。 第十四章：激波理论与斜激波 本章核心讨论了激波的形成与特性。通过质量、动量和能量守恒，严格推导了正激波的由内向外突变的关系（Rankine-Hugoniot关系）。随后，利用几何关系求解斜激波，并讨论了马赫锥角、波后流场偏转角与马赫数的关系。 第十五章：流动控制元件 分析了超音速流动中常用的流动控制元件，包括喷管（收缩-扩张）、膨胀波（Prandtl-Meyer 扩张）以及激波与边界层的相互作用（如激波-边界层干扰）。 --- 第六部分：数值计算方法基础（第 16-20 章） 本书最后一部分将理论模型与现代计算技术联系起来，为读者进入CFD领域做准备。 第十六章：偏微分方程的离散化 概述了求解NS方程的数值基础。重点介绍有限差分法（FDM）的构造，包括一阶、二阶精度格式以及对流项和扩散项的稳定性要求。 第十七章：有限体积法（FVM） 鉴于FVM在CFD中的主导地位，本章详细阐述了其守恒性基础。展示了如何对方程进行积分并离散化，以确保质量、动量和能量在控制体积上得到精确的局部和全局守恒。 第十八章：线性系统的求解技术 讨论了离散化后产生的大型稀疏线性方程组的求解方法。涵盖了迭代求解策略（如雅可比、高斯-赛德尔）以及更高效的代数多重网格（AMG）方法。 第十九章：压力-速度耦合算法 专门针对不可压缩流动的NS方程，详细解析了压力与速度场之间耦合问题的处理方法。深入讲解了 SIMPLE 算法及其变体（如 PISO 和 SIMPLER）的迭代步骤和收敛机制。 第二十章：网格生成与后处理 本章关注数值模拟的预处理和结果分析。介绍结构网格、非结构网格和混合网格的生成技术，并讨论了流场可视化（如流线、涡量图、等值面）和结果不确定度评估的标准方法。 --- 本书特色： 理论深度与广度并重： 兼顾经典分析解法与现代数值计算，确保读者既能理解物理本质，又能掌握工程工具。 强调守恒性： 在所有方程推导和数值离散化过程中，始终强调物理守恒定律的体现。 工程应用导向： 每一理论章节后都附有典型的工程算例分析（如水轮机水力设计初步、管道泄漏分析等），指导读者将理论应用于实际问题。 本书是流体力学、水利工程、航空航天、船舶与海洋工程、环境工程等专业学生进行专业学习的理想教材。

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这本书的封面设计简直是一场视觉的盛宴，色彩的搭配既充满了科学的严谨感，又不失一种深邃的神秘气息。我是在一家老旧的二手书店偶然发现它的，当时被那种厚重又带着岁月痕迹的质感深深吸引。翻开扉页，那精美的排版和清晰的字体立刻让我感到一种对知识的尊重。它不是那种流水线生产的、冷冰冰的教材，字里行间透露出一种匠心独运的打磨痕迹，仿佛作者在每一个章节的设置上都倾注了大量的心血。虽然我尚未深入研究其内部的理论体系，但仅从装帧和印刷的质量来看，就能感受到出版方对这部作品的重视。这种对物理载体的用心，往往预示着内容本身的扎实与深刻，让人对即将展开的阅读旅程充满了美好的期待。它不仅仅是一本书，更像是一件值得收藏的艺术品，放在书架上都显得熠熠生辉，每一次不经意的触碰，都能唤起对未知的探索欲，让人忍不住想要立刻沉浸其中，去探寻它所承载的宏大知识体系。

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坦白说，这本书的难度绝对不低，它要求读者付出相当的专注力。我感觉自己像是在攀登一座知识的高峰，每一步都需要精确地踩稳脚下的岩石。但正是这种挑战性，让每一次小小的突破都充满了胜利的喜悦。书中的某些高级章节，涉及了大量前沿的研究成果和尚未完全统一的理论观点，作者在处理这些争议性内容时，展现出了极高的学术公正性和批判性思维。他没有简单地采信某一方的观点，而是详尽地列出了不同流派的优缺点，并引导读者自行判断，这种开放式的探讨方式，极大地激发了我的批判性阅读习惯。我不再满足于被动接受信息，而是开始主动质疑和比较。这种将读者从被动接受者培养成主动研究者的写作风格，是此书最具价值的部分之一，它真正实现了知识的代际传递和思想的持续创新。

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我带着一种近乎朝圣般的心情开始研读这本书，最初的几章，那种行文的流畅度和逻辑的严密性，简直让人叹为观止。作者似乎拥有一种魔力，能将那些原本晦涩难懂的概念，用一种近乎诗意的语言娓娓道来。他没有采用那种教条式的、生硬的公式堆砌，而是通过一系列精心构造的案例和历史背景的穿插，让读者自然而然地进入到那个特定的思维框架之中。特别是对于基础原理的阐述部分，那种层层递进、环环相扣的论证方式，即便是初学者也能找到清晰的路径。我尤其欣赏作者在引入新概念时所使用的类比手法，那些恰到好处的比喻，瞬间打通了原本横亘在我和复杂理论之间的那堵无形之墙。读完一章，我常常会合上书本，闭目沉思许久，那种豁然开朗的感觉，是太多枯燥的技术书籍无法给予的阅读体验。这本书的阅读过程，与其说是学习，不如说是一次与一位智者的深度对话。

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我必须强调，这本书在配图和插例上的处理，达到了令人惊叹的水平。那些图示绝非简单的示意草图，每一个细节都经过了精心的设计和标注，它们的功能性远远超出了辅助理解的范畴，本身就构成了对复杂概念的有力佐证。特别是那些涉及到复杂流程和多维空间概念的插图，作者似乎已经将那些抽象的数学结构“可视化”了，让那些原本需要花费大量脑力才能想象出来的物理过程，变得清晰可见。此外，书中引用的各种实际应用案例，都具有极强的时代感和地域代表性，这让原本偏向理论的书籍瞬间“接地气”了许多。我能清晰地感受到，作者不仅是理论的构建者，更是一个实践者，他将自己多年来在一线工作的经验和教训，巧妙地融入到了每一个讲解的细节之中。这本书，对于任何希望真正掌握这门学科精髓的人来说，都是一本不可多得的、具有里程碑意义的著作。

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这本书的结构安排堪称教科书级别的典范，它完美地平衡了理论深度与应用广度之间的微妙关系。从宏观的背景介绍到微观的算法细节，每一步的过渡都显得如此自然，仿佛浑然天成，毫无刻意的痕迹。它不像某些著作那样，在初级阶段就抛出大量令人望而生畏的数学推导，而是采取了一种更为人性化的渐进策略，确保读者在知识的积累过程中始终保持信心和兴趣。我注意到，在每一个关键章节的末尾，作者都会设置一些富有启发性的思考题和延伸阅读的建议，这些都极大地拓展了我对该领域更深层次探索的可能性。这种设计充分体现了作者对学习者困境的深刻理解，他提供的不是一个知识的终点，而是一张通往无限可能性的路线图。每当遇到一个复杂难点时，稍作回顾，就能在前面章节找到相应的铺垫，这种严谨的内部呼应，使得整部作品的知识体系无比坚固。

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