Introduction to Physical Gas Dynamics pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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作者:Vincenti, W. G./ Kruger, Charles H.

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页数:0

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价格:737.00元

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isbn号码:9780882753096

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• 计算流体力学

气体动力学基础：流体力学与热力学的交汇点 本书旨在为读者提供一个深入而全面的视角，探索气体动力学的核心原理和应用。我们将从基础的流体力学概念出发，逐步过渡到描述气体行为的热力学框架，最终构建起一个能够有效分析和预测复杂气体流动现象的理论体系。本书的结构经过精心设计，旨在平衡理论的严谨性与工程实践的关联性，力求让读者在掌握基本定律的同时，也能领会其在航空航天、能源、环境科学等领域的实际应用价值。 第一部分：气体运动学的基石 在气体动力学的宏大叙事中，我们首先需要建立对物质基本形态——气体的运动学的理解。本部分将侧重于宏观描述，即如何使用流体（本例中特指气体）的连续介质模型来捕捉其集体行为。 第一章：流体力学的基本概念与连续介质假设 我们将从牛顿力学在流体中的推广开始，阐述为什么在宏观尺度下，将气体视为连续介质是一种极其有效的简化和建模工具。本章详细讨论了气体动力学中关键的流线、迹线和时间线的区别与联系，这些是描述流场几何结构的基础。密度、压力和温度作为宏观场变量的定义及其梯度在分析流动不均匀性中的作用将被深入探讨。特别地，我们将引入马赫数（Mach Number）的概念，它不仅仅是一个速度比值，更是区分可压缩流动与不可压缩流动、决定流动物理本质的关键无量纲参数。对低速流动的快速回顾，为后续引入高超声速效应做铺垫。 第二章：流场描述与控制方程的引入 本章聚焦于描述气体运动的数学工具。我们将系统地推导控制流体运动的三个基本守恒定律：质量守恒（连续性方程）、动量守恒（纳维-斯托克斯方程的简化形式）和能量守恒（第一热力学定律在流动中的体现）。对于粘性流体，动量方程的复杂性来源于应力张量，本章会详细解析牛顿流体的粘性本构关系。随后，我们将探讨在不同坐标系（笛卡尔、柱坐标、球坐标）下这些方程的表达形式，为后续求解特定几何问题打下基础。理解这些方程的物理意义，是掌握后续所有高级主题的前提。 第二章的重点在于辨析不同流动假设下的方程简化： 例如，在无粘假设下，动量方程简化为欧拉方程；在等熵流动中，压力与密度的关系如何被固定。 第二部分：可压缩流动的核心理论 气体动力学之所以区别于传统的低速流体力学，其核心在于气体的可压缩性在流动中的显著作用。本部分将是全书的重点，围绕激波和等熵流展开。 第三章：一维等熵流动与流量特性 等熵流动（Isentropic Flow）是气体动力学中最重要且最理想化的模型之一，因为它描述了无粘、无热交换、无熵增的绝热膨胀或压缩过程。本章深入研究等熵关系式，特别是压力、密度、温度与马赫数之间的精确代数关系。我们将利用这些关系来分析管道流动的关键特性： 1. 临界状态（Choked Flow）： 详细分析气流如何达到声速（马赫数等于1），以及这种状态对流量的限制作用。 2. 拉伐尔喷管（Laval Nozzle）设计原理： 从理论上推导出收缩-扩张喷管的几何形状与流体状态变化之间的定量关系，解释火箭发动机和超音速风洞设计的基础。 第四章：正激波与斜激波的结构分析 当气流速度超过音速时，任何对流动的扰动都会以激波的形式向前传播，导致流动状态发生急剧、不可逆的跳变。本章将引入雷诺-亥姆霍兹（Rayleigh-Hugoniot）关系，这是描述激波前后状态变化的普适方程。 1. 正激波（Normal Shock Wave）： 详细分析气流垂直穿过激波时的参数变化，重点强调激波内部的熵增（即不可逆性），计算激波强度与马赫数的关系。 2. 斜激波（Oblique Shock Wave）： 针对超音速气流与斜面或尖锐物体的相互作用，引入$ heta-eta-M$ 关系，并使用图解法（如激波图）来确定特定迎角下的激波角度和下游流场状态。斜激波的分析是理解超音速翼型绕流和喷流膨胀的关键。 第五章：膨胀波与二维流动的应用 与压缩性的激波相对应，气流在遇到凸面或需要扩张时会产生膨胀波。本章将介绍普朗特-迈耶（Prandtl-Meyer）膨胀波的理论，它描述了无粘、等熵的超声速流动如何围绕一个光滑的凸角进行连续的压力和速度变化。 结合正激波和膨胀波的知识，本章将过渡到基础的二维可压缩流分析，探讨超音速翼型绕流中的气动特性，如如何计算升力和阻力，并引入相似律的概念，初步连接不同尺度和速度下的流动问题。 第三部分：深入探讨与高级模型 在掌握了基本的压缩性和激波理论后，本部分将引入对实际气体效应和更复杂流动现象的考量。 第六章：粘性效应与边界层理论 尽管许多气体动力学分析基于无粘假设，但粘性效应在近壁面区域起着决定性作用。本章从动量方程的粘性项出发，介绍边界层（Boundary Layer）的概念，即一个薄层内，粘性力占据主导地位，速度梯度极大。我们将介绍普朗特边界层方程，并讨论层流与湍流的区分。重点分析边界层分离现象——当气流遇到逆压梯度时，边界层脱离壁面的过程，及其对物体阻力和升力的显著影响。 第七章：气体热力学与实际气体效应 气体动力学与热力学密不可分。本章将回顾热力学基本关系，特别是气体状态方程（理想气体假设的局限性）。在极高或极低温度下，气体的比热容不再是常数，本章将探讨这一变化如何影响等熵关系和激波强度。此外，还将介绍化学反应气体的概念，为进入高超声速和再入大气层流动的研究打下理论基础。 第八章：空气动力学中的应用案例与数值方法简介 本章将理论知识应用于实际工程场景。我们将分析超音速流中的尾迹形成、喷流膨胀与混合等现象。最后，鉴于现代气体动力学分析日益依赖计算，本章将简要介绍计算流体力学（CFD）在求解复杂气体动力学问题中的作用，例如有限体积法和特定格式（如迎风格式）如何应用于求解纳维-斯托克斯方程，并讨论CFD求解器在处理激波捕捉方面的挑战与技巧。 通过对以上八个章节的系统学习，读者将建立起一套扎实、完整的气体动力学知识体系，能够自信地分析和解决涉及高速流动的工程问题。

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AE532@Umich

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气体热力学与气体动力学的课本，两学期讲授完毕。

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