具体描述
This book provides, for the first time, the distilled experience of authors who have been closely involved in design of air intakes for both airframe and engine manufacturers. Much valuable data from systematic experimental measurements on intakes for missiles, combat, and V/STOL aircraft from research sources in the United Kingdom, the United States, France, and Germany are included, together with the latest developments in computational fluid dynamics applied to air intakes.
《流体力学：基础与前沿应用》 内容概要： 《流体力学：基础与前沿应用》是一部深入探索流体运动规律及其广泛应用的百科全书式著作。本书旨在为读者构建一个扎实的流体力学理论体系，并在此基础上，详细阐述该学科在航空航天、能源、环境、生物医学等诸多尖端领域的最新发展与实际应用。本书内容严谨，逻辑清晰，既包含经典理论的深度剖析，也紧随科技前沿，展现了流体力学研究的无限可能。 第一部分：流体力学基本原理 本部分奠定了本书的理论基石，从最基本的概念出发，逐步深入到复杂的物理模型。 第一章：流体及其性质 流体的定义与分类： 详细介绍流体（液体和气体）的宏观和微观定义，区分理想流体与真实流体，介绍牛顿流体和非牛顿流体。 流体的重要物理性质： 深入探讨密度、比重、比容、压力、温度、黏度（动力黏度与运动黏度）、表面张力、压缩性等基本性质，并解释这些性质如何影响流体行为。 张力与表面张力： 详细阐述流体分子间的内聚力如何导致表面张力，及其在实际中的体现（如毛细现象）。 黏性与剪切应力： 深入分析黏性的本质，解释牛顿黏性定律，定义剪切应力与剪切速率的关系，以及黏性对流体流动阻力的影响。 流体的可压性与不可压性： 探讨流体密度随压力和温度变化的规律，介绍可压性参数（如马赫数），并讨论何种情况下可以近似为不可压流体。 流体静力学基础： 介绍流体在静止状态下的压强分布规律（帕斯卡原理），推导液体压强随深度变化的公式，讲解浮力（阿基米德原理）及其应用。 第二章：流体运动学 描述流体运动的两种方法： 详细讲解欧拉描述（物质点法）和拉格朗日描述（场法），并分析两者之间的联系与区别。 流场与流线、迹线、尘线： 定义流场，介绍流线（瞬时速度方向的连线）、迹线（同一质点在不同时刻的位置连线）和尘线（同一时刻不同质点在不同时刻的位置连线），并阐述它们在可视化流体流动中的作用。 流体微团的运动分析： 引入微分方法，分析流体微团的平移、旋转和变形（体积变形率、剪切变形率），为后续的微分方程推导奠定基础。 连续性方程： 基于质量守恒定律，推导不可压流体和可压流体的连续性方程，理解流体在管道中流动的速度变化与截面积变化的关系。 速度势流与涡旋流动： 定义速度势，介绍无旋流（旋度为零）的特点，并引入涡旋的 개념，分析其在流动中的重要性。 第三章：流体动力学基础 流体动力学基本方程： 欧拉方程（无黏性流）： 基于牛顿第二定律，推导描述理想流体运动的欧拉方程，介绍其物理意义。 伯努利方程（稳态不可压流）： 从欧拉方程或能量守恒角度推导伯努利方程，详细解释压力能、动能和势能之间的相互转化，并列举其在简化流动分析中的应用（如文丘里管）。 纳维-斯托克斯方程（黏性流）： 详细推导描述真实流体运动的纳维-斯托克斯方程，解释方程中各项的物理意义（惯性力、压强梯度力、黏性力、外力），这是流体力学的核心方程。 相似理论与量纲分析： 因次与量纲： 介绍物理量的量纲分析方法，如π定理（Buckingham Pi Theorem）。 相似准数： 引入雷诺数（Re）、马赫数（Ma）、傅汝德数（Fr）、韦伯数（We）等重要的无量纲准数，解释它们在描述流体流动特性和进行模型试验中的作用。 流动相似性： 阐述几何相似、运动相似和动力相似的条件，以及如何利用相似理论将模型试验结果推广到原型。 第二部分：特殊流动现象与分析方法 本部分深入探讨流体力学中的关键流动现象，并介绍常用的分析工具和数值方法。 第四章：黏性流动的特性 边界层理论： 详细介绍边界层概念，区分层流边界层和湍流边界层，分析边界层分离现象及其对阻力和升力的影响。 流体管路流动： 层流流动： 推导泊肃叶方程，分析圆管中层流的流量与压降关系。 湍流流动： 介绍湍流流动的特征，如脉动性、涡旋结构。讲解湍流的动量传递机制，介绍摩擦系数与雷诺数的关系（如摩尔图）。 流动阻力与升力： 分别讨论压差阻力、摩擦阻力，以及升力的产生机理（如“空气动力学”的“牛顿第三定律”解释和“伯努利原理”解释）。 第五章：压缩性流动（气体动力学） 亚声速、跨声速、超声速与高超声速流动： 定义马赫数，区分不同速度范围的流动特性。 激波与膨胀波： 详细分析激波（如斜激波、直激波）和膨胀波的形成机理、传播特性以及对流场的影响（如激波阻力）。 喷管流动： 分析喷管（如拉瓦尔喷管）中可压流动的绝热等熵流动，介绍超声速喷管的设计原理。 高速飞行器的气动加热： 探讨高超声速流动中的高温效应和化学反应。 第六章：湍流理论与模型 湍流的本质特征： 深入探讨湍流的无序性、随机性、耗散性、多尺度性等复杂特征。 湍流统计学： 介绍统计平均方法，如雷诺平均（RANS），以及平均方程组（雷诺方程）。 湍流模型： 介绍常用的湍流模型，包括代数模型（如混合长度模型）、单方程模型（如Spalart-Allmaras模型）和双方程模型（如k-ε模型、k-ω模型），并讨论它们的适用范围和局限性。 大涡模拟（LES）与直接数值模拟（DNS）： 介绍更先进的湍流模拟方法，并分析它们的计算成本和精度。 第七章：数值流体力学（CFD）基础 离散化方法： 介绍有限差分法、有限体积法和有限元法等将连续方程转化为离散方程的技术。 数值求解算法： 讲解求解代数方程组的迭代方法（如高斯-赛德尔法、共轭梯度法）和全耦合求解器。 网格生成与质量： 讨论不同类型的网格（结构网格、非结构网格）以及网格质量对计算精度的影响。 CFD软件介绍与应用： 简要介绍主流的CFD软件（如ANSYS Fluent, OpenFOAM），并展示其在工程问题中的应用案例。 第三部分：流体力学的前沿应用 本部分将理论知识与现实世界紧密结合，展示流体力学在各个领域的创新与发展。 第八章：航空航天工程中的流体力学 飞机设计与气动性能： 详细分析机翼、机身、尾翼等部件的气动特性，讲解升力、阻力、力矩的产生与控制，介绍减阻增升技术。 飞行器推进系统： 探讨喷气发动机、火箭发动机的工作原理，分析其内部流场和性能。 航天器再入大气层： 分析航天器高速再入时的气动加热、气动载荷和轨迹控制。 直升机与旋翼动力学： 分析旋翼产生的升力、推力和振动，探讨其气动效率。 第九章：能源与动力工程中的流体力学 水轮机与风力涡轮机： 分析叶片气动设计、流场优化，提高能量转换效率。 内燃机与燃气轮机： 研究燃烧室内的流动、混合与燃烧过程，提高燃烧效率和减少排放。 核反应堆冷却与安全： 分析冷却剂的流动与传热，确保反应堆的安全运行。 管道输送系统： 优化油气、水等介质的输送效率，减少能量损耗。 第十章：环境与海洋工程中的流体力学 大气污染物扩散模型： 模拟大气中的污染物输送和扩散过程，用于环境预测和治理。 水体污染与混合： 分析河流、湖泊、海洋中的水流动力学，模拟污染物在水体中的迁移。 波浪与潮汐动力学： 研究海岸工程、海洋结构物设计中的波浪作用。 声呐与水下航行器： 分析水下目标的水动力特性。 第十一章：生物医学工程中的流体力学 血液循环动力学： 研究血液在血管中的流动特性，如动脉瘤、狭窄等病变对血流的影响。 呼吸系统动力学： 分析气体在肺部的流动，用于呼吸疾病的研究和治疗。 药物输送与微流控： 设计微流控芯片，用于药物筛选、分析和精确输送。 生物机械学： 分析细胞、组织的力学响应，以及生物体的运动。 第十二章：新型流体力学研究方向 微纳尺度流体力学： 研究表面张力、分子力等效应显著的微观流动现象。 智能流体与响应性材料： 探讨材料在特定刺激下的流变行为改变，及其在软体机器人、可调光学器件等方面的应用。 多相流理论与应用： 深入研究气-液、液-液、气-固、液-固等复杂多相流动现象，如气泡流、液滴流、颗粒流等，及其在化工、能源等领域的应用。 计算流体力学（CFD）的进步： 介绍人工智能、机器学习在CFD中的应用，加速模拟过程，提高预测精度。 湍流的非线性动力学研究： 进一步揭示湍流的混沌特性与内在结构。 结论： 《流体力学：基础与前沿应用》以其全面性、深入性和前沿性，为读者提供了一个了解和掌握流体力学知识的宝贵平台。本书不仅适合相关专业的学生和研究人员，也对工程师、科学家以及对自然科学有浓厚兴趣的广大读者具有极高的参考价值。通过本书的学习，读者将能够深刻理解流体世界的奥秘，并将其应用于解决现实世界中的挑战，推动科技进步。
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