湍流理论与模拟（第2版）/研究生力学丛书 epub pdf mobi txt 电子书 下载 2024

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编辑推荐

本书是湍流是近代流体力学研究的热点，是工程设计和大气海洋环境预测需要的知识和模拟方法。本书融合湍流莫斯科学派，剑桥学派的理论精髓和近代湍流的模拟方法，并以国内外湍流专家和本书作者研究成果说明发展湍流理论和模拟的途径；使读者既能深谙湍流理论，又能运用理论正确构造模型和数值模拟湍流运动。如果你希望了解湍流本质，以攻克湍流难题，本书为你提供湍流的基础理论和进一步研究方法；如果你需要湍流模拟方法以解决工程设计问题，本书提供了模拟方法的理论基础和近代方法。本书在论述理论和方法时，引用国内外重要文献180余篇，为读者深入学习和发展湍流理论和模拟方法提供广阔空间。

内容简介

本书是2005年版《湍流理论与模拟》的再版。本书系统地叙述了湍流的基本理论和近代湍流数值模拟方法。此版增加了可压缩湍流，全书由原来8章更新为9章。具体内容包括湍流的统计和测量、湍流运动的统计平均方程和脉动方程、均匀各向同性湍流、简单剪切湍流、标量湍流、可压缩湍流、湍流直接数值模拟、湍流大涡模拟、雷诺平均模拟方法。书中总结了近年来国内外前沿和热点问题研究的进展，并融入了作者多年来的教学经验和学术成果。
本书可作为工程力学、流体力学、空气动力学、航空工程、工程热物理、热能工程、核能工程、环境科学和工程、水利工程等专业的研究生教材和科研人员的参考书。

作者简介

张兆顺，教授，博士生导师，1957年上海交通大学毕业，1959年清华大学工程力学研究班毕业。1982年获英国南安普墩大学应用科学院博士（PH.D)。是国内著名的湍流专家。曾任中国力学学会常务理事，副秘书长。与崔桂香合著《流体力学》（*版，1999年，清华大学出版社，已改版三次），与崔桂香，许春晓合著《湍流理论和模拟》（第*版，2005年，清华大学出版社），与崔桂香，许春晓合著《大涡数值模拟的理论和应用》（2008年，第*版，清华大学出版社）。近30年中在国内外权*刊物（如Journal of Fluid Mechanics, Physics of Fluids,中国科学，力学学报等）发表论文近100篇，被SCI引用100余次，曾任国际杂志Flows，Turbulenceand Combustion和Communication of Nonlinear Science and Numerical Simulationde编委，以及重要国际湍流会议的顾问委员。

目录

第1章湍流的统计和测量
1.1湍流现象
1.2湍流的不规则性
1.3湍流的统计
1.3.1随机变量的概率分布和概率密度
1.3.2湍流的统计量
1.4湍流脉动的谱
1.4.1定常湍流中的频谱
1.4.2均匀湍流场中的波谱
1.4.3非均匀或非定常湍流场中谱函数的推广
1.5湍流脉动的测量方法
1.5.1湍流速度的测量方法
1.5.2流动显示和流场浓度的测量
1.5.3脉动压强的测量
第2章湍流运动的统计平均方程和脉动方程
2.1Navier�睸tokes方程和湍流
2.2雷诺方程和脉动运动方程
2.2.1雷诺方程
2.2.2脉动运动方程
2.3雷诺应力和雷诺应力输运方程
2.3.1雷诺应力张量
2.3.2雷诺应力输运方程
2.3.3湍动能输运过程
2.3.4平均运动的能量输运过程
2.3.5雷诺应力输运过程
2.3.6不可压缩湍流场中脉动压强分布和压强变形率相关的
解析表达式
2.3.7湍流统计方程的封闭性讨论
2.4不可压缩湍流的标量输运方程
2.5涡量的输运和湍流
2.5.1涡量运动学
2.5.2涡动力学
2.5.3湍流场中涡量的统计方程
第3章均匀各向同性湍流
3.1均匀湍流场的相关函数和谱张量
3.2均匀各向同性湍流场的相关函数和谱张量
3.2.1张量的不变量和张量函数
3.2.2各向同性湍流的相关张量函数及其性质
3.2.3不可压缩各向同性湍流的相关张量函数及其性质
3.2.4关于能谱的几个公式
3.3不可压缩均匀各向同性湍流的动力学方程
3.3.1不可压缩均匀湍流的基本方程
3.3.2不可压缩均匀湍流的谱理论
3.3.3不可压缩均匀湍流中湍动能的输运过程
3.3.4均匀湍流中的湍动能传输链
3.4不可压缩均匀各向同性湍流动力学的若干性质
3.4.1不可压缩均匀湍流的2阶速度相关动力学方程
3.4.2不可压缩均匀各向同性湍流的Karman�睭owarth方程
3.4.3Karman�睭owarth方程的应用
3.5不可压缩均匀各向同性湍流中的湍动能传输链
3.5.1不可压缩均匀各向同性湍流中的湍动能输运方程
3.5.2各向同性湍流中的特征尺度
3.5.3Kolmogorov的局部各向同性假定和湍能谱的－5/3幂次律
3.6局部各向同性湍流的结构函数
3.6.1结构函数及其性质
3.6.2Landau对Kolmogorov理论的质疑，湍能耗散的间歇性
3.6.3局部各向同性湍流的标度律
3.6.4各向同性湍流结构函数的动力学性质
3.7解各向同性湍流相关方程的EDQNM理论
3.7.1准高斯过程的性质
3.7.2各向同性湍流的准高斯封闭方程，EDQNM近似
第4章简单剪切湍流
4.1简单剪切湍流的统计特性
4.1.1壁湍流的统计特性和湍涡结构
4.1.2壁湍流的湍涡结构和湍涡粘性系数
4.1.3高雷诺数壁湍流
4.2自由剪切湍流的统计特性
4.2.1二维自由剪切湍流的边界层近似
4.2.2自由剪切湍流的相似性解
4.2.3自由剪切湍流的涡粘系数
4.3均匀剪切湍流的快速畸变理论
4.3.1均匀剪切湍流的基本方程
4.3.2快速畸变近似的基本方程和主要特征
4.3.3快速畸变近似的统计方程
4.3.4快速畸变近似的实例
4.3.5快速畸变近似的雷诺应力再分配项
4.4剪切湍流中的拟序运动
4.4.1自由剪切湍流中的拟序结构
4.4.2湍流边界层的拟序结构
4.5拟序特性的检测
4.5.1脉动的时空相关和结构迁移速度的检测
4.5.2VITA法和湍流猝发特性的检测
4.6拟序结构的动力学模型
4.6.1拟序运动的分解和能量输运
4.6.2平面湍流混合层拟序运动的能量输运
4.6.3壁湍流中拟序结构的动力学分析
4.7简单湍流的控制
4.7.1壁湍流的被动控制
4.7.2壁湍流的主动控制
第5章标量湍流
5.1均匀湍流中的被动标量输运
5.1.1被动标量输运的控制方程
5.1.2谱空间中标量脉动的输运
5.1.3均匀湍流场中标量输运规律
5.2标量湍流的结构
5.2.1标量梯度方程
5.2.2标量梯度片状结构的实例
5.3湍流普朗特数
5.4标量湍流的结构函数方程——Yaglom方程
5.5标量湍流扩散的拉格朗日随机模型
5.5.1标量点源的湍流扩散
5.5.2湍流场中质点位移的均方根公式
5.5.3标量点源的湍流扩散系数
5.6Boussinesq近似的湍流
5.6.1Boussinesq近似
5.6.2重力内波和分层流湍流
5.6.3位势涡和湍流
第6章可压缩湍流
6.1可压缩湍流的基本性质
6.1.1可压缩流动的基本方程
6.1.2可压缩层流库埃特流动
6.1.3激波和激波关系式
6.1.4克罗克定理
6.2可压缩湍流的统计方程
6.2.1可压缩湍流运动的系综平均方程
6.2.2密度加权平均的可压缩流体运动方程
6.3均匀可压缩湍流的不变量
6.4均匀可压缩湍流的基本特性
6.4.1气体湍流的三种基本模态
6.4.2气体湍流三种基本模态间的非线性相互作用
6.5湍流和激波相互作用的近似理论
6.5.1Ribner近似
6.5.2Ribner近似的主要结果
6.5.3线性相互作用近似
6.6Morkovin假定和可压缩剪切湍流的特性
6.6.1Morkovin假定
6.6.2强雷诺比拟
6.6.3湍流普朗特数
6.7可压缩湍流的Favre过滤
6.8超声速湍流的物理实验和数值模拟
6.8.1超声速湍流的实验
6.8.2可压缩湍流的数值模拟
6.9激波边界层相互作用
6.9.1典型的激波边界层相互作用
6.9.2超声速气流绕斜坡的激波边界层相互作用
第7章湍流直接数值模拟
7.1湍流数值模拟的方法
7.2湍流直接数值模拟的基本原理
7.2.1湍流直接数值模拟的空间分辨率
7.2.2湍流直接数值模拟的时间分辨率
7.2.3初始条件和边界条件
7.3湍流直接数值模拟的谱方法
7.3.1谱方法的基本原理
7.3.2格栅湍流的直接数值模拟
7.3.3平面槽道湍流的直接数值模拟
7.4湍流直接数值模拟的差分法
7.4.1高精度紧致格式
7.4.2湍流混合层的直接数值模拟
第8章湍流大涡模拟
8.1脉动的过滤
8.2大涡模拟的控制方程和亚格子应力
8.2.1大涡模拟控制方程
8.2.2亚格子应力的性质
8.3常用的亚格子模型
8.3.1Smargorinsky涡粘模式
8.3.2尺度相似模式和混合模式
8.3.3动力模式
8.3.4谱空间涡粘模式
8.3.5理性亚格子模式
8.3.6标量湍流输运的亚格子模型
8.4亚格子模型的检验
8.4.1亚格子模型的先验比较结果
8.4.2亚格子模型的后验结果
8.5复杂流动的大涡模拟算例
8.5.1平面扩压器
8.5.2绕圆柱流动
8.5.3环境流动的算例
8.6关于大涡模拟的几个问题
8.6.1亚格子应力的量级估计
8.6.2大涡模拟的误差估计和提高精度的方法
8.6.3大涡模拟的统计量修正
8.6.4非均匀网格中过滤过程和微分运算的可交换性
8.6.5大涡模拟的近壁模型
第9章雷诺平均模拟方法
9.1建立湍流统计模式的一般原理
9.1.1雷诺应力的一般泛函形式
9.1.2封闭模式方程的约束条件
9.2湍流涡粘模式
9.2.1不可压缩湍流的代数涡粘模式
9.2.2标准k�拨拍Ｊ�
9.2.3非线性k�拨拍Ｊ�
9.2.4壁函数
9.2.5低雷诺数修正
9.2.6单方程涡粘系数输运模式
9.3雷诺应力输运方程的封闭模式： 2阶矩模式
9.3.12阶矩模式的封闭式
9.3.2代数形式的2阶矩模式
9.3.3关于湍流统计模式的综合评述
9.4雷诺平均和大涡模拟的组合模型(RANS/LES)
9.4.1RANS/LES组合模型的基本思想和实施方法
9.4.2RANS/LES组合模型算例
索引
参考文献

精彩书摘

　　第1章湍流的统计和测量
　　1.1湍流现象
　　湍流又称紊流，是自然界普遍存在的极不规则流动现象。我国古代文学家用水流湍急描述奔腾的江河水流，伟大的爱国诗人屈原(公元前339—前278)在《楚辞·九章·抽思》中有“长濑湍流”的描述； 晋朝王羲之(公元321—379)在《兰亭序》中有“清流激湍”的佳句。欧洲文艺复兴时代的大师达·芬奇(1452—1519)有许多大气运动的素描，和现代科学家的“湍涡”观念相当接近(图1��1)。
　　随着科学技术的发展，工程机械中的湍流现象不断涌现，可以毫不夸张地说，自然界和工程中的多数流动是湍流。
　　湍流作为流体动力学课题的研究始于英国著名科学家奥斯堡恩·雷诺(Orsborne Reynolds)。著名的雷诺实验(1883)给出了湍流直观的描述和发生湍流状态的条件。图1��2是雷诺实验装置和流动显示的示意图。
　　图1��1达·芬奇素描的大气湍流
　　图1��2雷诺实验示意图
　　(a) 层流； (b) 由层流到湍流的转变
　　清水从一个有恒定水位的水箱流入等截面直圆管，在圆管入口的中心处，通过一针孔注入有色液体，以观察管内的流动状态。在圆管的出口端有一节门可调节流量，以改变流体速度。为减少入口扰动，入口制成钟罩形。实验时可用容积法
　　容积法是一种简单而精确的测量液体流量的方法，用量筒接收通过管道的液体体积V，用秒表记录液体流入量筒的时间T，流量Q=V/T。测量流过圆管的流量Q，以此计算圆管内的平均流速Um：
　　Um=4Qπd2
　　(1.1)
　　式中d是圆管直径。实验过程中，逐渐开大节门，管内流速随之增大。当管内流速较小时，圆管中心的染色线保持直线状态(图1��2(a))； 当流量增大到某一数值时染色线开始出现波形扰动； 继续增大流量时，染色线由剧烈振荡到破碎，并很快和清水剧烈掺混以至不能分辨出染色液线(图1��2(b)的后端)。雷诺实验不仅观察到流动状态的改变，而且发现流动状态的转变和无量纲数Umd/ν有关(ν为水的运动粘性系数)，后来该无量纲数称为雷诺数：
　　Re=Umdν(1.2)
　　上述第一阶段的流动状态称为层流； 最后阶段的流动状态称为湍流； 中间阶段的流动状态极不稳定，称为过渡流动。在不加特殊控制的情况下，圆管流动出现湍流状态的最低Re数约为2000。在特殊控制环境下，外界的扰动非常微弱(如控制环境振动和噪声、管壁粗糙度等)，圆管内流动的层流状态可维持到Re=105量级。在常见的其他流动中，如边界层、射流或混合层等，随着各自流动特征雷诺数的增大，也会发生层流到湍流的演变。
　　总之，湍流是一种极普遍的流动现象，它和层流是两种不同的流动状态，当流动的特征雷诺数足够大时，流动就呈现不规则的湍流状态。
　　1.2湍流的不规则性
　　湍流的主要特征是不规则性，这是它和层流的主要区别。湍流的不规则性可表现在流动变量(速度、压强等)的时间序列呈现不规则的振荡状态，如图1��2所示； 不规则性也能表现在流动变量在空间上的极不规则的分布。
　　湍流的不规则性还表现在它的不重复性。以圆管流动为例，保持相同流量、相同流体粘度等条件，重复前面的雷诺实验，每次试验的时间变量均由启动瞬间算起，在这种重复试验的流动中，同一空间点上的速度时间序列是不重复的。图1��3展示了在不同时刻采集的圆管湍流中心线上的流向速度(Re=6000)。可以看到，两次采集的速度时间序列都是极不规则的，并且两次采集的结果完全不重合。
　　不重复性可以用试验次数为自变量的不规则函数表示。试验次数用变量�`表示(例如第1次试验
　　ω~=1，第2次试验ω~=2，3，…)，那么湍流速度场是时间、空间坐标和试验次数ω~的不规则函数：
　　ui=ui(x，t，ω~)(1.3)
　　图1��3圆管湍流中心流向速度的两次时间序列
　　必须指出，湍流是在连续介质范畴内流体的不规则运动，它有别于物质分子的不规则运动。具体来说，在湍流中，极不规则流动的最小时间尺度和最小空间尺度都远远大于分子热运动的相应尺度。就是说湍流是研究流体微团的不规则运动，因此湍流运动产生的质量和能量的输运远远大于分子热运动产生的宏观输运，这就导致湍流场中质量和能量的平均扩散远远大于层流扩散。例如，在化学反应器中，为了加速化学反应，常常利用搅拌产生湍流以加强流动中反应物的质量扩散。另一方面，真实流体运动是耗散系统，湍流脉动导致附加的能量耗散，因此湍流运动往往使流动阻力增加。
　　下面首先讨论不规则运动的统计描述。
　　1.3湍流的统计
　　1.3.1随机变量的概率分布和概率密度
　　湍流是不规则运动，属于随机过程，随机过程中随机变量的最基本可预测特性是它的概率和概率密度。
　　1. 随机变量的概率和概率密度
　　首先，用直观的方法建立概率和概率密度的概念。考察图1��3的圆管湍流中心的速度测量结果，从表面上看，每次采样的速度序列都极不规则，而且两次采集的结果没有重复性。如果把采集的时间序列按速度大小分类，并考察出现在某一速度区间上的样本数的分布，那么两次采样结果就有几乎相同的分布规律。具体做法是在速度的最大值和最小值之间等分成M个区间，第mi个区间的中心速度为ui，则该区间中流体速度值为
　　ui-Δu　　在速度时间序列的样本中，把位于上述区间采集到的点数Ni记录下来，并除以总的采集点数NT，则
　　Ni/NT
　　表示位于上述指定区间的样本的百分数。
　　上述处理结果可以用直方图表示，图1��4右边是速度的时间序列，左边是该时间序列按速度大小分布所作的直方图。
　　图1��4不规则序列及其直方图
　　Ni/NT称为速度时间序列中出现速度值为ui-Δu　　综上所述，虽然湍流速度场在时间上具有不规则性，但它具有规则的概率分布。
　　图1��5两次试验的速度时间序列(分别对应图1��2(a)和(b))的概率密度分布
　　(□： 试验结果； 实线： 拟合的高斯分布)
　　2. 概率和概率密度的定义
　　以上是直观的概率和概率密度的概念，为了对不规则量进行定量的统计需要严格的概率定义。概率论中，随机变量的定义是事件集合Ω(ω~)到实数集合R的映射。
　　u:Ω→R(1.4)
　　用力学语言来解释上述定义，湍流速度变量u的实数集合是随机变量； 事件集合就是相同边界条件下、不同初始场演化出的所有流场状态。例如，前面曾经将每次试验用参数ω~表示，则流场中某一点所有可能出现的速度值表示为
　　u=u(ω~)(1.5)
　　所有可能实现的事件集合Ω(ω~)称为系综。举例来说，在相同的边界条件下，N个真实的初始条件产生N个实验流场(理论上N可以无穷大)是一个系综，其中某一次试验称为一个事件。数学上，随机变量的概率定义如下：
　　随机变量的概率是一种测度概念。规定全系综(即一切可能实现的事件集合)的测度等于1，随机变量u(ω~)的概率P(x)定义为一切u(ω~)　　P(x)=M［u(ω~)　　用力学语言来解释，式(1.6a)可表述为
　　P(x)=出现u　　公式(1.6a)或(1.6b)定义的概率称为累积概率，它具有以下性质：
　　(1) P(x)是小于1的正值函数，即0　　(2) P(x)是不减函数，即P(x2)≥P(x1)，若x2>x1；
　　(3) P(-∞)=0，P(∞)=1，因为一切真实的物理量必为-∞　　由上述定义的概率不难算出u1　　P(u1　　前面用直观方法作出的直方图就是累积概率之差
　　Δ
　　P(u)。由累积概率可进一步引出概

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