《中國學科發展戰略·流體動力學》

作者:中國科學院 2015-05-28 09:21 來源:《中國學科發展戰略》系列
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簡介

“中國學科發展戰略”叢書是中國科學院組織數百位院士專家聯合研究的系列成果,涉及自然科學各學科領域,是目前規模最大的學科發展戰略研究項目。 《中國學科發展戰略(流體動力學)》根據流體動力學的學科特征,針對當今經濟社會發展的重大需求,闡明流體動力學各分支學科的研究現狀,展望未來十年的發展趨勢。全書由緒論、流體動力學的基礎研究、可壓縮流體動力學、不可壓縮流體動力學、流體動力學的交叉學科、流體動力學的計算方法和試驗技術五部分組成,從中讀者可以了解在世紀之交的二三十年間,流體動力學的發展全貌和挑戰性問題,從而使研究工作聚焦學科前沿和關鍵技術,實現創新跨越的目標。 本書內容豐富、圖文并茂,適合高層次的戰略和管理專家,相關領域的高等院校師生、研究機構的研究人員、企業的工程技術人員閱讀,是科技工作者洞悉學科發展規律、把握前沿領域和重點方向的基本指南,也是科技管理部門決策的重要參考,同時也是社會公眾了解流體動力學學科發展現狀及趨勢的權威讀本。

目錄

前言vii
摘要xi
緒論流體動力學的發展——需求和前沿1
一、流體動力學的早期發展和黃金時期1
二、流體動力學的機遇和需求3
三、流體動力學的前沿研究和交叉學科8
四、流體動力學的新方法14
五、結語15
第一部分流體動力學的基礎研究
第一章非牛頓和黏彈性流體第一節引言19
第二節非牛頓流體的本構方程21
第三節非牛頓流體的流動穩定性23
第四節彈性湍流25
第五節聚合物湍流減阻26
第六節觸變性流體的雪崩現象26
第七節非牛頓流體的浸潤28
第八節智能流體29
第九節結語30
參考文獻30
第二章多相流的理論、模擬與實驗34
第一節引言34
第二節多相流研究的數值計算方法35
一、歐拉歐拉方法35
二、歐拉拉格朗日方法36
三、直接數值模擬方法36
四、有待研究的部分重點問題37
第三節多相流研究的實驗方法38
一、早期的測量方法38
二、激光多普勒測速儀技術38
三、粒子圖像測速儀39
四、有待研究的部分重點問題40
第四節多相湍流相間耦合的研究40
一、湍流對相間動量耦合的影響40
二、湍流對顆粒的影響41
三、顆粒對湍流的影響42
四、顆粒對湍流影響的機制43
五、有待研究的部分重點問題44
第五節幾種超常情況下的多相流44
一、微重力多相熱流體動力學44
二、納米顆粒兩相流46
三、沙粒起動躍移運動47
四、霧化射流48
五、有待研究的部分重點問題49
參考文獻51
第三章自然界和工程中的顆粒物質與顆粒流54
第一節引言54
第二節顆粒接觸力56
第三節離散元方法58
第四節宏細觀研究59
第五節顆粒流和泥石流62
第六節本構模型和熱力學理論66
第七節結語69
參考文獻70
第四章可壓縮剪切層的轉捩及其預測72
第一節引言72
第二節剪切層轉捩的基本過程及研究的基本問題73
一、擾動環境分析74
二、感受性問題 75
三、擾動的演化過程76
四、轉捩過程78
第三節可壓縮邊界層的流動不穩定性特征78
第四節可壓縮混合層的流動不穩定性特征81
第五節剪切層轉捩機制的研究進展82
第六節邊界層轉捩預測方法的研究84
一、轉捩模式方法84
二、eN方法84
三、PSE方法85
第七節剪切層轉捩控制方法的研究86
第八節結合國家需求的重大問題87
第九節剪切層轉捩研究中的問題及發展趨勢88
第十節結語89
參考文獻90
第五章可壓縮湍流及其模擬95
第一節引言95
第二節激波邊界層的相互作用101
第三節高超聲速湍流104
第四節聲爆與湍流106
第五節可壓縮湍流模式109
參考文獻111
第六章湍流的大渦模擬113
第一節引言113
第二節大渦模擬的主要進展115
一、大渦模擬的濾波115
二、大渦模擬的亞格子模型116
三、大渦模擬的數值方法117
第三節大渦模擬的新挑戰119
一、壁模型和LES/RANS混合法119
二、氣動噪聲的大渦模擬120
三、多相湍流的大渦模擬123
四、湍流燃燒的大渦模擬124
五、自然界湍流的大渦模擬126
六、大渦模擬的驗證和確認127
第四節結語128
參考文獻129
第二部分可壓縮流體動力學
第七章高溫氣體動力學135
第一節引言135
第二節學科發展背景和現狀137
一、先進跨大氣層飛行器推進系統中的高溫氣體動力學141
二、大氣再入條件下的氣動熱環境與氣動力特性144
三、復雜流動效應耦合作用的高溫氣體動力學數值模擬方法145
第三節高溫氣體動力學的前沿問題148
第四節未來5~10年重點發展方向149
一、高溫氣體效應與材料耦合響應的物理建模與模擬150
二、氣動數據不確定度與多目標優化151
第五節結語153
參考文獻153
第八章稀薄氣體動力學157
第一節引言157
第二節發展歷程158
第三節最近二三十年的研究進展160
一、高速稀薄氣流問題161
二、低速稀薄氣流問題166
三、分子模擬方法的拓展168
第四節學科前沿問題172
第五節與實際需求結合的重大問題173
第六節未來5~10年學科發展趨勢176
參考文獻177
第九章旋渦主控的流動與控制181
第一節引言181
第二節非對稱渦前沿領域的研究進展184
第三節未來5~10年重點發展方向195
參考文獻196
第十章航空渦輪發動機氣體動力學199
第一節引言199
第二節葉輪機內復雜流動200
一、葉尖泄漏流動200
二、角區分離流動201
三、轉靜干涉203
第三節壓氣機穩定性205
一、風扇/壓氣機流動穩定性主動控制技術205
二、機匣處理擴穩技術的發展206
三、旋轉失速穩定性模型的發展207
第四節葉輪機中的數值模擬方法208
一、葉輪機中的湍流模擬209
二、轉靜干涉計算方法212
三、風扇/壓氣機流動穩定性數值模擬215
第五節葉輪機中的實驗測量216
一、測量技術的發展與應用216
二、實驗臺模型217
三、發展重點218
第六節結語219
參考文獻219
第十一章超聲速燃燒與高超聲速推進226
第一節引言226
一、超聲速燃燒與高超聲速推進226
二、利用超聲速燃燒遇到的實際問題有巨大的挑戰性227
三、6分鐘巡航230英里飛行試驗228
四、面臨挑戰依然嚴峻,雙模態超燃沖壓發動機成為發展的瓶頸228
五、影響超燃沖壓發動機技術成熟的因素229
第二節超聲速燃燒與推進研究的進展與認識230
一、燃料選擇與應用230
二、利用吸熱碳氫燃料不僅是冷卻的需要也是提高燃燒性能的關鍵231
三、燃燒室壁孔注射獲得實際應用233
四、超聲速點火與穩定燃燒是發動機正常運行的必要條件235 
五、實驗模擬技術和測量技術相對落后236
第三節超聲速燃燒研究的一些前沿問題238
一、吸熱碳氫燃料主動冷卻特性與超聲速燃燒的耦合238
二、燃料催化裂解特性的控制239
三、積炭問題240
四、吸熱碳氫燃料超聲速燃燒特性240
五、燃燒穩定性問題,凹腔穩焰機制240
六、數值模擬241
七、雙模態運行,亞燃超燃模態轉換245
八、高超聲速燃燒247
參考文獻248
第十二章氣動聲學和航空噪聲控制256
第一節引言256
第二節氣動聲學學科發展和現狀256
一、氣動聲學誕生及Lighthill聲類比理論257
二、Ffowcs Williams?Hawkings方程258
三、Goldstein的廣義Lighthill方程259
四、Powell和Howe的渦聲理論259
五、計算氣動聲學259
第三節民用大型客機氣動噪聲研究現狀和發展趨勢260
一、民用大型客機噪聲水平的歷史和現狀260
二、發動機風扇噪聲產生機制及控制方法264
三、發動機消聲短艙問題265
四、發動機噴流噪聲問題268
五、飛機機體噪聲問題269
六、中國大型客機面臨的噪聲問題270
第四節未來5~10年重點發展方向271
一、渦聲相互作用271
二、計算氣動聲學273
三、仿生學氣動聲學274
四、運動物體發聲問題275
五、燃燒噪聲和燃燒不穩定性275
參考文獻276
第三部分不可壓縮流體動力學
第十三章高速水動力學283
第一節引言283
第二節超空泡流體動力特性與減阻機制284
一、超空泡的宏觀特征285
二、超空泡的通氣與泄氣方式286
三、超空泡的流動特性288
四、超空泡航行體的穩定性289
第三節空泡流非穩態特性與機制290
一、空泡非穩態運動的類型290
二、空泡的周期性脫落現象292
三、空泡的非穩態運動機制293
四、非穩態空泡的頻率特性294
五、非穩態空泡的微觀結構295
第四節多相流數值模擬方法296
第五節空泡流的相關試驗技術299
第六節結語301
參考文獻302
第十四章海岸工程水動力學307
第一節引言307
第二節海岸災害309
一、風暴潮的動力學機制與多尺度數值模型309
二、海嘯生成、爬高及對海岸結構物的作用311
三、基于紅樹林等水生植物的海岸防護新概念315
第三節波浪水流對海岸結構物和海岸地形變化的作用316
一、波浪水流作用下泥沙輸運與航道淤積316
二、樁基承臺結構的波流力與局部沖刷319
三、波浪對海堤的作用321
第四節數值波浪水池及應用323
一、基于Boussinesq類方程的近海波浪傳播數學模型323
二、基于NS方程的數值波浪水池324
第五節結語326
參考文獻327
第十五章海洋工程流體力學331
第一節引言331
第二節極端海洋環境332
一、熱帶氣旋與臺風浪332
二、畸形波336
三、內波338
第三節新型海洋結構物及其響應342
一、深水平臺343
二、海上風能345
三、大尺度浮體運動響應349
四、小尺度構件動力響應350
第四節結語352
參考文獻357
第十六章水環境治理中的物理、化學、生物流體力學357
第一節引言357
一、國內外的水環境問題357
二、環境治理研究的主要歷程358
三、水環境治理中的流體動力學研究現狀及發展方向359
第二節泥沙的環境作用362
一、概述362
二、泥沙對污染物的吸附/解吸及其影響因素363
三、展望364
第三節水體富營養化365
一、概述365
二、水體富營養化的主要影響因素366
三、展望369
第四節溢油污染370
一、概述370
二、水上溢油的遷移變化行為371
三、展望374
第五節地下水中污染物遷移375
一、地下水污染375
二、地下水中污染物遷移的研究現狀376
三、展望378
第六節結語379
參考文獻380
第十七章自然界的水沙流動382
第一節引言382
第二節流域土壤侵蝕383
一、流域產流產沙的基本特征概述384
二、主要研究進展386
三、展望和建議重點研究方向389
第三節河流水沙兩相流動390
一、河流水沙流動的基本特征概述391
二、主要研究進展392
三、展望和建議重點研究方向395
第四節泥石流396
一、泥石流的基本特征概述397
二、主要研究進展398
三、存在問題和前沿研究方向400
第五節結語401
參考文獻402
第十八章風沙環境力學406
第一節引言406
第二節簡要歷史回顧408
第三節近二三十年來的若干進展410
一、來流風場411
二、起動風速與沙塵顆粒的起動機制412
三、沙塵顆粒的碰撞機制414
四、近地表風沙流的理論模型與實驗觀測417
五、風成沙波紋與沙丘地貌的研究421
第四節研究趨勢424
第五節結語426
參考文獻427
第四部分流體動力學的交叉學科
第十九章低溫等離子體流動433
第一節引言433
一、熱等離子體434
二、大氣壓非平衡等離子體435
三、低氣壓冷等離子體436
第二節層流及湍流等離子體流437
一、低溫等離子體流動特征概述437
二、直流電弧等離子體流動研究進展438
三、電弧等離子體射流的流動與傳熱特性439
四、研究和應用展望440
第三節等離子體風洞440
一、等離子體風洞流場的產生441
二、等離子體風洞流場診斷與計算443
第四節等離子體流動控制443
一、流動控制中的等離子體類型444
二、等離子體流動控制應用研究現狀445
三、存在的問題和建議研究方向445
第五節低氣壓冷等離子體應用中的流體力學問題447
第六節結語450
參考文獻450
第二十章核能相關的多場耦合傳熱和傳質453
第一節引言453
第二節磁約束聚變堆多場耦合流體力學與傳熱傳質問題 455
一、堆芯高溫等離子體455
二、包層及第一壁金屬流體457
三、小結462
第三節加速器驅動次臨界系統的多物理場耦合熱輸運問題463
一、加速器驅動的次臨界系統簡介和嬗變應用463
二、ADS關鍵科學問題之一多物理場耦合輸運的展望466
三、小結469
第四節核裂變能利用中的傳熱與傳質469
一、大型先進壓水堆內傳熱傳質研究470
二、船用反應堆傳熱傳質研究473
三、新型核動力反應堆傳熱傳質研究474
第五節結語476
參考文獻476
第二十一章燃燒和反應流480
第一節引言480
第二節層流火焰的研究481
第三節湍流和燃燒之間的相互作用483
一、湍流非預混燃燒484
二、湍流預混燃燒486
三、湍流部分預混燃燒488
第四節煤粉和液霧的兩相流燃燒489
第五節火災491
第六節爆震495
第七節結語497
參考文獻498
第二十二章生物醫學工程中的流體力學501
第一節引言501
第二節簡要歷史回顧502
第三節心血管系統中的流體力學504
第四節呼吸系統中的流體力學508
第五節細胞、分子生物力學與微流動511
第六節未來展望515
第七節結語516
參考文獻517
第二十三章動物飛行與游動的流體力學521
第一節引言521
第二節昆蟲的飛行522
第三節鳥類的飛行525
第四節蝙蝠(獸類)的飛行527
第五節魚類的游動529
第六節未來5~10年的研究工作531
參考文獻532
第二十四章微納米流體力學536
第一節引言536
第二節研究前沿538
一、連續性假設和界面效應538
二、微尺度多相流動540
三、納尺度下流動及物質輸運特性543
四、微納流控仿生芯片的發展546
第三節研究方法的發展547
一、模擬方法547
二、實驗手段552
第四節總結與展望555
參考文獻556
第五部分流體動力學的計算方法和實驗技術
第二十五章計算流體力學高精度、高分辨率、高保真數值方法561
第一節引言561
第二節高精度、高分辨率、高保真數值方法566
一、高精度、高分辨率有限差分方法566
二、具有離散守恒性質的計算方法570
三、非結構網格和非貼體網格上的數值計算方法571
第三節結語579
參考文獻580
第二十六章三維速度場的體測量技術第一節引言585
第二節流場的體測速技術585
一、體粒子圖像測速587
二、磁共振測速589
第三節實驗數據處理技術597
一、空間粒子場灰度重構技術598
二、速度場內插技術598
三、速度場后處理技術599
第四節流場診斷技術600
一、壓力場重構600
二、旋渦辨識601
三、模態分析603
第五節硬件技術604
一、示蹤粒子604
二、光源605
三、數字成像605
四、圖形處理器606
五、實驗平臺簡化607
第六節討論與展望608
參考文獻609
第二十七章高焓流動試驗裝置和測試技術613
第一節引言613
第二節高焓流動試驗裝置研制進展617
一、常規加熱型高焓風洞618
二、加熱輕氣體驅動高焓激波風洞619
三、自由活塞驅動高焓激波風洞620
四、爆轟驅動高焓激波風洞622
第三節高焓流動的測量與診斷技術624
一、氣動熱測量技術624
二、氣動力測量技術625
三、化學反應流動特性測量技術627
第四節結論與展望628
一、發展先進的高焓流動試驗裝置628
二、發展高精度高焓流動診斷技術629
三、發展高焓流動計算模擬平臺630
參考文獻630
關鍵詞索引634
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