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編輯推薦

本書是湍流是近代流體力學研究的熱點，是工程設計和大氣海洋環境預測需要的知識和模擬方法。本書融閤湍流莫斯科學派，劍橋學派的理論精髓和近代湍流的模擬方法，並以國內外湍流專傢和本書作者研究成果說明發展湍流理論和模擬的途徑；使讀者既能深諳湍流理論，又能運用理論正確構造模型和數值模擬湍流運動。如果你希望瞭解湍流本質，以攻剋湍流難題，本書為你提供湍流的基礎理論和進一步研究方法；如果你需要湍流模擬方法以解決工程設計問題，本書提供瞭模擬方法的理論基礎和近代方法。本書在論述理論和方法時，引用國內外重要文獻180餘篇，為讀者深入學習和發展湍流理論和模擬方法提供廣闊空間。

內容簡介

本書是2005年版《湍流理論與模擬》的再版。本書係統地敘述瞭湍流的基本理論和近代湍流數值模擬方法。此版增加瞭可壓縮湍流，全書由原來8章更新為9章。具體內容包括湍流的統計和測量、湍流運動的統計平均方程和脈動方程、均勻各嚮同性湍流、簡單剪切湍流、標量湍流、可壓縮湍流、湍流直接數值模擬、湍流大渦模擬、雷諾平均模擬方法。書中總結瞭近年來國內外前沿和熱點問題研究的進展，並融入瞭作者多年來的教學經驗和學術成果。
本書可作為工程力學、流體力學、空氣動力學、航空工程、工程熱物理、熱能工程、核能工程、環境科學和工程、水利工程等專業的研究生教材和科研人員的參考書。

作者簡介

張兆順，教授，博士生導師，1957年上海交通大學畢業，1959年清華大學工程力學研究班畢業。1982年獲英國南安普墩大學應用科學院博士（PH.D)。是國內著名的湍流專傢。曾任中國力學學會常務理事，副秘書長。與崔桂香閤著《流體力學》（*版，1999年，清華大學齣版社，已改版三次），與崔桂香，許春曉閤著《湍流理論和模擬》（第*版，2005年，清華大學齣版社），與崔桂香，許春曉閤著《大渦數值模擬的理論和應用》（2008年，第*版，清華大學齣版社）。近30年中在國內外權*刊物（如Journal of Fluid Mechanics, Physics of Fluids,中國科學，力學學報等）發錶論文近100篇，被SCI引用100餘次，曾任國際雜誌Flows，Turbulenceand Combustion和Communication of Nonlinear Science and Numerical Simulationde編委，以及重要國際湍流會議的顧問委員。

目錄

第1章湍流的統計和測量
1.1湍流現象
1.2湍流的不規則性
1.3湍流的統計
1.3.1隨機變量的概率分布和概率密度
1.3.2湍流的統計量
1.4湍流脈動的譜
1.4.1定常湍流中的頻譜
1.4.2均勻湍流場中的波譜
1.4.3非均勻或非定常湍流場中譜函數的推廣
1.5湍流脈動的測量方法
1.5.1湍流速度的測量方法
1.5.2流動顯示和流場濃度的測量
1.5.3脈動壓強的測量
第2章湍流運動的統計平均方程和脈動方程
2.1Navier�睸tokes方程和湍流
2.2雷諾方程和脈動運動方程
2.2.1雷諾方程
2.2.2脈動運動方程
2.3雷諾應力和雷諾應力輸運方程
2.3.1雷諾應力張量
2.3.2雷諾應力輸運方程
2.3.3湍動能輸運過程
2.3.4平均運動的能量輸運過程
2.3.5雷諾應力輸運過程
2.3.6不可壓縮湍流場中脈動壓強分布和壓強變形率相關的
解析錶達式
2.3.7湍流統計方程的封閉性討論
2.4不可壓縮湍流的標量輸運方程
2.5渦量的輸運和湍流
2.5.1渦量運動學
2.5.2渦動力學
2.5.3湍流場中渦量的統計方程
第3章均勻各嚮同性湍流
3.1均勻湍流場的相關函數和譜張量
3.2均勻各嚮同性湍流場的相關函數和譜張量
3.2.1張量的不變量和張量函數
3.2.2各嚮同性湍流的相關張量函數及其性質
3.2.3不可壓縮各嚮同性湍流的相關張量函數及其性質
3.2.4關於能譜的幾個公式
3.3不可壓縮均勻各嚮同性湍流的動力學方程
3.3.1不可壓縮均勻湍流的基本方程
3.3.2不可壓縮均勻湍流的譜理論
3.3.3不可壓縮均勻湍流中湍動能的輸運過程
3.3.4均勻湍流中的湍動能傳輸鏈
3.4不可壓縮均勻各嚮同性湍流動力學的若乾性質
3.4.1不可壓縮均勻湍流的2階速度相關動力學方程
3.4.2不可壓縮均勻各嚮同性湍流的Karman�睭owarth方程
3.4.3Karman�睭owarth方程的應用
3.5不可壓縮均勻各嚮同性湍流中的湍動能傳輸鏈
3.5.1不可壓縮均勻各嚮同性湍流中的湍動能輸運方程
3.5.2各嚮同性湍流中的特徵尺度
3.5.3Kolmogorov的局部各嚮同性假定和湍能譜的－5/3冪次律
3.6局部各嚮同性湍流的結構函數
3.6.1結構函數及其性質
3.6.2Landau對Kolmogorov理論的質疑，湍能耗散的間歇性
3.6.3局部各嚮同性湍流的標度律
3.6.4各嚮同性湍流結構函數的動力學性質
3.7解各嚮同性湍流相關方程的EDQNM理論
3.7.1準高斯過程的性質
3.7.2各嚮同性湍流的準高斯封閉方程，EDQNM近似
第4章簡單剪切湍流
4.1簡單剪切湍流的統計特性
4.1.1壁湍流的統計特性和湍渦結構
4.1.2壁湍流的湍渦結構和湍渦粘性係數
4.1.3高雷諾數壁湍流
4.2自由剪切湍流的統計特性
4.2.1二維自由剪切湍流的邊界層近似
4.2.2自由剪切湍流的相似性解
4.2.3自由剪切湍流的渦粘係數
4.3均勻剪切湍流的快速畸變理論
4.3.1均勻剪切湍流的基本方程
4.3.2快速畸變近似的基本方程和主要特徵
4.3.3快速畸變近似的統計方程
4.3.4快速畸變近似的實例
4.3.5快速畸變近似的雷諾應力再分配項
4.4剪切湍流中的擬序運動
4.4.1自由剪切湍流中的擬序結構
4.4.2湍流邊界層的擬序結構
4.5擬序特性的檢測
4.5.1脈動的時空相關和結構遷移速度的檢測
4.5.2VITA法和湍流猝發特性的檢測
4.6擬序結構的動力學模型
4.6.1擬序運動的分解和能量輸運
4.6.2平麵湍流混閤層擬序運動的能量輸運
4.6.3壁湍流中擬序結構的動力學分析
4.7簡單湍流的控製
4.7.1壁湍流的被動控製
4.7.2壁湍流的主動控製
第5章標量湍流
5.1均勻湍流中的被動標量輸運
5.1.1被動標量輸運的控製方程
5.1.2譜空間中標量脈動的輸運
5.1.3均勻湍流場中標量輸運規律
5.2標量湍流的結構
5.2.1標量梯度方程
5.2.2標量梯度片狀結構的實例
5.3湍流普朗特數
5.4標量湍流的結構函數方程——Yaglom方程
5.5標量湍流擴散的拉格朗日隨機模型
5.5.1標量點源的湍流擴散
5.5.2湍流場中質點位移的均方根公式
5.5.3標量點源的湍流擴散係數
5.6Boussinesq近似的湍流
5.6.1Boussinesq近似
5.6.2重力內波和分層流湍流
5.6.3位勢渦和湍流
第6章可壓縮湍流
6.1可壓縮湍流的基本性質
6.1.1可壓縮流動的基本方程
6.1.2可壓縮層流庫埃特流動
6.1.3激波和激波關係式
6.1.4剋羅剋定理
6.2可壓縮湍流的統計方程
6.2.1可壓縮湍流運動的係綜平均方程
6.2.2密度加權平均的可壓縮流體運動方程
6.3均勻可壓縮湍流的不變量
6.4均勻可壓縮湍流的基本特性
6.4.1氣體湍流的三種基本模態
6.4.2氣體湍流三種基本模態間的非綫性相互作用
6.5湍流和激波相互作用的近似理論
6.5.1Ribner近似
6.5.2Ribner近似的主要結果
6.5.3綫性相互作用近似
6.6Morkovin假定和可壓縮剪切湍流的特性
6.6.1Morkovin假定
6.6.2強雷諾比擬
6.6.3湍流普朗特數
6.7可壓縮湍流的Favre過濾
6.8超聲速湍流的物理實驗和數值模擬
6.8.1超聲速湍流的實驗
6.8.2可壓縮湍流的數值模擬
6.9激波邊界層相互作用
6.9.1典型的激波邊界層相互作用
6.9.2超聲速氣流繞斜坡的激波邊界層相互作用
第7章湍流直接數值模擬
7.1湍流數值模擬的方法
7.2湍流直接數值模擬的基本原理
7.2.1湍流直接數值模擬的空間分辨率
7.2.2湍流直接數值模擬的時間分辨率
7.2.3初始條件和邊界條件
7.3湍流直接數值模擬的譜方法
7.3.1譜方法的基本原理
7.3.2格柵湍流的直接數值模擬
7.3.3平麵槽道湍流的直接數值模擬
7.4湍流直接數值模擬的差分法
7.4.1高精度緊緻格式
7.4.2湍流混閤層的直接數值模擬
第8章湍流大渦模擬
8.1脈動的過濾
8.2大渦模擬的控製方程和亞格子應力
8.2.1大渦模擬控製方程
8.2.2亞格子應力的性質
8.3常用的亞格子模型
8.3.1Smargorinsky渦粘模式
8.3.2尺度相似模式和混閤模式
8.3.3動力模式
8.3.4譜空間渦粘模式
8.3.5理性亞格子模式
8.3.6標量湍流輸運的亞格子模型
8.4亞格子模型的檢驗
8.4.1亞格子模型的先驗比較結果
8.4.2亞格子模型的後驗結果
8.5復雜流動的大渦模擬算例
8.5.1平麵擴壓器
8.5.2繞圓柱流動
8.5.3環境流動的算例
8.6關於大渦模擬的幾個問題
8.6.1亞格子應力的量級估計
8.6.2大渦模擬的誤差估計和提高精度的方法
8.6.3大渦模擬的統計量修正
8.6.4非均勻網格中過濾過程和微分運算的可交換性
8.6.5大渦模擬的近壁模型
第9章雷諾平均模擬方法
9.1建立湍流統計模式的一般原理
9.1.1雷諾應力的一般泛函形式
9.1.2封閉模式方程的約束條件
9.2湍流渦粘模式
9.2.1不可壓縮湍流的代數渦粘模式
9.2.2標準k�撥拍Ｊ�
9.2.3非綫性k�撥拍Ｊ�
9.2.4壁函數
9.2.5低雷諾數修正
9.2.6單方程渦粘係數輸運模式
9.3雷諾應力輸運方程的封閉模式： 2階矩模式
9.3.12階矩模式的封閉式
9.3.2代數形式的2階矩模式
9.3.3關於湍流統計模式的綜閤評述
9.4雷諾平均和大渦模擬的組閤模型(RANS/LES)
9.4.1RANS/LES組閤模型的基本思想和實施方法
9.4.2RANS/LES組閤模型算例
索引
參考文獻

精彩書摘

　　第1章湍流的統計和測量
　　1.1湍流現象
　　湍流又稱紊流，是自然界普遍存在的極不規則流動現象。我國古代文學傢用水流湍急描述奔騰的江河水流，偉大的愛國詩人屈原(公元前339—前278)在《楚辭·九章·抽思》中有“長瀨湍流”的描述； 晉朝王羲之(公元321—379)在《蘭亭序》中有“清流激湍”的佳句。歐洲文藝復興時代的大師達·芬奇(1452—1519)有許多大氣運動的素描，和現代科學傢的“湍渦”觀念相當接近(圖1��1)。
　　隨著科學技術的發展，工程機械中的湍流現象不斷湧現，可以毫不誇張地說，自然界和工程中的多數流動是湍流。
　　湍流作為流體動力學課題的研究始於英國著名科學傢奧斯堡恩·雷諾(Orsborne Reynolds)。著名的雷諾實驗(1883)給齣瞭湍流直觀的描述和發生湍流狀態的條件。圖1��2是雷諾實驗裝置和流動顯示的示意圖。
　　圖1��1達·芬奇素描的大氣湍流
　　圖1��2雷諾實驗示意圖
　　(a) 層流； (b) 由層流到湍流的轉變
　　清水從一個有恒定水位的水箱流入等截麵直圓管，在圓管入口的中心處，通過一針孔注入有色液體，以觀察管內的流動狀態。在圓管的齣口端有一節門可調節流量，以改變流體速度。為減少入口擾動，入口製成鍾罩形。實驗時可用容積法
　　容積法是一種簡單而精確的測量液體流量的方法，用量筒接收通過管道的液體體積V，用秒錶記錄液體流入量筒的時間T，流量Q=V/T。測量流過圓管的流量Q，以此計算圓管內的平均流速Um：
　　Um=4Qπd2
　　(1.1)
　　式中d是圓管直徑。實驗過程中，逐漸開大節門，管內流速隨之增大。當管內流速較小時，圓管中心的染色綫保持直綫狀態(圖1��2(a))； 當流量增大到某一數值時染色綫開始齣現波形擾動； 繼續增大流量時，染色綫由劇烈振蕩到破碎，並很快和清水劇烈摻混以至不能分辨齣染色液綫(圖1��2(b)的後端)。雷諾實驗不僅觀察到流動狀態的改變，而且發現流動狀態的轉變和無量綱數Umd/ν有關(ν為水的運動粘性係數)，後來該無量綱數稱為雷諾數：
　　Re=Umdν(1.2)
　　上述第一階段的流動狀態稱為層流； 最後階段的流動狀態稱為湍流； 中間階段的流動狀態極不穩定，稱為過渡流動。在不加特殊控製的情況下，圓管流動齣現湍流狀態的最低Re數約為2000。在特殊控製環境下，外界的擾動非常微弱(如控製環境振動和噪聲、管壁粗糙度等)，圓管內流動的層流狀態可維持到Re=105量級。在常見的其他流動中，如邊界層、射流或混閤層等，隨著各自流動特徵雷諾數的增大，也會發生層流到湍流的演變。
　　總之，湍流是一種極普遍的流動現象，它和層流是兩種不同的流動狀態，當流動的特徵雷諾數足夠大時，流動就呈現不規則的湍流狀態。
　　1.2湍流的不規則性
　　湍流的主要特徵是不規則性，這是它和層流的主要區彆。湍流的不規則性可錶現在流動變量(速度、壓強等)的時間序列呈現不規則的振蕩狀態，如圖1��2所示； 不規則性也能錶現在流動變量在空間上的極不規則的分布。
　　湍流的不規則性還錶現在它的不重復性。以圓管流動為例，保持相同流量、相同流體粘度等條件，重復前麵的雷諾實驗，每次試驗的時間變量均由啓動瞬間算起，在這種重復試驗的流動中，同一空間點上的速度時間序列是不重復的。圖1��3展示瞭在不同時刻采集的圓管湍流中心綫上的流嚮速度(Re=6000)。可以看到，兩次采集的速度時間序列都是極不規則的，並且兩次采集的結果完全不重閤。
　　不重復性可以用試驗次數為自變量的不規則函數錶示。試驗次數用變量�`錶示(例如第1次試驗
　　ω~=1，第2次試驗ω~=2，3，…)，那麼湍流速度場是時間、空間坐標和試驗次數ω~的不規則函數：
　　ui=ui(x，t，ω~)(1.3)
　　圖1��3圓管湍流中心流嚮速度的兩次時間序列
　　必須指齣，湍流是在連續介質範疇內流體的不規則運動，它有彆於物質分子的不規則運動。具體來說，在湍流中，極不規則流動的最小時間尺度和最小空間尺度都遠遠大於分子熱運動的相應尺度。就是說湍流是研究流體微團的不規則運動，因此湍流運動産生的質量和能量的輸運遠遠大於分子熱運動産生的宏觀輸運，這就導緻湍流場中質量和能量的平均擴散遠遠大於層流擴散。例如，在化學反應器中，為瞭加速化學反應，常常利用攪拌産生湍流以加強流動中反應物的質量擴散。另一方麵，真實流體運動是耗散係統，湍流脈動導緻附加的能量耗散，因此湍流運動往往使流動阻力增加。
　　下麵首先討論不規則運動的統計描述。
　　1.3湍流的統計
　　1.3.1隨機變量的概率分布和概率密度
　　湍流是不規則運動，屬於隨機過程，隨機過程中隨機變量的最基本可預測特性是它的概率和概率密度。
　　1. 隨機變量的概率和概率密度
　　首先，用直觀的方法建立概率和概率密度的概念。考察圖1��3的圓管湍流中心的速度測量結果，從錶麵上看，每次采樣的速度序列都極不規則，而且兩次采集的結果沒有重復性。如果把采集的時間序列按速度大小分類，並考察齣現在某一速度區間上的樣本數的分布，那麼兩次采樣結果就有幾乎相同的分布規律。具體做法是在速度的最大值和最小值之間等分成M個區間，第mi個區間的中心速度為ui，則該區間中流體速度值為
　　ui-Δu　　在速度時間序列的樣本中，把位於上述區間采集到的點數Ni記錄下來，並除以總的采集點數NT，則
　　Ni/NT
　　錶示位於上述指定區間的樣本的百分數。
　　上述處理結果可以用直方圖錶示，圖1��4右邊是速度的時間序列，左邊是該時間序列按速度大小分布所作的直方圖。
　　圖1��4不規則序列及其直方圖
　　Ni/NT稱為速度時間序列中齣現速度值為ui-Δu　　綜上所述，雖然湍流速度場在時間上具有不規則性，但它具有規則的概率分布。
　　圖1��5兩次試驗的速度時間序列(分彆對應圖1��2(a)和(b))的概率密度分布
　　(□： 試驗結果； 實綫： 擬閤的高斯分布)
　　2. 概率和概率密度的定義
　　以上是直觀的概率和概率密度的概念，為瞭對不規則量進行定量的統計需要嚴格的概率定義。概率論中，隨機變量的定義是事件集閤Ω(ω~)到實數集閤R的映射。
　　u:Ω→R(1.4)
　　用力學語言來解釋上述定義，湍流速度變量u的實數集閤是隨機變量； 事件集閤就是相同邊界條件下、不同初始場演化齣的所有流場狀態。例如，前麵曾經將每次試驗用參數ω~錶示，則流場中某一點所有可能齣現的速度值錶示為
　　u=u(ω~)(1.5)
　　所有可能實現的事件集閤Ω(ω~)稱為係綜。舉例來說，在相同的邊界條件下，N個真實的初始條件産生N個實驗流場(理論上N可以無窮大)是一個係綜，其中某一次試驗稱為一個事件。數學上，隨機變量的概率定義如下：
　　隨機變量的概率是一種測度概念。規定全係綜(即一切可能實現的事件集閤)的測度等於1，隨機變量u(ω~)的概率P(x)定義為一切u(ω~)　　P(x)=M［u(ω~)　　用力學語言來解釋，式(1.6a)可錶述為
　　P(x)=齣現u　　公式(1.6a)或(1.6b)定義的概率稱為纍積概率，它具有以下性質：
　　(1) P(x)是小於1的正值函數，即0　　(2) P(x)是不減函數，即P(x2)≥P(x1)，若x2>x1；
　　(3) P(-∞)=0，P(∞)=1，因為一切真實的物理量必為-∞　　由上述定義的概率不難算齣u1　　P(u1　　前麵用直觀方法作齣的直方圖就是纍積概率之差
　　Δ
　　P(u)。由纍積概率可進一步引齣概 湍流理論與模擬（第2版）/研究生力學叢書 下載 mobi epub pdf txt 電子書

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