剪切流中的稳定性和转捩 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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[美] 斯科姆（Schmid，P.J.） 著

图书标签:

• 剪切流
• 转捩
• 稳定性
• 流体力学
• 湍流
• 非线性动力学
• 数值模拟
• 实验流体力学
• 边界层
• 流体动力学

出版社： 世界图书出版公司

ISBN：9787510070242

版次：1

商品编码：11457450

包装：平装

丛书名： 经典数学丛书

开本：24开

出版时间：2014-03-01

用纸：胶版纸

页数：556

正文语种：英文

内容简介

　　回顾了过去10年在壁湍流和自由剪切流转捩问题的数值研究中取得的重要进展，介绍了数值方法和模式研究方面的进展，以及由此带来的关于转捩理论认识上的进展。对于壁面流动，文中主要介绍了渐进稳定流动中"跨越(bypass)转捩"研究中的各种观点。本文也简要介绍了对感受性和转捩控制方面的研究。

内页插图

目录

1 Introduction and General Results1.1 Introduction1.2 Nonlinear Disturbance Equations1.3 Definition of Stability and Critical Reynolds Numbers1.3.1 Definition of Stability1.3.2 Critical Reynolds Numbers1.3.3 Spatial Evolution of Disturbances1.4 The Reynolds-Orr Equation1.4.1 Derivation of the Reynolds-Orr Equation1.4.2 The Need for Linear Growth Mechanisms
Ⅰ Temporal Stability of Parallel Shear Flows2 Linear Inviscid Analysis2.1 Inviscid Linear Stability Equations2.2 Modal Solutions2.2.1 General Results2.2.2 Dispersive Effects and Wave Packets2.3 Initial Value Problem2.3.1 The Inviscid Initial Value Problem2.3.2 Laplace Transform Solution2.3.3 Solutions to the Normal Vorticity Equation2.3.4 Example: Couette Flow2.3.5 Localized Disturbances3 Eigensolutions to the Viscous Problem3.1 Viscous Linear Stability Equations3.1.1 The Velocity-Vorticity Formulation3.1.2 The Orr-Sommerfeld and Squire Equations3.1.3 Squire's Transformation and Squire's Theorem3.1.4 Vector Modes3.1.5 Pipe Flow3.2 Spectra and Eigenfunctions3.2.1 Discrete Spectrum3.2.2 Neutral Curves3.2.3 Continuous Spectrum3.2.4 Asymptotic Results3.3 Further Results on Spectra and Eigenfunctions3.3.1 Adjoint Problem and Bi-Orthogonality Condition3.3.2 Sensitivity of Eigenvalues3.3.3 Pseudo-Eigenvalues3.3.4 Bounds on Eigenvalues3.3.5 Dispersive Effects and Wave Packets4 The Viscous Initial Value Problem4.1 The Viscous Initial Value Problem4.1.1 Motivation4.1.2 Derivation of the Disturbance Equations4.1.3 Disturbance Measure4.2 The Forced Squire Equation and Transient Growth4.2.1 Eigenfunction Expansion4.2.2 Blasius Boundary Layer Flow4.3 The Complete Solution to the Initial Value Problem4.3.1 Continuous Formulation4.3.2 Discrete Formulation4.4 Optimal Growth4.4.1 The Matrix Exponential4.4.2 Maximum Amplification4.4.3 Optimal Disturbances4.4.4 Reynolds Number Dependence of Optimal Growth4.5 Optimal Response and Optimal Growth Rate4.5.1 The Forced Problem and the Resolvent4.5.2 Maximum Growth Rate4.5.3 Response to Stochastic Excitation4.6 Estimates of Growth4.6.1 Bounds on Matrix Exponential……Ⅱ Stability of Complex Flows and TransitionⅢ Appendix

精彩书摘

　　1.1 Introduction　　Hydrodynamic stability theory is concerned with the response of a laminarflow to a disturbance of small or moderate amplitude. If the flow returns toits original laminar state one defines the flow as stable， whereas if the dis-turbance grows and causes the laminar flow to change into a different state，one defines the flow as unstable. Instabilities often result in turbulent fluidmotion， but they may also take the flow into a different laminar， usuallymore complicated state. Stability theory deals with the mathematical anal-ysis of the evolution of disturbances superposed on a laminar base flow. Inmany cases one assumes the disturbances to be small so that further sim-plifications can be justified. In particular， a linear equation governing theevolution of disturbances is desirable. As the disturbance velocities growabove a few percent of the base flow， nonlinear effects become importantand the linear equations no longer accurately predict the disturbance evo-lution. Although the linear equations have a limited region of validity theyare important in detecting physical growth mechanisms and identifyingdominant disturbance types.　　In this section we will derive the nonlinear equations governing the de-velopment of a disturbance on a laminar base flow， define various types ofstability， and discuss some general concepts and results.　　……

前言/序言

好的，这是一份关于一本名为《流体力学基础与应用》的图书的详细简介。 --- 图书名称：流体力学基础与应用 作者： [此处可设想一位资深教授或行业专家] 出版日期： [此处可设想一个年份] 图书简介 《流体力学基础与应用》是一本全面、深入且兼具实践指导意义的教材，旨在为理工科学生、研究人员以及工程技术人员提供坚实的流体力学理论基础和广泛的应用知识。本书从流体运动的基本原理出发，系统地梳理了从经典理论到现代数值模拟方法的演进，力求在理论的严谨性与工程实践的贴合度之间找到完美的平衡点。 本书内容结构清晰，逻辑严密，共分为五大部分，涵盖了流体力学核心知识体系的各个层面。 第一部分：流体力学基础与描述 本部分奠定了流体力学研究的基石。我们首先介绍了流体的基本概念，包括牛顿流体与非牛顿流体的区分，以及宏观描述与微观描述的视角转换。 流体运动的描述： 详细探讨了流场的基本描述方法，如拉格朗日观点和欧拉观点，并引入了重要的运动学量——速度、加速度、涡量和应变率。通过对流场中的物质微元进行分析，建立了描述流体运动的数学框架。 流体静力学： 深入剖析了流体在静止状态下的平衡问题，推导了静力学基本方程，并讨论了各种压力测量仪器的工作原理，如皮托管和测压管。特别强调了不同几何形状容器中液体静载荷的计算方法，为结构设计提供了必要的理论支撑。 流体动力学基础方程： 这是全书的核心。我们详细推导了控制流体运动的四大基本方程：质量守恒（连续性方程）、动量守恒（纳维-斯托克斯方程）和能量守恒（热力学第一定律在流体中的应用）。推导过程力求详尽，并结合物理意义进行阐释，帮助读者理解这些方程背后的物理内涵。 第二部分：理想流体与粘性流体 在掌握了基本控制方程后，本部分将流体模型简化，以分析特定流动问题。 理想流体动力学： 讨论了不可压缩、无粘性流体的运动规律。重点介绍了伯努利方程的推导、应用范围及其局限性。通过欧拉方程和拉格朗日方程的求解，分析了势流理论在翼型绕流问题中的初步应用。 粘性流体流动： 粘性效应是真实流体运动的关键特征。本章深入探讨了牛顿粘性应力本构关系，并引出了黏性流体中的基本方程——纳维-斯托克斯方程。讨论了层流运动的经典解，如平板上的Couette流动和Poiseuille流动，这些解析解是理解摩擦阻力和动量传递的起点。 边界层理论的引入： 针对高雷诺数流动，提出了普朗特边界层理论，这是连接理想流体和粘性流体的桥梁。详细分析了边界层的形成、发展和分离现象，强调了摩擦阻力与压力梯度之间的复杂关系。 第三部分：流动相似性、量纲分析与流动分离 本部分侧重于如何利用理论指导实验设计和工程预测，这是从基础理论走向实际应用的关键步骤。 量纲分析与相似性原理： 详细讲解了π定理的应用，通过量纲分析方法，系统地提取了流体流动中的关键无量纲参数，如雷诺数（Re）、弗劳德数（Fr）和马赫数（Ma）。重点阐述了物理相似性与几何相似性的概念，为风洞试验和水槽模型试验的设计提供了科学依据。 边界层控制与流动分离： 深入探讨了流动分离的机理，包括形状对分离的影响以及如何通过各种手段（如吸气、吹气、气动外形优化）来延迟或控制分离，这对航空航天和汽车工业中的气动外形设计至关重要。分析了尾流区的形成和发展，以及由此带来的阻力损失。 第四部分：可压缩流体流动 随着流速接近或超过音速，流体的可压缩性成为主导因素。本部分专门处理高速流动问题。 基本概念与等熵流： 介绍了声速、马赫数在可压缩流中的物理意义。详细推导了等熵流动的基本关系，如压力、温度、密度与马赫数之间的关系，这是超音速喷管设计的基础。 激波与斜激波： 重点分析了正激波和斜激波的形成与特性。应用罗基特-马克（Rocchi-Hugoniot）关系式，量化了激波引起的不可逆损失，并对斜激波的偏转角进行了几何分析，这在超燃冲压发动机和高超声速飞行器设计中具有核心价值。 管道中的可压缩流动： 讨论了含摩擦的等熵流（Fanno流）和含热的等熵流（Rayleigh流），分析了管道堵塞现象和热力效应在管道流动中的影响。 第五部分：工程应用与数值方法导论 最后一部分将理论知识应用于实际工程问题，并简要介绍现代流体力学研究工具。 管路系统与水力机械： 详细分析了管道中的沿程阻力和局部阻力，推导了水泵、水轮机等水力机械的工作原理和性能曲线。通过实际案例，展示如何设计复杂的管路网络以满足流量和压头要求。 非牛顿流体与多相流： 简要介绍了剪切变稀、剪切增稠流体在化工和生物医学工程中的重要性。对气液两相流、固体颗粒悬浮流等复杂流态的特性进行了概览。 计算流体力学（CFD）导论： 概述了CFD的基本流程，包括前处理（网格生成）、求解器选择（有限体积法）和后处理。本书强调CFD是现代工程分析的有力工具，但其结果必须基于对物理原理的深刻理解。 目标读者群与特色： 本书内容全面，不仅涵盖了经典流体力学的分析方法，还紧密结合了现代工程中的热点问题。丰富的习题和详尽的工程案例分析，确保读者能够学以致用。无论是作为大学本科高年级或研究生阶段的标准教材，还是作为工程技术人员的参考手册，《流体力学基础与应用》都将是一本不可或缺的工具书。其严谨的数学推导、清晰的物理图像以及广泛的工程覆盖面，确保读者能够真正掌握流体运动的内在规律。

评分☆☆☆☆☆

这本书的标题——《剪切流中的稳定性和转捩》，瞬间勾起了我对流体动力学领域深邃探索的兴趣。光是“剪切流”这个词，就足以唤起我对不同速度层叠加、相互作用产生的复杂力学行为的联想。我脑海中立即浮现出，在航空航天、气象学、海洋学以及工程应用等众多学科中，剪切流无处不在，它是许多宏观流体现象的幕后推手。而“稳定性”与“转捩”这两个概念的结合，则暗示着本书将聚焦于流体系统如何维持自身状态，以及在何种条件下会发生从有序到无序的戏剧性转变。我非常期待书中能够提供对“稳定性”的严谨数学定义，并且能够清晰地阐述，哪些因素会增强或削弱剪切流的稳定性。例如，是否流体速度的梯度大小、粘性效应、或者是否存在边界条件的变化，都会对剪切流的稳定性产生决定性影响？进而，我对“转捩”这一过程尤为好奇。它不仅仅是层流向湍流的简单过渡，而往往伴随着一系列复杂的动力学过程，如扰动的增长、相干结构的形成以及能量的耗散。我希望本书能够深入剖析这些转捩机制，并可能介绍一些先进的数值模拟技术或实验方法，来可视化和定量化转捩过程。也许书中会包含一些经典的理论模型，解释转捩是如何发生的，以及如何预测它的发生。总而言之，这本书的名字预示着它将是一次对流体力学核心难题的深度挖掘，我迫不及待地想通过它来增进我对流体世界复杂性的理解。

评分☆☆☆☆☆

这本书的名字叫《剪切流中的稳定性和转捩》，光听这个名字，我就觉得很吸引人，也充满了挑战性。我作为一个对流体力学领域稍有涉猎的读者，对于“剪切流”、“稳定性”和“转捩”这几个词并不陌生，它们都是流体力学研究中的核心概念，也是理解复杂流动机理的关键。我特别好奇作者将如何深入浅出地阐述剪切流的稳定性问题。剪切流本身就非常普遍，从大气层、海洋，到飞机翼尖、高速列车周围，都存在着不同形式的剪切流。而流体在剪切流中的稳定性，直接关系到它的行为模式，是湍流产生的前兆。我设想这本书会从最基础的数学模型开始，比如纳维-斯托克斯方程，然后逐步引入扰动理论，分析不同类型的扰动如何影响剪切流的稳定性，是会发展壮大还是衰减消失。我期待看到对一些经典剪切流算例，如平板边界层、自由剪切流等，进行详尽的稳定性分析。同时，我也希望书中能够涉及一些前沿的研究方向，比如高超声速流动中的稳定性、或者磁流体动力学剪切流的稳定性特性。转捩过程，也就是层流向湍流的过渡，更是流体力学中最复杂、最具挑战性的现象之一。我希望作者能够清晰地梳理出目前关于转捩的各种理论和实验证据，从线性和非线性稳定性理论，到近期的相干结构理论，甚至包括机器学习在预测转捩中的应用。我脑海中已经勾勒出一幅画面：书中通过大量的图表和公式，描绘出流体在不同参数下的奇妙转变，也许还有一些令人惊叹的数值模拟结果，展示出转捩发生的细腻过程。这本书的名字本身就充满了学术的严谨和探索的乐趣，我相信它会是一本能够激发读者深入思考，并为我今后的学习和研究提供重要启发的宝贵资料。

评分☆☆☆☆☆

《剪切流中的稳定性和转捩》这个书名，给我的第一印象是它可能是一本比较深入的专业学术著作，但同时又蕴含着某种“变身”的奥秘。我对于“转捩”这个词尤其感到好奇，它似乎暗示着一种从有序到无序，或者从简单到复杂的过程。在我的理解中，流体系统往往从一种相对平稳、可预测的状态（层流）转变为一种混乱、难以精确描述的状态（湍流）。这种转变的过程，也就是转捩，对于我们理解和控制很多重要的工程问题至关重要。想象一下，当飞机在高速飞行时，机翼表面的气流是从平滑的层流转变为湍流，这会显著影响飞机的升力和阻力。或者在管道输运流体时，转捩会增加能量损耗。这本书的题目直接点出了这两个核心问题，让我觉得它可能不仅仅停留在理论层面，而是会深入探讨如何识别、预测甚至影响这种转变。我特别想知道，书中会如何解释剪切流的产生机制，以及剪切流在稳定性方面扮演的角色。比如，是否不同的剪切流速度剖面对应着不同的稳定性阈值？我猜想书中会引入一些关键的判据，例如雷诺数，来区分流体是处于稳定状态还是即将发生转捩。而且，“稳定性”这个词，也让我联想到了一些数学上的分析方法，比如特征值问题，或者线性稳定性分析。我希望这本书能够为我提供一个清晰的框架，让我能够理解这些复杂的概念，并能将它们应用于实际问题中。也许书中还会介绍一些数值模拟的方法，用来观察和研究转捩的细节，例如一些著名的转捩模型。总而言之，这本书的名字让我充满期待，我希望它能为我揭开流体世界中一个充满魅力的秘密。

评分☆☆☆☆☆

《剪切流中的稳定性和转捩》这个书名，让我立刻联想到了一场流体界的“过山车之旅”。“剪切流”本身就带有一种内在的张力，想象一下流体层之间相互摩擦、滑动的样子，这种运动模式本身就蕴含着不稳定性。我很好奇书中会如何描述这种“剪切”是如何产生的，以及它在整个流体系统中的重要性。更令我着迷的是“稳定性和转捩”这两个词。我总觉得，很多物理现象的本质就在于“稳定”和“不稳定”之间的微妙平衡，以及一旦打破这种平衡，就会发生某种“质变”。在这个书名里，“稳定性”似乎代表着一种有序、可预测的状态，而“转捩”则是一种打破这种秩序，进入一个更复杂、更不可预测状态的“临界点”。我希望书中能够通过形象的比喻或者生动的例子，来解释这些抽象的概念。比如说，它是否会用一个滚动的球来类比流体的稳定性，当它在平坦的地面上时是稳定的，但一旦放在一个斜坡上，它就会开始滚动，这就是一种“转捩”的开始。我期待书中能够深入探讨是什么样的“外力”或者“内在因素”能够触发这种“转捩”。会不会是微小的扰动，就像一根羽毛就能引起平静水面的涟漪？还是说，需要达到一定的“能量阈值”？我猜测书中会涉及一些图示，展示流体在不同参数下的行为差异，也许会有一些令人惊叹的模拟图像，捕捉到流体从“乖乖听话”到“野性爆发”的瞬间。这本书的名字，让我感觉它是一扇通往流体深层秘密的大门。

评分☆☆☆☆☆

当我第一次看到《剪切流中的稳定性和转捩》这个书名时，我的脑海中立刻浮现出一些关于流体运动的画面。我一直觉得流体是一种既迷人又难以捉摸的物质，它的行为模式丰富多样，从静谧如湖水，到奔腾如江河，再到难以预测的湍流。这个书名恰恰点出了两个非常关键的方面：一是“剪切流”，这让我想到了流体内部层与层之间存在的速度差异，这种差异是很多流体现象的根源；二是“稳定性和转捩”，这暗示着流体运动并非一成不变，它会经历一个从相对稳定到发生剧烈变化的“转折点”。我尤其感兴趣的是，书中会如何解释“稳定性”这个概念。在流体力学中，稳定性似乎是一个非常技术性的词语，它可能涉及到扰动是否会在流场中传播和增长。我推测书中会从数学的角度来定义和分析流体的稳定性，可能会介绍一些经典的不稳定性理论，比如对流不稳定性或者剪切不稳定性。而“转捩”，更是让我觉得这本书会很有深度。层流是相对有序和可预测的，而湍流则是高度无序且具有随机性的。从层流到湍流的过渡过程，也就是转捩，是流体力学中最基本但又最难理解的现象之一。我期待书中能够详细地阐述转捩的各种机制，比如不同的转捩路径，以及影响转捩过程的各种因素，例如表面粗糙度、外加声波或者湍流边界层的影响。我脑海中浮现出的是，作者会带领我一步步剖析流体的“变形记”，从最初的平静，到潜藏的危机，最终爆发成一场“湍流的风暴”。