“中国学科发展战略”丛书是中国科学院组织数百位院士专家联合研究的系列成果。涉及自然科学各学科领域。是目前规模最大的学科发展战略研究项目。
《中国学科发展战略。流体动力学》根据流体动力学的学科特征。针对当今经济社会发展的重大需求。阐明流体动力学各分支学科的研究现状。展望未来十年的发展趋势。全书由绪论、流体动力学的基础研究、可压缩流体动力学、不可压缩流体动力学、流体动力学的交叉学科。流体动力学的计算方法和试验技术五部分组成。从中读者可以了解在世纪之交的二三十年间。流体动力学的发展全貌和挑战性问题。从而使研究工作聚焦学科前沿和关键技术。实现创新跨越的目标。
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总序
前言
摘要
绪论流体动力学的发展——需求和前沿 1
一、流体动力学的早期发展和黄金时期 1
二、流体动力学的机遇和需求 3
三、流体动力学的前沿研究和交叉学科 8
四、流体动力学的新方法 14
五、结语 15
第一部分流体动力学的基础研究
第一章 非牛顿和黏弹性流体 19
第一节 引言 19
第二节 非牛顿流体的本构方程 21
第三节 非牛顿流体的流动稳定性 23
第四节 弹性湍流 25
第五节 聚合物湍流减阻 26
第六节 触变性流体的雪崩现象 26
第七节 非牛顿流体的浸润 28
第八节 智能流体 29
第九节 结语 30
参考文献 30
第二章 多相流的理论、模拟与实验 34
第一节 引言 34
第二节 多相流研究的数值计算方法 35
一、欧拉-欧拉方法 35
二、欧拉-拉格朗日方法 36
三、直接数值模拟方法 36
四、有待研究的部分重点问题 37
第三节 多相流研究的实验方法 38
一、早期的测量方法 38
二、激光多普勒测速仪技术 38
三、粒子图像测速仪 39
四、有待研究的部分重点问题 40
第四节 多相湍流相间耦合的研究 40
一、湍流对相间动量耦合的影响 40
二、湍流对颗粒的影响 41
三、颗粒对湍流的影响 42
四、颗粒对湍流影响的机制 43
五、有待研究的部分重点问题 44
第五节 几种超常情况下的多相流 44
一、微重力多相热流体动力学 44
二、纳米颗粒两相流 46
三、沙粒起动跃移运动 47
四、雾化射流 48
五、有待研究的部分重点问题 49
参考文献 51
第三章 自然界和工程中的颗粒物质与颗粒流 54
第一节 引言 54
第二节 颗粒接触力 56
第三节 离散元方法 58
第四节 宏-细观研究 59
第五节 颗粒流和泥石流 62
第六节 本构模型和热力学理论 66
第七节 结语 69
参考文献 70
第四章 可压缩剪切层的转捩及其预测 72
第一节 引言 72
第二节 剪切层转捩的基本过程及研究的基本问题 73
一、扰动环境分析 74
二、感受性问题 75
三、扰动的演化过程 76
四、转捩过程 78
第三节 可压缩边界层的流动不稳定性特征 78
第四节 可压缩混合层的流动不稳定性特征 81
第五节 剪切层转捩机制的研究进展 82
第六节 边界层转捩预测方法的研究 84
一、转捩模式方法 84
二、eN方法 84
三、PSE方法 85
第七节 剪切层转捩控制方法的研究 86
第八节 结合国家需求的重大问题 87
第九节 剪切层转捩研究中的问题及发展趋势 88
第十节 结语 89
参考文献 90
第五章 可压缩湍流及其模拟 95
第一节 引言 95
第二节 激波边界层的相互作用 101
第三节 高超声速湍流 104
第四节 声爆与湍流 106
第五节 可压缩湍流模式 109
参考文献 111
第六章 湍流的大涡模拟 113
第一节 引言 113
第二节 大涡模拟的主要进展 115
一、大涡模拟的滤波 115
二、大涡模拟的亚格子模型 116
三、大涡模拟的数值方法 117
第三节 大涡模拟的新挑战 119
一、壁模型和LES/RANS混合法 119
二、气动噪声的大涡模拟 120
三、多相湍流的大涡模拟 123
四、湍流燃烧的大涡模拟 124
五、自然界湍流的大涡模拟 126
六、大涡模拟的验证和确认 127
第四节 结语 128
参考文献 129
第二部分可压缩流体动力学
第七章 高温气体动力学 135
第一节 引言 135
第二节 学科发展背景和现状 137
一、先进跨大气层飞行器推进系统中的高温气体动力学 141
二、大气再入条件下的气动热环境与气动力特性 144
三、复杂流动效应耦合作用的高温气体动力学数值模拟方法 145
第三节 高温气体动力学的前沿问题 148
第四节 未来5~10年重点发展方向 149
一、高温气体效应与材料耦合响应的物理建模与模拟 150
二、气动数据不确定度与多目标优化 151
第五节 结语 153
参考文献 153
第八章 稀薄气体动力学 157
第一节 引言 157
第二节 发展历程 158
第三节 最近二三十年的研究进展 160
一、高速稀薄气流问题 161
二、低速稀薄气流问题 166
三、分子模拟方法的拓展 168
第四节 学科前沿问题 172
第五节 与实际需求结合的重大问题 173
第六节 未来5~10年学科发展趋势 176
参考文献 177
第九章 旋涡主控的流动与控制 181
第一节 引言 181
第二节 非对称涡前沿领域的研究进展 184
第三节 未来5~10年重点发展方向 195
参考文献 196
第十章 航空涡轮发动机气体动力学 199
第一节 引言 199
第二节 叶轮机内复杂流动 200
一、叶尖泄漏流动 200
二、角区分离流动 201
三、转静干涉 203
第三节 压气机稳定性 205
一、风扇/压气机流动稳定性主动控制技术 205
二、机匣处理扩稳技术的发展 206
三、旋转失速稳定性模型的发展 207
第四节 叶轮机中的数值模拟方法 208
一、叶轮机中的湍流模拟 209
二、转静干涉计算方法 212
三、风扇/压气机流动稳定性数值模拟 215
第五节 叶轮机中的实验测量 216
一、测量技术的发展与应用 216
二、实验台模型 217
三、发展重点 218
第六节 结语 219
参考文献 219
第十一章 超声速燃烧与高超声速推进 226
第一节 引言 226
一、超声速燃烧与高超声速推进 226
二、利用超声速燃烧遇到的实际问题有巨大的挑战性 227
三、6分钟巡航230英里飞行试验 228
四、面临挑战依然严峻，双模态超燃冲压发动机成为发展的瓶颈 228
五、影响超燃冲压发动机技术成熟的因素 229
第二节 超声速燃烧与推进研究的进展与认识 230
一、燃料选择与应用 230
二、利用吸热碳氢燃料不仅是冷却的需要也是提高燃烧性能的关键 231
三、燃烧室壁孔注射获得实际应用 233
四、超声速点火与稳定燃烧是发动机正常运行的必要条件 235
五、实验模拟技术和测量技术相对落后 236
第三节 超声速燃烧研究的一些前沿问题 238
一、吸热碳氢燃料主动冷却特性与超声速燃烧的耦合 238
二、燃料催化裂解特性的控制 239
三、积炭问题 240
四、吸热碳氢燃料超声速燃烧特性 240
五、燃烧稳定性问题，凹腔稳焰机制 240
六、数值模拟 241
七、双模态运行，亚燃超燃模态转换 245
八、高超声速燃烧 247
参考文献 248
第十二章 气动声学和航空噪声控制 256
第一节 引言 256
第二节 气动声学学科发展和现状 257
一、气动声学诞生及Lighthill声类比理论 257
二、FfowcsWilliams-Hawkings方程 258
三、Goldstein的广义 Lighthill方程 259
四、Powell和Howe的祸声理论 259
五、计算气动声学 259
第三节 民用大型客机气动噪声研究现状和发展趋势 260
一、民用大型客机噪声水平的历史和现状 260
二、发动机风扇噪声产生机制及控制方法 264
三、发动机消声短舱问题 265
四、发动机喷流噪声问题 268
五、飞机机体噪声问题 269
六、中国大型客机面临的噪声问题 270
第四节 未来5~10年重点发展方向 271
一、涡声相互作用 271
二、计算气动声学 273
三、仿生学气动声学 274
四、运动物体发声问题 275
五、燃烧噪声和燃烧不稳定性 275
参考文献 276
第三部分不可压缩流体动力学
第十三章 高速水动力学 283
第一节 引言 283
第二节 超空泡流体动力特性与减阻机制 284
一、超空泡的宏观特征 285
二、超空泡的通气与泄气方式 286
三、超空泡的流动特性 288
四、超空泡航行体的稳定性 289
第三节 空泡流非稳态特性与机制 290
一、空泡非稳态运动的类型 290
二、空泡的周期性脱落现象 292
三、空泡的非稳态运动机制 293
四、非稳态空泡的频率特性 294
五、非稳态空泡的微观结构 295
第四节 多相流数值模拟方法 296
第五节 空泡流的相关试验技术 299
第六节 结语 301
参考文献 302
第十四章 海岸工程水动力学 307
第一节 引言 307
第二节 海岸灾害 309
一、风暴潮的动力学机制与多尺度数值模型 309
二、海啸生成、爬高及对海岸结构物的作用 311
三、基于红树林等水生植物的海岸防护新概念 315
第三节 波浪水流对海岸结构物和海岸地形变化的作用 316
一、波浪-水流作用下泥沙输运与航道淤积 316
二、桩基承台结构的波流力与局部冲刷 319
三、波浪对海堤的作用 321
第四节 数值波浪水池及应用 323
一、基于Boussinesq类方程的近海波浪传播数学模型 323
二、基于N-S方程的数值波浪水池 324
第五节 结语 326
参考文献 327
第十五章 海洋工程流体力学 331
第一节 引言 331
第二节 极端海洋环境 332
一、热带气旋与台风浪 332
二、畸形波 336
三、内波 338
第三节 新型海洋结构物及其响应 342
一、深水平台 343
二、海上风能 345
三、大尺度浮体运动响应 349
四、小尺度构件动力响应 350
第四节 结语 352
参考文献 353
第十六章 水环境治理中的物理、化学、生物流体力学 357
第一节 引言 357
一、国内外的水环境问题 357
二、环境治理研究的主要历程 358
三、水环境治理中的流体动力学研究现状及发展方向 359
第二节 泥沙的环境作用 362
一、概述 362
二、泥沙对污染物的吸附/解吸及其影响因素 363
三、展望 364
第三节 水体富营养化 365
一、概述 365
二、水体富营养化的主要影响因素 366
三、展望 369
第四节 溢油污染 370
一、概述 370
二、水上溢油的迁移变化行为 371
三、展望 374
第五节 地下水中污染物迁移 375
一、地下水污染 375
二、地下水中污染物迁移的研究现状 376
三、展望 378
第六节 结语 379
参考文献 380
第十七章 自然界的水沙流动 382
第一节 引言 382
第二节 流域土壤侵蚀 383
一、流域产流产沙的基本特征概述 384
二、主要研究进展 386
三、展望和建议重点研究方向 389
第三节 河流水沙两相流动 390
一、河流水沙流动的基本特征概述 391
二、主要研究进展 392
三、展望和建议重点研究方向 395
第四节 泥石流 396
一、泥石流的基本特征概述 397
二、主要研究进展 398
三、存在问题和前沿研究方向 400
第五节 结语 401
参考文献 402
第十八章 风沙环境力学 406
第一节 引言 406
第二节 简要历史回顾 408
第三节 近二三十年来的若干进展 410
一、来流风场 411
二、起动风速与沙尘颗粒的起动机制 412
三、沙尘颗粒的碰撞机制 414
四、近地表风沙流的理论模型与实验观测 417
五、风成沙波纹与沙丘地貌的研究 421
第四节 研究趋势 424
第五节 结语 426
参考文献 427
第四部分流体动力学的交叉学科
第十九章 低温等离子体流动 433
第一节 引言 433
一、热等离子体 434
二、大气压非平衡等离子体 435
三、低气压冷等离子体 436
第二节 层流及湍流等离子体流 437
一、低温等离子体流动特征概述 437
二、直流电弧等离子体流动研究进展 438
三、电弧等离子体射流的流动与传热特性 439
四、研究和应用展望 440
第三节 等离子体风洞 440
一、等离子体风洞流场的产生 441
二、等离子体风洞流场诊断与计算 443
第四节 等离子体流动控制 443
一、流动控制中的等离子体类型 444
二、等离子体流动控制应用研究现状 445
三、存在的问题和建议研究方向 445
第五节 低气压冷等离子体应用中的流体力学问题 447
第六节 结语 450
参考文献 450
第二十章 核能相关的多场耦合传热和传质 453
第一节 引言 453
第二节 磁约束聚变堆多场親合流体力学与传热传质问题 455
一、堆芯高温等离子体 455
二、包层及第一壁金属流体 457
三、小结 462
第三节 加速器驱动次临界系统的多物理场耦合热输运问题 463
一、加速器驱动的次临界系统简介和嬗变应用 463
二、ADS关键科学问题之一多物理场耦合输运的展望 466
三、小结 469
第四节 核裂变能利用中的传热与传质 469
一、大型先进压水堆内传热传质研究 470
二、船用反应堆传热传质研究 473
三、新型核动力反应堆传热传质研究 474
第五节 结语 476
参考文献 476
第二十一章 燃烧和反应流 480
第一节 引言 480
第二节 层流火焰的研究 481
第三节 湍流和燃烧之间的相互作用 483
一、湍流非预混燃烧 484
二、湍流预混燃烧 486
三、湍流部分预混燃烧 488
第四节 煤粉和液雾的两相流燃烧 489
第五节 火灾 491
第六节 爆震 495
第七节 结语 497
参考文献 498
第二十二章 生物医学工程中的流体力学 501
第一节 引言 501
第二节 简要历史回顾 502
第三节 心血管系统中的流体力学 504
第四节 呼吸系统中的流体力学 508
第五节 细胞、分子生物力学与微流动 511
第六节 未来展望 515
第七节 结语 516
参考文献 517
第二十三章 动物飞行与游动的流体力学 521
第一节 引言 521
第二节 昆虫的飞行 522
第三节 鸟类的飞行 525
第四节 蝙蝠（兽类）的飞行 527
第五节 鱼类的游动 529
第六节 未来5'10年的研究工作 531
参考文献 532
第二十四章 微纳米流体力学 536
第一节 引言 536
第二节 研究前沿 538
一、连续性假设和界面效应 538
二、微尺度多相流动 540
三、纳尺度下流动及物质输运特性 543
四、微纳流控仿生芯片的发展 546
第三节 研究方法的发展 547
一、模拟方法 547
二、实验手段 552
第四节 总结与展望 555
参考文献 556
第五部分流体动力学的计算方法和实验技术
第二十五章 计算流体力学高精度、高分辨率、高保真数值方法 561
第一节 引言 561
第二节 高精度、高分辨率、高保真数值方法 566
一、高精度、高分辨率有限差分方法 566
二、具有离散守恒性质的计算方法 570
三、非结构网格和非贴体网格上的数值计算方法 571
第三节 结语 579
参考文献 580
第二十六章 三维速度场的体测量技术 585
第一节 引言 585
第二节 流场的体测速技术 587
一、体-粒子图像测速 589
二、磁共振测速 597
第三节 实验数据处理技术 598
一、空间粒子场灰度重构技术 598
二、速度场内插技术 599
三、速度场后处理技术 600
第四节 流场诊断技术 600
一、压力场重构 601
二、旋涡辨识 601
三、模态分析 603
第五节 604
一、示踪粒子 604
二、光源 605
三、数字成像 605
四、图形处理器 606
五、实验平台简化 607
第六节 讨论与展望 608
参考文献 609
第二十七章 高焓流动试验装置和测试技术 613
第一节 引言 613
第二节 高焓流动试验装置研制进展 617
一、常规加热型高焓风洞 618
二、加热轻气体驱动高焓激波风洞 619
三、自由活塞驱动高焓激波风洞 620
四、爆轰驱动高焓激波风洞 622
第三节 高培流动的测量与诊断技术 624
一、气动热测量技术 624
二、气动力测量技术 625
三、化学反应流动特性测量技术 627
第四节 结论与展望 628
一、发展先进的高焓流动试验装置 628
二、发展高精度高焓流动诊断技术 629
三、发展高焓流动计算模拟平台 630
参考文献 630
关键词索引 634
彩图
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