邊界層理論講義

前言

　　郭永懷先生為中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)近代力學(xué)系第一屆學(xué)生講授邊界層理論所著的《邊界層理論講義》，經(jīng)徐書軒和尹協(xié)遠(yuǎn)教授精心校訂后，即將在慶祝中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)成立50周年和紀(jì)念郭永懷先生犧牲40周年之際付印出版了。這是一件十分值得慶賀的事?！　」缿严壬俏覈?guó)著名的力學(xué)和應(yīng)用數(shù)學(xué)家，在流體力學(xué)和邊界層理論方面有極深的造詣和重要的貢獻(xiàn)。他又是一位熱心的教育家。他和錢學(xué)森先生共同創(chuàng)建了中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)近代力學(xué)系，積極倡導(dǎo)要在加強(qiáng)基礎(chǔ)科學(xué)教育的同時(shí)把同學(xué)們帶到學(xué)科的前沿?！哆吔鐚永碚撝v義》十分鮮明地體現(xiàn)了這種精神，在回顧流體力學(xué)基本方程和詳細(xì)講述低速邊界層基本理論之后，緊接著便講授低速湍流邊界層和高速層流與湍流邊界層理論，把同學(xué)們直接帶進(jìn)高速飛行面臨的前沿科學(xué)領(lǐng)域?！　　爸v義”還體現(xiàn)了郭永懷先生一貫的嚴(yán)謹(jǐn)和精煉的作風(fēng)和求實(shí)的科學(xué)精神。在短短的一百多頁(yè)中，郭先生嚴(yán)密地論證和推導(dǎo)了邊界層方程，講述了湍流的基本特點(diǎn)及其在邊界層方程式中的體現(xiàn)，介紹了基本的解法和典型解以及近似解法，指出了它們的適用范圍。就其涉及內(nèi)容的廣度和深度而言，“講義"已經(jīng)超出教材的范圍而成為一本學(xué)習(xí)和隨時(shí)參考的專著了?！爸v義”雖然著于四十余年前，但即使在計(jì)算技術(shù)高度發(fā)展的今天，仍不失其作為重要著作的價(jià)值?！　　爸v義”是郭先生留給我們的一份重要遺產(chǎn)，相信將受到廣大讀者的歡迎并進(jìn)入我國(guó)科學(xué)家著作的寶庫(kù)。

內(nèi)容概要

　　是郭永懷先生為中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)近代力學(xué)系第一屆學(xué)生講授邊界層理論所著的，經(jīng)徐書軒和尹協(xié)遠(yuǎn)教授精心校訂后，即將在慶祝中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)成立50周年和紀(jì)念郭永懷先生犧牲40周年之際付印出版了。這是一件十分值得慶賀的事?！　」缿严壬俏覈?guó)著名的力學(xué)和應(yīng)用數(shù)學(xué)家，在流體力學(xué)和邊界層理論方面有極深的造詣和重要的貢獻(xiàn)。他又是一位熱心的教育家。他和錢學(xué)森先生共同創(chuàng)建了中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)近代力學(xué)系，積極倡導(dǎo)要在加強(qiáng)基礎(chǔ)科學(xué)教育的同時(shí)把同學(xué)們帶到學(xué)科的前沿?！哆吔鐚永碚撝v義》十分鮮明地體現(xiàn)了這種精神，在回顧流體力學(xué)基本方程和詳細(xì)講述低速邊界層基本理論之后，緊接著便講授低速湍流邊界層和高速層流與湍流邊界層理論，把同學(xué)們直接帶進(jìn)高速飛行面臨的前沿科學(xué)領(lǐng)域?！　　爸v義”還體現(xiàn)了郭永懷先生一貫的嚴(yán)謹(jǐn)和精煉的作風(fēng)和求實(shí)的科學(xué)精神。在短短的一百多頁(yè)中，郭先生嚴(yán)密地論證和推導(dǎo)了邊界層方程，講述了湍流的基本特點(diǎn)及其在邊界層方程式中的體現(xiàn)，介紹了基本的解法和典型解以及近似解法，指出了它們的適用范圍。就其涉及內(nèi)容的廣度和深度而言，“講義"已經(jīng)超出教材的范圍而成為一本學(xué)習(xí)和隨時(shí)參考的專著了?！爸v義”雖然著于四十余年前，但即使在計(jì)算技術(shù)高度發(fā)展的今天，仍不失其作為重要著作的價(jià)值?！　　爸v義”是郭先生留給我們的一份重要遺產(chǎn)，相信將受到廣大讀者的歡迎并進(jìn)入我國(guó)科學(xué)家著作的寶庫(kù)。

作者簡(jiǎn)介

　　郭永懷，我國(guó)近代力學(xué)事業(yè)的奠基人之一。長(zhǎng)期從事航空工程研究。發(fā)現(xiàn)了上臨界馬赫數(shù)，發(fā)展了奇異攝動(dòng)理論中的變形坐標(biāo)法，即國(guó)際上公認(rèn)的PLK方法，倡導(dǎo)了我國(guó)的高超聲速流、電磁流體力學(xué)、爆炸力學(xué)的研究，培養(yǎng)了優(yōu)秀力學(xué)人才。擔(dān)負(fù)了國(guó)防科學(xué)研究的業(yè)務(wù)領(lǐng)導(dǎo)工作，為發(fā)展我國(guó)的導(dǎo)彈與核彈事業(yè)作出了重要貢獻(xiàn)。

書籍目錄

第一編　流體力學(xué)的基礎(chǔ)序第1章　粘性流體的運(yùn)動(dòng)方程1.1　連續(xù)介質(zhì)假設(shè)1.2　應(yīng)力1.3　應(yīng)變率1.4　對(duì)稱二階張量的轉(zhuǎn)換1.5　應(yīng)力張量Ejj的轉(zhuǎn)換1.6　應(yīng)變率張量eij的轉(zhuǎn)換1.7　張量Ejj和eij巧的關(guān)系1.8　連續(xù)性方程1.9　不可逆運(yùn)動(dòng)的動(dòng)量方程1.10　不可逆運(yùn)動(dòng)的能量方程1.11　狀態(tài)方程1.12　邊界條件附錄　一般正交曲線坐標(biāo)下的轉(zhuǎn)換式第二編　低速邊界層理論引　言第2章　不可壓縮粘性流動(dòng)的基本理論2.1　運(yùn)動(dòng)方程2.2　粘性流體運(yùn)動(dòng)的相似律2.3　渦量定理第3章　不可壓縮層流邊界層理論3.1　邊界層的物理概念3.2　邊界層方程3.3　沿平板的邊界層3.4　沿曲面的邊界層3.5　邊界層的分離現(xiàn)象3.6　邊界層的相似性解3.7　沿圓柱的邊界層第4章　邊界層的近似計(jì)算方法4.1　動(dòng)量積分方程4.2　動(dòng)量積分方程的應(yīng)用4.3　動(dòng)量積分方程的近似解第5章　湍流邊界層5.1　湍流的引論5.2　 Reynolds方程5.3　動(dòng)量傳遞理論5.4　沿?zé)o限平板的湍流運(yùn)動(dòng)5.5　沿平板的湍流邊界層第三編　高速邊界層理論引言第6章　高速邊界層的基本理論6.1　高速粘性流體運(yùn)動(dòng)的相似律6.2　高速邊界層方程6.3　空氣的性質(zhì)6.4　軸對(duì)稱的邊界層方程6.5　能量方程的特解：Crocco—Busemann關(guān)系6.6　湍流的平均運(yùn)動(dòng)方程第7章　可壓縮層流邊界層7.1　可壓縮平板邊界層7.2　 Dorodnitsyn—Howarth轉(zhuǎn)換：恢復(fù)溫度7.3　平板的傳熱問題7.4　相似性解7.5　沿翼截面的邊界層7.6　可壓縮邊界層的近似解法7.7　沿超聲速圓錐體的邊界層7.8　駐點(diǎn)傳熱的問題第8章　可壓縮湍流邊界層8.1　可壓縮湍流邊界層方程8.2　湍流的Crocco—Busemann關(guān)系8.3　可壓縮湍流邊界層的轉(zhuǎn)換8.4　湍流的絕熱平板問題8.5　湍流的平板傳熱問題8.6　沿超聲速圓錐體的湍流邊界層校者的話

章節(jié)摘錄

　　第二編　低速邊界層理論　　引言　　經(jīng)典的流體力學(xué)是在水利建設(shè)、造船、外彈道等技術(shù)的推動(dòng)下發(fā)展起來(lái)的，它的中心問題是要闡明物體在流體中運(yùn)動(dòng)時(shí)所受的阻力。雖然很早人們就知道，當(dāng)粘性小的流體（像水、空氣等）在運(yùn)動(dòng)，特別是速度較高時(shí)，粘性直接對(duì)阻力的貢獻(xiàn)是不大的。但是，以無(wú)粘性假設(shè)為基礎(chǔ)的經(jīng)典流體力學(xué)，在闡述這個(gè)問題時(shí)，卻得出了與事實(shí)不符的“DAlembert之謎”。在19世紀(jì)末葉，從不連續(xù)的運(yùn)動(dòng)出發(fā)，Kirchhoff，Helmholtz，Rayleigh等人的嘗試也都失敗了?！　〗?jīng)典流體力學(xué)在阻力問題上失敗的原因，在于忽視了流體的粘性這一重要因素。誠(chéng)然，在速度較高、粘性小的情況下，對(duì)一般物體來(lái)說(shuō)，粘性阻力僅占一小部分；然而阻力存在的根源卻是粘性。一般，根據(jù)來(lái)源的不同，阻力可分為兩類：粘性阻力和壓差阻力。粘性阻力是由于作用在表面切向的應(yīng)力而形成的，它的大小取決于粘性系數(shù)和表面積；壓差阻力是由于物體前后的壓差而引起的，它的大小則取決于物體的截面積和壓力的損耗。當(dāng)理想流體流過物體時(shí)，它能沿物體表面滑過（物體是平滑的）；這樣，壓力從前緣駐點(diǎn)的極大值，沿物體表面連續(xù)變化，到了尾部駐點(diǎn)便又恢復(fù)到原來(lái)的數(shù)值。這時(shí)壓力就沒有損失，物體自然也就不受阻力。如果流體是有粘性的，哪怕很小，在物體表面的一層內(nèi)，流體的動(dòng)能在流體運(yùn)動(dòng)過程中便不斷地在消耗；因此，它就不能像理想流體一直沿表面流動(dòng)，而是中途便與固體表面脫離。由于流體在固體表面上的分離，在尾部便出現(xiàn)了大型渦旋；渦旋演變的結(jié)果，就形成了一種新的運(yùn)動(dòng)“尾流”。這全部過程是一個(gè)動(dòng)能損耗的過程，也是阻力產(chǎn)生的過程?！　∮捎跀?shù)學(xué)上的困難，粘性流體力學(xué)的全面發(fā)展受到了一定的限制。但是，在粘性系數(shù)小的情況下，粘性對(duì)運(yùn)動(dòng)的影響主要是在固體表面附近的區(qū)域內(nèi)。從這個(gè)概念出發(fā)，Prandtl（1904）提出了簡(jiǎn)化粘性運(yùn)動(dòng)方程的理論——邊界層理論。在這個(gè)理論的指導(dǎo)下，阻力的問題終于從理論上獲得解決。　　在這一編里，我們將針對(duì)阻力問題討論二元、定常邊界層理論。目的是說(shuō)明阻力的計(jì)算和它的形成。至于在工程技術(shù)上如何減阻——邊界層的控制，則未加討論。在第5章內(nèi)討論了湍流邊界層；由于問題的性質(zhì)，重點(diǎn)在于怎樣從實(shí)驗(yàn)中總結(jié)經(jīng)驗(yàn)規(guī)律和怎樣運(yùn)用這些規(guī)律?！　≡趯恿髋c湍流之間存在層流的穩(wěn)定性問題，這個(gè)問題，一方面，是還不到成熟階段；另一方面，八十幾年來(lái)，大家在這個(gè)問題上確已做了不少工作，它已經(jīng)自成體系。因此，這里也就不討論了。另外，不定常邊界層問題，三元邊界層問題等，由于時(shí)間的關(guān)系在此也不討論。

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