湍流新理論及其應(yīng)用

前言

許多科學(xué)和工程問題，無論理論流體力學(xué)、工程流體力學(xué)、冶金傳輸原理，還是傳熱學(xué)、傳質(zhì)學(xué)等，都會(huì)涉及湍流問題，傳統(tǒng)采用時(shí)均值處理的方法，其實(shí)質(zhì)是掩蓋了湍流問題的本質(zhì)，尤其是普朗特混合長理論用微觀分子運(yùn)動(dòng)方法來處理宏觀湍流問題則顯然是不合理的。本書作者于1957年畢業(yè)于大連工學(xué)院（現(xiàn)大連理工大學(xué)）水利系，從事大學(xué)本科及研究生“流體力學(xué)”及相關(guān)專業(yè)教學(xué)與科研工作43年。本書是作者多年堅(jiān)持不懈地思索教學(xué)與科研中存在問題建立起的一種解決湍流問題可行的模型和思維方法，從而形成系統(tǒng)的湍流理論，并建立了相應(yīng)的數(shù)學(xué)方程。本書寫作始于2001年，至2008年9月定稿。目前因作者已離休，無力完成對理論的驗(yàn)證。作者真誠地希望有條件的同仁對書中提出的湍流理論與方程給予實(shí)驗(yàn)并驗(yàn)證，對這些理論與公式提出建設(shè)性意見或爭論，共同為湍流科學(xué)發(fā)展做出貢獻(xiàn)。本書提出的邊層流概念，解決了渦旋產(chǎn)生地帶并確定其位置的問題；所提出的湍流形成機(jī)理，可較好地描述層流轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧鞯倪^程，闡明在湍流區(qū)存在著渦旋微團(tuán)與無旋轉(zhuǎn)的平移微團(tuán)運(yùn)動(dòng)形成的同介質(zhì)多相流流場；并指出脈動(dòng)速度與脈動(dòng)壓力只是現(xiàn)象，而不是湍流的本質(zhì)。解決湍流問題的關(guān)鍵是如何建立湍流微分方程從而找到湍流場內(nèi)的速度分布。本書引入建立多相流微分方程的辦法，運(yùn)用系統(tǒng)與控制體相結(jié)合，建立不可壓縮流體第一輸運(yùn)公式與可壓縮流體第二輸運(yùn)公式，并利用它們導(dǎo)出湍流場內(nèi)運(yùn)動(dòng)的微分方程組。本書結(jié)合具體問題，將有因次方程變成無因次方程。依無因次邊界條件暫選含有待定參數(shù)的速度分布，將其代入無因次方程中，解出待定參數(shù)，一般是通解，再將其加上兩個(gè)系數(shù)，并利用進(jìn)出口條件，確定它們，最后獲得滿足各方面條件的速度分布，從而得到流體力學(xué)中非線性偏微分方程的解。

內(nèi)容概要

本書主要介紹了邊層流、湍流形成機(jī)理與湍流運(yùn)動(dòng)、湍流運(yùn)動(dòng)基本方程組、有壓管道湍流運(yùn)動(dòng)、矩形明渠湍流、平板近壁流、不可壓縮流體管道進(jìn)口段、可壓縮湍流管道流動(dòng)和定常湍流邊界層等內(nèi)容。    本書適合于從事湍（紊）流科研的工作者閱讀，也可作為本科和研究生的教學(xué)用書，同時(shí)對從事冶金、化工、水利專業(yè)的工程技術(shù)人員也有參考價(jià)值。

書籍目錄

1　邊層流  1.1　邊層流區(qū)與層外流區(qū)的提出  1.2　邊界層與邊層流、層外流的區(qū)別  1.3　層流邊層流與湍流邊層流的理論作用  1.4　層流邊層流    1.4.1  層流邊層流的形成    1.4.2　層流邊層流的劃分  1.5　湍流邊層流    1.5.1  湍流邊層流的定義    1.5.2　湍流邊層流的劃分　1.6　概念梳理　1.7　連續(xù)性問題2　湍流形成機(jī)理與湍流運(yùn)動(dòng)  2.1　概述  2.2　層流轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧鬟^程    2.2.1  有壓管道充分發(fā)展段    2.2.2　有壓管道進(jìn)口段    2.2.3  明渠    2.2.4　平板邊界層  2.3　湍流狀態(tài)    2.3.1　有壓管道充分發(fā)展段    2.3.2　有壓管道進(jìn)口段    2.3.3  明渠    2.3.4　平板邊界層  2.4　流態(tài)判別方法  2.5　能量方程  2.6　渦旋直徑與轉(zhuǎn)速關(guān)系3　湍流運(yùn)動(dòng)基本方程組  3.1　湍流系統(tǒng)積分方程組    3.1.1  系統(tǒng)質(zhì)量守恒積分方程 　 3.1.2  系統(tǒng)動(dòng)量守恒積分方程　  3.1.3  系統(tǒng)動(dòng)量矩守恒積分方程　  3.1.4  系統(tǒng)能量守恒積分方程　3.2　湍流第一輸運(yùn)公式　3.3　不可壓縮湍流積分方程組　  3.3.1  質(zhì)量守恒積分方程　  3.3.2　動(dòng)量守恒積分方程　  3.3.3　動(dòng)量矩守恒積分方程　  3.3.4　能量守恒積分方程　3.4　不可壓縮湍流微分方程組　  3.4.1　連續(xù)性微分方程　  3.4.2　動(dòng)量微分方程　  3.4.3　動(dòng)量矩微分方程　  3.4.4　能量微分方程　3.5　湍流第二輸運(yùn)公式　3.6　可壓縮湍流積分方程組　  3.6.1  質(zhì)量守恒積分方程　  3.6.2　動(dòng)量守恒積分方程　  3.6.3　動(dòng)量矩守恒積分方程　  3.6.4　能量守恒積分方程　3.7　廣義牛頓定律　3.8　湍流剪應(yīng)力的分解　3.9　渦旋公式分解　3.10　附加剪應(yīng)力渦旋平移速度及其圖解　  3.10.1  附加剪應(yīng)力以渦旋平移速度表示　  3.10.2　渦旋平移速度圖解說明　3.11　渦旋平行連續(xù)相速度公式　3.12　渦旋垂直無旋流速度公式　3.13　渦旋平移速度自積　3.14　附加剪應(yīng)力以連續(xù)相速度表示　3.15　渦旋平移速度表達(dá)式　3.16　層流不可壓縮運(yùn)動(dòng)微分方程組　  3.16.1  連續(xù)性方程　  3.16.2　動(dòng)量方程　  3.16.3　動(dòng)量矩方程　  3.16.4　能量方程　3.17　層流可壓縮運(yùn)動(dòng)微分方程組　  3.17.1  連續(xù)性方程　  3.17.2　動(dòng)量方程　　……4　有壓管道湍流運(yùn)動(dòng)5　矩形明渠湍流6　平板近壁流7　不可壓縮流體管道進(jìn)口段8　可壓縮湍流管道流動(dòng)9　定常湍流邊界層

章節(jié)摘錄

插圖：2　湍流形成機(jī)理與湍流運(yùn)動(dòng)2.1　概述本章以第1章提出的邊層流概念為出發(fā)點(diǎn)，分析湍流形成機(jī)理與湍流運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)。由于外界條件與邊界條件的不同，其湍流形成機(jī)理與湍流狀態(tài)的特征也有所差異。因此，須對有壓管道流動(dòng)充分發(fā)展段、管道流動(dòng)進(jìn)口段、平板邊界流動(dòng)和明渠流動(dòng)幾種情況分別地加以討論。討論問題是基于流體力學(xué)中有關(guān)概念、公式和定理進(jìn)行的；因此要用到物理學(xué)中一些力學(xué)定律，并結(jié)合具體邊界條件，綜合地進(jìn)行分析與討論。2.2　層流轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧鬟^程由流體力學(xué)雷諾實(shí)驗(yàn)可知，當(dāng)沿管道中運(yùn)動(dòng)的紅色流線破碎時(shí)，說明整個(gè)管道已形成湍流。這表明流動(dòng)中出現(xiàn)的微團(tuán)，除有沿主流方向運(yùn)動(dòng)的分速度外，還有垂直于主流方向運(yùn)動(dòng)的分速度。這個(gè)微團(tuán)是怎么產(chǎn)生的？以力學(xué)的觀點(diǎn)來分析，這個(gè)微團(tuán)一定受到垂直于主流方向的力，當(dāng)這個(gè)力足以克服微團(tuán)的慣性力時(shí)，它就出現(xiàn)這個(gè)垂直于主流方向的分速度。

編輯推薦

《湍流新理論及其應(yīng)用》為冶金工業(yè)出版社出版。

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