简介

“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。 本书内容丰富、图文并茂，适合高层次的战略和管理专家，相关领域的高等院校师生、研究机构的研究人员、企业的工程技术人员阅读，是科技工作者洞悉学科发展规律、把握前沿领域和重点方向的基本指南，也是科技管理部门决策的重要参考，同时也是社会公众了解流体动力学学科发展现状及趋势的权威读本。

目录

前言vii
摘要xi
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256
一、气动声学诞生及Lighthill声类比理论257
二、Ffowcs Williams?Hawkings方程258
三、Goldstein的广义Lighthill方程259
四、Powell和Howe的涡声理论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NS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357
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耦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第一节引言585
第二节流场的体测速技术585
一、体粒子图像测速587
二、磁共振测速589
第三节实验数据处理技术597
一、空间粒子场灰度重构技术598
二、速度场内插技术598
三、速度场后处理技术599
第四节流场诊断技术600
一、压力场重构600
二、旋涡辨识601
三、模态分析603
第五节硬件技术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
第三节高焓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
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