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出版者:Prentice Hall

作者:Keith, Theo G./ Keith, T. G.

出品人:

页数:688

译者:

出版时间:2006-1

价格:$ 223.74

装帧:HRD

isbn号码:9780131206687

丛书系列:

图书标签:

气体动力学
流体力学
可压缩流
超音速流动
激波
燃烧
传热
航空航天
工程
物理

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具体描述

For junior/senior/first-year graduate courses in Gas Dynamics or Compressible Flow, in departments of mechanical engineering or aerospace engineering. In print for over 30 years, this classic text's Third Edition offers many new features and enhancements that result in a stronger, more comprehensive treatment. It aims to foster a deeper understanding of compressible flow and gas dynamics fundamentals. Material is presented in a manner that helps bridge the gap between sophomore- or junior-level courses in thermodynamics and fluid mechanics, as well as advanced courses in propulsion, turbo-machinery, energy conversion, advanced fluid mechanics, and advanced aerodynamics.

气体动力学基础：从稀薄气体到湍流现象的深入探索本书简介本书旨在为读者提供一个全面而深入的、关于气体动力学的综合性概述，内容涵盖了从基本理论到前沿应用的广泛领域。我们将气体视为连续介质和分子集合体，通过严谨的物理原理和数学框架，剖析其在不同速度、温度和密度条件下的复杂行为。本书的叙述结构清晰，逻辑严密，力求在保持学术深度的同时，兼顾工程实践中的可读性与应用性。第一部分：气体的基本性质与连续介质假设本部分将奠定气体动力学研究的理论基础。我们首先从微观角度审视气体的分子运动论（Kinetic Theory of Gases），讨论气体分子的基本统计分布（如麦克斯韦-玻尔兹曼分布），并引入平均自由程、碰撞频率等关键概念。通过对分子间相互作用的分析，我们推导出宏观气体性质的统计力学基础。随后，我们将重点讨论连续介质假设（Continuum Hypothesis）的适用范围和重要性。在大多数工程和物理问题中，气体可以被视为具有连续性质的介质。本章将介绍描述气体状态的基本热力学量，如密度、压力、温度和比容，并阐述它们如何通过状态方程（如理想气体方程）相互关联。我们将详细讨论热力学第一定律在流动系统中的应用，包括焓和内能的概念，以及等熵、等温、定容和定压过程的热力学分析。第二部分：低速流动与可压缩性的引入本部分开始过渡到动力学分析，重点关注速度对气体行为的影响。我们从最基础的纳维-斯托克斯方程（Navier-Stokes Equations）入手，这是描述粘性流体运动的基本守恒定律组。本书将详细推导并简化这些方程，特别是对于牛顿流体（Newtonian Fluid）的粘性应力张量。在低速流动（通常指马赫数 $Ma ll 1$）下，气体的可压缩效应可以忽略不计，此时气体动力学近似为不可压缩流体力学。我们将探讨伯努利方程（Bernoulli’s Equation）的推导和应用，它描述了流线上速度、压力和高度之间的关系。此外，我们还将深入分析粘性流动的特征，包括流线、迹线和流迹的概念，以及层流（Laminar Flow）的稳定性和不稳定性。第三部分：高超音速流动：激波与等熵膨胀本部分是气体动力学的核心，专注于可压缩流动，特别是当流速接近或超过声速时出现的显著物理现象。首先，我们将精确分析声速（Speed of Sound）的定义及其与温度、分子质量的关系。随后，我们将引入马赫数（Mach Number）作为判断流动类型的关键无量纲参数。核心内容将集中在正激波（Normal Shock Wave）的分析。通过应用质量、动量和能量的守恒定律，我们将推导出雷诺-休梅克关系（Rankine-Hugoniot Relations），精确描述激波两侧的压力、温度、密度和速度的突变。我们将解释激波的不可逆性，并探讨其对流动能量的耗散作用。紧接着，本书将详细介绍等熵流动（Isentropic Flow）。在无粘、无热交换的理想情况下，流动可以被视为等熵过程。我们将推导出可压缩流动的基本关系，包括如何利用管道截面积的变化（如拉伐尔喷管，De Laval Nozzle）来控制气流加速至超音速。重点分析了滞止状态（Stagnation State）的概念，这是评估流动性能的关键基准点。第四部分：二维与三维超音速流动现象气体动力学在二维和三维空间中的复杂性更高，本书将专门开辟章节来处理这些情况。斜激波（Oblique Shock Wave）的分析是超音速空气动力学的基础。我们将利用矢量分析和几何关系，推导出斜激波的偏转角、马赫数和压力比之间的关系，并通过$ heta-eta-Ma$图（或称普朗特-迈耶关系图的衍生应用）来可视化不同偏转角下的流动行为。此外，我们将探讨膨胀波（Expansion Waves），特别是普朗特-迈耶（Prandtl-Meyer）膨胀角。这描述了气流绕过凸角时发生的连续、等熵加速过程，是设计超音速翼型和喷管的关键工具。本部分还将介绍稀薄气体效应（Rarefied Gas Effects）的初步概念，讨论当气体密度低到分子间相互作用不再主导，而分子与壁面或自身碰撞频率显著下降时，连续介质模型失效的边界——即克努德森数（Knudsen Number）的意义。第五部分：湍流与边界层理论宏观流动的实际应用中，湍流（Turbulence）是不可回避的现象。本章将对湍流进行定性和定量的描述，讨论其随机性、三维性和对流动的强混合特性。我们将介绍湍流的能量级串模型，并分析其对传热和阻力的影响。边界层理论（Boundary Layer Theory）是理解粘性流动中速度梯度集中区域的关键。我们将从普朗特（Prandtl）的突破性假设出发，推导普朗特边界层方程。接着，我们将分析层流边界层的特性，如拖曳力（Skin Friction Drag）的计算，并引入动量积分法来近似求解复杂情况下的边界层厚度。最终，本书将讨论湍流边界层的特征，包括其更薄的粘性次层和更陡峭的速度剖面，以及湍流模型（如$k-epsilon$模型）在工程计算中的应用概述，为读者提供理解复杂流场分离、再附着和高阻力产生机制的理论框架。通过这五个部分的系统学习，读者将建立起一个坚实的、覆盖从分子到宏观尺度、从低速到高超音速的全面气体动力学知识体系。本书的数学推导详实，并辅以丰富的物理图像和工程实例，以期培养读者解决实际空气动力学和热力学问题的能力。