目 录绪论参考文献第一篇 流体力学问题的实验模拟第一章 实验模拟的基础知识1 .1 量纲分析1 .2 相似理论1 .3 实验设备的品质、仪器的精度和实验误差 参考文献第二章 实验模拟的常用设备2 .1 低速风洞和高 Re 的模拟2 .2 高速风洞、激波管和 Ma 的模拟2 .3 水动力学实验装置和 Fr 的模拟2 .4 多相流和燃烧实验装置2 .5 地球物理流动的模拟 2 .6 低 Re 流动的实验研究 实验一 大气边界层的风洞模拟参考文献 第二篇 流动参量的测量第三章 流动参量测量中的力学方法和电学方法3 .1 平均压力测量3 .2 流速和流向的测量3 .3 动态和准静态压力的测量3 .4 流量测量3 .5 温度测量 实验一 射流中动态压力场及外围的声场和赝声场的测量实验二 岩石渗透率的测量参考文献第四章 热线风速计、激光流速计和粒子特性的测量 4 .1 热线风速计原理4 .2 恒流式电路和恒温式电路4 .3 热线风速计使用中的若干问题实验一 X形探头的校准和雷诺应力的测量4 .4 激光流速计原理4 .5 多普勒信号的处理4 .6 粒子的力学特性和光学特性 实验二 三角翼背风面的羊角涡和涡破碎测量参考文献 第五章 流动参量测量中的光学方法5 .1 流动显示技术5 .2 阴影法、纹影法和干涉法5 .3 气体浓度、温度和成分的测量5 .4 光源、光学信息的记录及全息术5 .5 散斑法实验一 多柱和多层柱排绕流的实验研究参考文献 第三篇 计算机技术在流体实验中的应用 第六章 时间序列的分析和处理6 .1 数据处理系统 6 .2 谱、时-空互相关和数字滤波6 .3 条件平均和三维流场测量参考文献第七章 数字图像处理技术的应用7 .1 计算机图像处理系统7 .2 二维图像的处理7 .3 图像处理技术的应用参考文献 第八章 三维拟合、作图和仪器的智能化8 .1 三维拟合、作图和彩色作图8 .2 实验仪器的智能化参考文献 第四篇 近代流体力学中的实验研究第九章 湍流和流动不稳定性的实验研究9 .1 平稳湍流中的统计量9 .2 拟周期运动和湍流结构9 .3 贝纳尔对流和泰勒涡9 .4 射流和混合层中的不稳定波9 .5 边界层中的转捩过程实验一 托尔明-施里希廷波的多次分叉 实验二 二维混合层中不稳定波的共振干涉和涡的卷并 参考文献第十章 多相流的实验研究10 .1 多相流的各种流态10 .2 多相流测量技术10 .3 流态化床和气力输运中的颗粒群的平均阻力实验一 气体射流对液体表面的冲击和气泡流的形成参考文献 第十一章 环境流体力学的实验研究11 .1 大气扩散的实验模拟 11 .2 大型建(构)筑物的风荷载 11 .3 非定常风荷载和流体-弹性体耦合振荡实验一 Y形塔楼外围风场的实验研究实验二 大型冷却塔群风荷载和超临界状态下的串列双柱绕流参考文献 第十二章 空气动力学中的某些实验研究 12 .1 细长体和后掠翼在大攻角时的复杂流动12 .2 流向涡破碎的实验研究 12 .3 复杂流动的控制参考文献第十三章 地球物理流体力学的实验研究13 .1 浮力效应和地转效应13 .2 山后波、孤立波和罗斯贝波13 .3 地转流中的不稳定性参考文献第十四章 非牛顿流体力学的实验研究14 .1 非牛顿流体的本构关系和流变特性14 .2 非牛顿流动的实验研究14 .3 非牛顿湍流的减阻实验一 游泳衣料和高分子涂料的减阻作用参考文献第十五章 燃烧机制的实验研究15 .1 可燃气体射流的燃烧15 .2 液雾和固体粉末燃料的燃烧15 .3 燃烧的测量技术参考文献第十六章 湍流中声产生机制的实验研究16 .1 L i gh t h i l l的声类比理论 16 .2 不稳定波的声辐射16 .3 湍流中的脉动雷诺应力16 .4 脉动压力的调和特性16 .5 湍流声产生理论的实验证明参考文献第五篇 湍流及相关实验研究第十七章 周培源湍流理论17 .1 周培源定理 17 .2 相平面中的互谱和相位角 17 .3 牛顿势和单层-双层势参考文献第十八章 热湍流 18 .1 洛伦兹混沌 18 .2 自然对流边界层18 .3 逆转捩参考文献第十九章 离散相湍流19 .1 离散相湍流中颗粒的动力学方程19 .2 离散相的湍流统计特性19 .3 空隙率波的测量 19 .4 气-液两相流的流型转换 参考文献第二十章 风工程和虎门大桥风振 20 .1 大型建筑的风工程20 .2 虎门大桥桥址的台风谱测量20 .3 虎门大桥风振的风洞模拟参考文献 后记
第三版前言
本书第三版增加了第五篇湍流及相关实验研究,对湍流研究作简单的回顾。
我国的湍流研究始于周培源先生1940—1945年建立的湍流基础理论,由纳维-斯托克斯方程出发采用统计理论证明湍流流场的统计特性。脉动压力与脉动速度的互相关量为零时,为各向同性湍流,脉动压力对湍流的作用为零;而当脉动压力梯度和脉动速度的互相关量为零时,产生以脉动压力为主导的强湍流。
1958年周培源先生和钱学森先生合作,在北京大学建成我国第一座大型低速湍流风洞,并对脉动压力有关湍流特性的重要作用做了必要的研究。风洞在流场校测中气流品质优良,湍流度可控制到万分之五以下。但是当实验段风速增至45 m/s时,流场转化为以脉动压力主导的强湍流流动, 数米范围内人体无法接近,有强烈的声辐射使实验大厅四壁产生强烈的振动。这种以脉动压力主导的强湍流流动是周培源理论中脉动压力梯度和脉动速度的互相关量趋于零时的极限状态。提高互相关量可控制这种以脉动压力为主导的强湍流现象。因此,在实验段进口处沿周向均匀安装了12块矩形插板并逐步进入实验段气流,这样以脉动压力主的强湍流逐渐消失了。这是我国在湍流基础研究中第一次大型实验,是周培源和钱学森两位流体力学泰斗合作完成的重大研究成果和理论上的突破。七十年来大风洞完成的大量航空领域中的课题和风工程实验都是“带板运行”。
1972年起国家强调基础理论研究。周培源先生在北京大学力学系组织了“湍流在国计民生重大课题中的应用”的学科调查,形成基础理论和实际结合的第二次湍流实验研究高潮。在首钢转炉氧气顶吹的实验模拟中证明:以脉动速度为主的顶吹射流使液面呈碗状; 而以脉动压力为主的射流在液面形成囊状空穴,射流中的氧气透过液面形成的无数氧气小气泡迅速在整个液体中全面扩散。这也进一步证明以脉动压力主导和以脉动速度主导的两种湍流特性的区别。
此外,针对大型冷却塔等高层建筑的风毁事件,按照周培源理论中脉动压力的牛顿势,在风洞中构建千分之一缩尺比的大气边界层模型,准确模拟了实验模型的湍流分离和相应的风荷载,开创了我国风工程学科的研究。随后,环境科学中的湍流扩散、多相流的离散相湍流、热湍流、湍流逆转捩、风工程、虎门悬索桥风振以及湍流测量技术等湍流基础研究全面展开。
1975年起周培源先生和约翰·霍普金斯大学、麻省理工学院、加州理工学院等名校建立了“关于网格湍流衰变规律”等课题的合作交流。1978年派出首批访问学者。1980—1982年在南加州大学和J. Laufer教授合作开展湍流声产生机制的研究。在气动声学中按照Lighthill理论,空气动力声产生的基本方程中声源项是脉动雷诺应力; 而按照周培源湍流理论,脉动雷诺应力是脉动压力的泊松方程的驱动项,由此产生的脉动压力场才是真正的声源项。在这湍流和气动声学两大学科的主要奠基人之间的国际性大辩论中,周培源理论通过系列的实验得到了证明,这就是周培源理论的第三次大型湍流实验研究。
周培源理论认为,湍流是脉动压力和脉动速度两种独立随机变量相互作用的产物。如何用脉动压力和脉动速度的互相关量计算脉动速度的高阶矩,主要是计算力学问题。如何研究脉动压力梯度和脉动速度之间各种互相关条件下湍流平均流场和各阶矩的湍流特性变化是实验力学课题。笔者回顾七十年来关于湍流认识的逐步深化,简要总结了周培源理论及其实验研究成果,汇集成第五篇湍流及相关实验研究增补于此。
颜大椿
2023年7月
1、《实验流体力学》以国家教委理科力学教指委和工程力学教指委要求编著的以流体力学的数字化实验技术为重点的国内唯一的本科生和研究生教材。
2、第二版为增加数字化时代流体力学实验进展,补充了关于湍流声产生机制的实验内容,第三版增加了第五篇湍流及其相关实验研究,主要介绍周培源和钱学森两位力学泰斗在实验中发现的以脉动压力为主导的强湍流流动,进而证明脉动压力对湍流流动的重要作用,完整反映了我国实验流体力学的最新工作进展。
3、本书可作为理工科大学流体力学专业的研究生教材,也可作为高年级本科生或工程及科研部门有关研究人员的参考用书。
颜大椿
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颜大椿 北大教授,博导。1958年留校工作,是改革开放后,首批访美学者。在访问期间和美国Laufer教授合作在湍流声发射方面做出了重要成果,被国际上称为Laufer-Yan实验。颜大椿教授是我国为数不多的对湍流有深入研究的学者之一。他对我国著名学者周培源和钱学森在流体力学和湍流方面的研究有深入的了解。
实验流体力学是和理论流体力学、计算流体力学并列的流体力学三大分支之一,也是实验力学的重要组成部分。它有独立的研究体系,以及认识和解决理论及工程实践问题的独特方法;它是把模拟技术、测量方法及信息、图像、计算机科学等近代科学技术与流体力学的实验研究相结合的产物。本书对实验流体力学的近况做较全面系统的介绍,是一本具有专著性质的教科书。全书分五篇:流体力学问题的实验模拟、流动参量的测量、计算机技术在流体实验中的应用、近代流体力学中的实验研究、湍流及相关实验研究。本书第三版增加了第五篇,主要介绍周培源和钱学森两位力学泰斗在实验中发现的以脉动压力为主导的强湍流流动,进而证明脉动压力对湍流流动的重要作用。本书可作为理工科大学流体力学专业的研究生教材,也可作为高年级本科生或工程及科研部门有关研究人员的参考用书。