流体湍流的物理学 (原版影印科技书）

图书信息

作者：(英)戴维·麦库姆(W.D.McComb)著著

出版社：世界图书出版有限公司北京分公司

定价：129.00

ISBN：9787523220733

出版时间：2025-09-01

分类：图书,行业职业,自然科学,地震

商品介绍

目录

记号 xxi

第 1 章 剪切湍流的半经验结果 1

1.1 流体的运动方程 2

1.2 问题的简要表述 4

1.3 统计表述 7

1.3.1 平均速度方程 7

1.3.2 涨落的能量平衡方程 9

1.4 作为特例的二维平均流 11

1.4.1 边界层方程 13

1.4.2 湍流边界层：长度尺度和速度尺度 14

1.4.3 固壁附近的普适平均速度分布 16

1.4.4 边界层阻力的一种简单计算方法 17

1.4.5 管流阻力的经验关系式 18

1.5 半经验理论方法 20

1.5.1 涡黏度假设 20

1.5.2 固壁附近流动的普朗特（Prandtl）混合长模型 20

1.5.3 用于自由射流的混合长模型 22

1.6 剪切流的一些实验结果 24

1.6.1 管流的平均速度分布和均方根速度分布 25

1.6.2 湍流能量平衡 28

1.6.3 平面射流的平均速度分布和均方根速度分布 31

1.7 深入阅读 33

注释 34

参考文献 34

第 2 章 基本方法 36

2.1 无源形式的纳维–斯托克斯方程 36

2.2 一般的统计表述 39

2.2.1 统计方程与封闭问题 40

2.2.2 两点关联性 42

2.3 简化实例：统计方程简化为槽道流形式 45

2.4 均匀各向同性湍流 47

2.4.1 两点关联张量的各向同性形式 49

2.4.2 各向同性湍流的长度尺度 51

2.5 定常湍流 53

2.6 湍流速度场的傅里叶分析 54

2.6.1 无源形式的纳维–斯托克斯方程 55

2.6.2 不变性与速度场的矩 56

2.6.3 系统体积趋于无穷大时的极限 58

2.6.4 各向同性谱张量 59

2.6.5 泰勒假设与一维谱 61

2.6.6 波数空间中的统计方程：多时间矩 63

2.6.7 波数空间中的统计方程：单时间矩 64

2.7 各向同性湍流中的能量串级 65

2.7.1 能量平衡方程 65

2.7.2 科尔莫戈罗夫能谱假设 67

2.7.3 从涡旋拉伸角度的解释 73

2.8 封闭问题的各种近似 75

2.8.1 海森堡等效黏度理论 76

2.8.2 准正态假设 77

2.9 能谱的一些代表性实验结果 81

2.9.1 一维能谱 81

2.9.2 科尔莫戈罗夫常数 83

2.9.3 波数空间中的能量变换 84

2.10 深入阅读 86

参考文献 86

第 3 章 湍流研究的一些近期新进展 88

3.1 测量技术与数据分析 88

3.1.1 测速法 88

3.1.2 激光测速仪 92

3.1.3 时间序列分析与计算机数据处理 98

3.2 间歇现象与湍流爆裂过程 100

3.2.1 细结构间歇现象 101

3.2.2 间歇现象与能量串级 104

3.2.3 湍流的间歇性生成：爆裂过程 109

3.3 湍流的数值计算 112

3.3.1 直接数值模拟 113

3.3.2 大涡模拟 118

3.3.3 雷诺平均纳维–斯托克斯方程在工程计算中的应用 125

3.3.4 二方程湍流模型的一个实例 128

3.4 温度与瑞利–贝纳尔方程 130

3.4.1 历史背景 132

3.4.2 聚合物的性质 134

3.4.3 阈值效应 136

3.4.4 优选减阻 139

3.4.5 纤维悬浮液减阻 140

3.5 重正化方法与封闭问题 141

3.5.1 统计物理学中的重正化方法 142

3.5.2 重正化摄动理论 144

3.5.3 重正化群方法 148

参考文献 149

第 4 章 一般问题的统计表述 154

4.1 经典统计力学框架下的湍流 154

4.1.1 经典 N 粒子系统的统计力学 156

4.1.2 统计力学中的动理学方程 160

4.1.3 向湍流领域推广统计力学所面临的困难 165

4.2 湍流问题的泛函表述体系 167

4.2.1 空间–时间泛函表述体系 169

4.2.2 k空间–时间泛函表述体系 172

4.2.3 本征泛函的霍普夫（Hopf）方程 174

4.2.4 关于泛函表述体系的一般评注 176

4.3 各向同性湍流的检验问题 176 4.3.1 湍流的自由衰减 177

4.3.2 定常各向同性湍流 179

4.4 深入阅读 182

注释 182

参考文献 182

第 5 章 重正化摄动理论与湍流封闭问题 184

5.1 时间演化与传播函数 184

5.2 使用费曼型图的摄动法 186

5.3 具有弱相互作用的平衡系统：重正化摄动理论简介 190

5.3.1 稀薄系统中的相互作用及其与宏观热力学的联系 191

5.3.2 位形积分的原始摄动展开 193

5.3.3 自由能的重正化展开 199

5.4 电子气体：具有长程作用力的一个实例 201

5.4.1 唯象理论：屏蔽势 202

5.4.2 自由能的摄动计算 204

5.5 纳维–斯托克斯方程的摄动展开 205

5.5.1 零阶各向同性传播函数 206

5.5.2 原始摄动展开 208

5.5.3 摄动级数的图示法 213

5.5.4 A 类图：重正化传播函数 217

5.5.5 B 类图：重正化摄动级数 218

5.5.6 二阶封闭问题 221

注释 223

参考文献 223

第 6 章 第一类重正化摄动理论 225

6.1 直接相互作用近似 225

6.1.1 无穷小响应张量 226

6.1.2 速度场的摄动展开 227

6.1.3 平均响应张量和关联张量的摄动级数 228

6.1.4 各向同性响应函数和各向同性关联函数的二阶方程 232

6.1.5 能量的谱输运：惯性区 235

6.1.6 惯性区中的直接相互作用近似能谱 237

6.1.7 用幂级数反演法另外导出直接相互作用近似 240

6.1.8 结论 241

6.2 爱德华兹–福克尔–普朗克（Edwards-Fokker-Planck）理论 241

6.2.1 刘维尔（Liouville）方程的推导 242

6.2.2 爱德华兹–福克尔–普朗克方程 245

6.2.3 速度概率分布展开式中系数的求解 248

6.2.4 能量平衡方程 250

6.2.5 响应方程 252

6.2.6 与直接相互作用近似的对比 253

6.2.7 无穷大雷诺数极限 255

6.3 自洽场理论 257

6.3.1 非定常自洽场 262

6.3.2 其他自洽方法 264

注释 265

参考文献 265

第 7 章 第二类重正化摄动理论 267

7.1 低波数灾难 267

7.1.1 红外发散 267

7.1.2 虚假对流效应 269

7.1.3 随机伽利略不变性假设 274

7.1.4 具有任意截止波数的响应积分 276

7.2 拉格朗日观点下的直接相互作用理论 277

7.2.1 拉格朗日观点下的表述 278

7.2.2 统计表述 281

7.2.3 适用于拉格朗日坐标的直接相互作用近似 282

7.2.4 拉格朗日观点下的直接相互作用理论的简化形式 286

7.2.5 拉格朗日观点下的其他理论 288

7.3 修改的爱德华兹–福克尔–普朗克理论 290

7.3.1 优选熵原理 290

7.3.2 来自局部能量平衡的响应函数 294

7.3.3 局部能量输运方程 298

7.4 非定常湍流局部能量输运理论 300

7.4.1 速度场传播函数 300

7.4.2 广义协方差方程 303

7.4.3 关联函数方程与传播函数方程 305

7.4.4 与直接相互作用近似的对比 306

7.5 近马尔可夫（Markov）模型封闭问题 307

7.5.1 准正态马尔可夫近似 307

7.5.2 检验场模型 309

注释 310

参考文献 310

第 8 章 重正化摄动理论的评估 311

8.1 各向同性湍流的自由衰减：一个检验问题 311

8.2 低雷诺数下的湍流衰减计算 316

8.2.1 直接相互作用近似 316

8.2.2 各种理论的对比：Herring 和 Kraichnan 317

8.2.3 局部能量输运理论 319

8.3 高雷诺数下的湍流衰减计算 324

8.4 科尔莫戈罗夫能谱：一个检验问题 328

8.4.1 间歇性修正是否对重正化摄动理论评估有任何影响？ 329

8.4.2 科尔莫戈罗夫 5/3 标度律最终是否正确？ 330

8.5 在非各向同性湍流中的应用 331

8.5.1 直接相互作用近似在非均匀湍流中的应用 331

8.5.2 计算问题 333

8.5.3 其他应用 337

8.6 对各种理论的评估 337

8.6.1 对直接相互作用近似的批判：重正化摄动理论方法更广泛的合理性分析 338

8.6.2 关于随机伽利略不变性的一些评论 340

8.7 一般性评论 341

8.8 补充说明：一些正在进行的研究 342

注释 343

参考文献 344

第 9 章 重正化群理论 346

9.1 背景：用于临界问题的重正化群 346

9.1.1 铁磁性与伊辛（Ising）模型 347

9.1.2 块自旋与重正化群 347

9.1.3 空间维度与 ε 展开 349

9.2 重正化群在湍流中的应用 350

9.2.1 标度律的确定 350

9.2.2 亚网格尺度建模 351

9.3 福斯特–纳尔逊–斯蒂芬（Forster-Nelson-Stephen）理论 353

9.3.1 问题的表述 353

9.3.2 摄动级数 355

9.3.3 等效黏度 357

9.3.4 递归关系 359

9.3.5 不动点附近的性质 361

9.3.6 关于福斯特–纳尔逊–斯蒂芬理论的一些后续猜想 363

9.4 重正化群的应用：迭代平均 364

9.4.1 一般表述 365

9.4.2 小尺度的部分平均 367

9.4.3 运动的统计方程 369

9.4.4 通过部分平均得到的各阶矩 370

9.4.5 平均场近似 371

9.4.6 重正化群方程 373

9.4.7 等效黏度的计算：准确到二阶矩 374

9.4.8 高阶矩效应 377

9.5 结论 377

注释 378

参考文献 379

第 10 章 湍流的数值模拟 381

10.1 全面模拟 381

10.1.1 各向同性湍流 382

10.1.2 剪切流 385

10.2 大涡模拟 387

10.2.1 亚网格模型的评估 388

10.3 重正化方法在亚网格模拟问题中的应用 389

10.3.1 谱大涡模拟的表述 390

10.3.2 重正化摄动理论 391

10.3.3 重正化群 397

10.4 其他各种模拟方法 399

10.4.1 基于纳维–斯托克斯方程的方法 400

10.4.2 纳维–斯托克斯方程以外的方法 401

注释 403

参考文献 404

第 11 章 相干结构 406

11.1 自由湍流中的相干结构 407

11.1.1 平面混合层 407

11.1.2 其他自由剪切流 410

11.2 条件采样、间歇现象与湍流–非湍流界面 410

11.3 边界层和管流中的转捩结构 413

11.3.1 湍流斑结构解析 415

11.4 边界层和管流中的充分发展结构 416

11.4.1 湍流猝发 417

11.4.2 湍流猝发频率 418

11.4.3 条带结构与流向涡 420

11.4.4 湍流猝发与其他类型间歇现象的联系 423

11.5 理论方法 425

11.5.1 有界湍流的数值模拟 426

11.5.2 自由剪切层的数值模拟 427

11.5.3 确定性混沌 428

11.5.4 波动理论 430

11.6 对其他湍流概念的启示 431

11.7 深入阅读 432

注释 433

参考文献 433

第 12 章 湍流扩散：拉格朗日观点 436

12.1 连续运动所导致的扩散 437

12.2 在欧拉坐标下进行拉格朗日分析的问题 441

12.2.1 问题的表述 442

12.2.2 基于海氏–帕斯奎尔（Hay-Pasquill）猜想的近似 444

12.2.3 基于科尔辛（Corrsin）独立性假设的近似 446

12.2.4 拉格朗日量的实验测量 447

12.3 相对扩散 449

12.3.1 Richardson定律 451

12.3.2 三维扩散 452

12.4 离散粒子在湍流中的运动 452

12.4.1 一些渐近结果 453

12.4.2 Tchen 分析 454

12.5 泰勒分析在剪切流中的应用 456

参考文献 458

第 13 章 湍流扩散：欧拉观点 460

13.1 传热与传质 461

13.1.1 统计表述 463

13.1.2 一点方程 465

13.1.3 两点方程 467

13.1.4 管流和射流的实验测量 470

13.2 均匀湍流中的标量输运 471

13.2.1 波数的惯性–对流区 474

13.2.2 标量谱的普适形式 475

13.2.3 重正化摄动理论 478

13.3 离散粒子的运动 479

13.3.1 粒子的控制方程 480

13.3.2 借助于扩散系数的解释 482

13.3.3 粒子扩散的随机游走模型 484

13.3.4 湍流中粒子运动的测量 489

13.4 湍流混合 490

注释 491

参考文献 491

第 14 章 非牛顿流体的湍流 494

14.1 非牛顿流体的流动 494

14.1.1 流变特性 495

14.1.2 复合系统：边界条件有变化的牛顿流体 497

14.1.3 管流 498

14.1.4 结构性湍流 500

14.1.5 个性同性湍流 501

14.2 减阻聚合物溶液中的湍流结构 505

14.2.1 平均速度分布 506

14.2.2 湍流强度 508

14.2.3 能谱与关联函数 509

14.2.4 近壁区的重要性 509

14.2.5 自由湍流 511

14.3 减阻纤维悬浮液中的湍流结构 512

14.3.1 平均速度分布 512

14.3.2 强度、关联函数与能谱 514

14.3.3 纤维–聚合物悬浮液 517

14.4 减阻添加剂对湍流输运的影响 518

14.4.1 传热与传质 518

14.4.2 湍流扩散 519

14.5 添加聚合物和宏观纤维的减阻效果对比 520

14.6 深入阅读 521

参考文献 522

附录

A 黏性流体中的动能产生与动能耗散 524

B 概率论与数理统计 527

C 对称性与不变性 532

D 傅里叶方法与格林函数在纳维–斯托克斯方程中的应用 536

E 输运系数 L(k, j) 和 L(k, k - j)的确定 541

F 激光多普勒测速仪的光学背景 545

G 摄动级数中的二阶项：图示法计算实例 550

H 诺维科夫（Novikov）泛函表述体系 554

人名索引 557

关键词索引 565

照片 I 和 II 位于第 92 页与第 93 页之间

内容简介

这本书为读者提供了流体湍流方面的深入研究，例如典型的非线性问题，统计物理的非平衡问题；书中包含简明的流体湍流理论和实践,以及这个领域的发展情况。本书还涵盖了该领域近年来的重大进展。本书为原版引进的科技图书，是流体力学方面的经典著这本书为读者提供了流体湍流方面的深入研究，例如典型的非线性问题，统计物理的非平衡问题；书中包含简明的流体湍流理论和实践,以及这个领域的发展情况。本书还涵盖了该领域近年来的重大进展。本书为原版引进的科技图书，是流体力学方面的经典著作。

作者简介

戴维·麦库姆是一位理论物理学家，流体湍流领域的专家，目前任职于英国爱丁堡大学。他不仅是爱丁堡大学粒子与核物理研究所成员，而且是粒子物理理论课题组成员。

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