本書譯自M.M.斯特蘭科維奇教授所著《FLOWAROUNDCIRCULARCYLINDERS》,該著作大的特點就是通過專注的對流體繞過圓柱現象的廣泛討論,在流體動力學和風/海洋工程之間架起了一座橋梁。該著作共有兩卷,本書為該套著作的第壹卷:基礎。該卷主要介紹了流體繞過圓形斷面的現象及發生機理、基本概念、理論模型及其解。該卷的內容涉及各類流體(如牛頓流、非牛頓流、壓縮流等)在不同流速下(雷諾數范圍從0值過臨界雷諾數區)繞圓柱后出現的流場、壓力分布、噪聲、空化等多種現象及機理。本書不僅可以作為流體力學領域專業本科生、研究生教材及參考書,也可以作為風工程、海洋工程、機械工程等領域的學生、教師、科研人員和工程技術人員的參考書。另外,閱讀本書你一定能感受到M.M.斯特蘭科維奇教授對科學的熱愛,以及這個充滿神秘色彩且看似簡單的圓柱繞流問題所帶來的無窮樂趣。
本書旨在為航空航天、土木工程、水利工程、輸電線路工程、機械工程、核工程、海岸工程和風工程的研究人員、工程師、教學人員及學生提供指導.同時也可作為以流體力學為研究對象的應用數學和物理學從業人員的參考讀物.本書最顯著的特點是專門討論最經典的圓形斷面鈍體結構.由于這類結構引起的流動形態復雜.研究人員針對該問題已經進行了大量的早期研究.同時考慮到圓柱形結構在工程中應用廣泛.因此我覺得研究人員對該類結構的深入研究很有必要..圓柱繞流.共分為兩卷.本書為第Ⅰ卷.主要討論圓形結構流體動力學的基礎.分為A、B、C三部分.第Ⅱ卷將討論其應用.分為D、E、F三部分.第Ⅰ卷的主要內容包括:(A)全雷諾數范圍內名義二維圓柱周圍的無擾動流.(B)幾種理論模型.如:自由流線模型、渦模型、渦面模型和其他不太常用的混合模型.(C)自由流影響.如湍流度、剪切、壓縮、噪聲、空化現象和非牛頓流.第Ⅱ卷的主要內容包括:(D)幾何參數的影響.如表面粗糙度、長細比、錐度、阻塞率、有限長度、傾斜、旋轉、近距離壁面、兩圓柱、多圓柱和圓柱陣列等.(E)非定常自由流.如加速流、減速流、回旋流、振蕩流、波浪、波浪和涌流的混合流以及繞流.(F)流體誘發振動.自由振動和強迫振動.同步振蕩.影響和控制參數.抑振措施.多圓柱干擾效應.圓柱陣列效應.理論模型和橢圓振蕩.本書可以比作某種尚未完成的特殊拼圖游戲.由成千上萬個單獨的“塊”組成.但是目前這些“塊”并沒有被很好地拼接起來.由于流體力學本身非常復雜.常常需要更多的研究來形成新的“塊”進一步完成拼圖.這種比喻也許可以幫助讀者更好地理解本書的內容.本書包含了我一生學習和研究圓柱繞流的各種問題的成果.起初我并沒有刻意地要寫一本巨著.但是由于鈍體結構繞流領域一直有新的發現.因此我覺得寫一本可以廣泛應用的著作是有必要的.而本書就是在這種長時間的研究工作中誕生的.書中的內容主要集中在各種現象的物理解釋上.每一種現象的描述都包含其發生的可能原因.每一個工作都盡可能涉及流體的各個方面.因此這是一本綜合性的著作.為了更好地推進目前的研究工作.很多第二次世界大戰前的里程碑式的研究工作也包含在本書中.如今論文和信息的發表速度已經遠遠超過了工程師和科學家的吸收消化速度.因此本書嘗試為讀者提供一個節約時間的概述性的指南.書中給出了重要內容的參考文獻以便于讀者對本書內容的深入研究.同時為了方便對大量參考文獻進行處理.本書將參考文獻分為四類:前言Ⅴ(i)書籍.包括全集(部分相關內容).(ii)綜述———高度相關.對入門閱讀非常有用.(iii)期刊論文(容易獲得).(iv)會議論文、報告等(難獲得).歡迎各位讀者對本書提出評論和質疑.我將盡力回答.也非常希望您將您認為有價值的研究報告、論文等出版物發送給我.最后.我衷心地希望您在閱讀本書的過程中能感受到我對該研究的熱情和奉獻.M..M..斯特蘭科維奇英國蘭開夏郡索爾福德市1994年9月25日
譯者序
前言
致謝
第1 章 基本概念 1
1. 1 擾流區域 1
1. 2 擾流區域中的轉捩 2
1. 3 控制和影響參數 3
1. 4 無擾動流形態 4
1. 5 層流L 4
1. 6 尾流轉捩TrW 7
1. 7 剪切層轉捩TrSL 或者亞臨界狀態 7
1. 8 邊界層轉捩TrBL 或者臨界狀態 9
1. 9 完全發展的湍流狀態T 10
1. 10 流體動力的變化 10
第2 章 定常層流尾流 13
2. 1 蠕動流 13
2. 2 蠕動流中的圓柱風壓分布 14
2. 3 蠕動流中的黏性阻力 15
2. 4 分離的形成與發展 16
2. 5 L2 流域的風壓分布 17
2. 6 封閉近尾流的流體結構 18
2. 7 尾流的幾何形狀 19
2. 8 近尾流區域外的速度場 21
第3 章 周期層流 23
3. 1 封閉近尾流的不穩定性 23
3. 2 不穩定尾跡的激發和抑制 24
3. 3 尾跡卷起的早期形態 26
3. 4 卡門渦街 27
3. 5 渦街的展向結構 30
3. 6 周期尾流速度的波動特性 33
3. 7 旋渦強度 37
3. 8 尾流旋渦的排列 40
3. 9 旋渦脫落頻率. 斯托羅哈數 43
3. 10 St ̄Re 關系的爭議 44
3. 11 通用的St ̄Re 關系 45
3. 12 旋渦脫落模式間的相互作用 47
3. 13 壓力、摩擦力和阻力 49
3. 14 遠尾流中的第二渦街 52
3. 15 第二渦街的跨向結構 54
第4 章 尾跡轉捩狀態 56
4. 1 下游和上游尾跡轉捩 56
4. 2 層流渦線的扭曲“手指” 56
4. 3 低頻不規則性 58
4. 4 旋渦脫落頻率變化 58
4. 5 兩種渦脫落模式 59
4. 6 兩種渦脫落模式的疊加 60
4. 7 旋渦到湍流的轉捩 62
4. 8 壓強、表面摩擦力、分離和阻力 63
4. 9 抑制轉捩 66
第5 章 剪切層轉捩 67
5. 1 TrSL1 或者低亞臨界區 67
5. 2 TrSL2 或者中亞臨界區 71
5. 3 TrSL3 或上亞臨界區 79
5. 4 遠尾流 99
第6 章 邊界層轉捩 115
6. 1 轉捩與分離的耦合 115
6. 2 平均壓力分布的變化 116
6. 3 邊界層的發展 118
6. 4 預臨界或TrBL0 區域 119
6. 5 單分離泡或TrBL1 區域 122
6. 6 兩分離泡或TrBL2 區域 125
6. 7 超臨界或TrBL3 區域 127
6. 8 平均壓力和阻力系數 128
6. 9 后臨界或TrBL4 區域 131
6. 10 平均和脈動風壓 134
6. 11 平均和脈動力 136
6. 12 表面摩擦力 138
6. 13 分離和再附 139
6. 14 逆向壓力恢復 140
目 錄 Ⅸ
第7 章 全湍流狀態 143
7. 1 預備知識和T1 流域 143
7. 2 擾動流動中的三維圓柱 143
7. 3 極限或者T2 流域(Re→∞) 145
A. 參考文獻 147
書籍(B) 149
綜述(R) 150
期刊論文(J) 153
會議論文、報告等(P) 175
第8 章 N ̄S 方程的解 183
8. 1 Navier ̄Stokes 方程 183
8. 2 Hele ̄Shaw 流動 184
8. 3 Oseen 近似方程 186
8. 4 Lamb 解的漸進特性 187
8. 5 Oseen 近似的周期性解 190
8. 6 Navier ̄Stokes 方程的數值解 192
8. 7 Navier ̄Stokes 方程的計算解 196
8. 8 定常流動數值計算 196
8. 9 “模擬的” 定常流動 198
8. 10 非定常流動數值模擬 200
8. 11 Oseen 近似應用于尾跡遠場 203
第9 章 邊界層近似 205
9. 1 Prandtl 的薄邊界層概念 205
9. 2 Von Mises 變換 206
9. 3 Hiemenz 解 209
9. 4 Thom 的近似方法 211
9. 5 Bairstow 的計算方法 212
9. 6 進一步的計算 213
9. 7 Schlichting 的遠尾跡理論 213
第10 章 自由流線模型 215
10. 1 由間斷面圍成的死水區 215
10. 2 自由流線理論 215
10. 3 Brodetsky 的近似變換 216
10. 4 分離點的變化 217
10. 5 基準壓力的修正 218
10. 6 自由流線速度變化 220
10. 7 Mimura 對測量壓力的近似 221
10. 8 空化 223
10. 9 Parkinson 和Jandali 的尾源模型 224
10. 10 Kiya 和Arie 尾源匯模型 226
10. 11 自由流線和邊界層的耦合 228
10. 12 黏性趨于零時的流動 229
10. 13 湍流擴散的模擬 231
第11 章 渦模型及其穩定性 233
11. 1 無黏渦模型 233
11. 2 點渦的黏性擴散 234
11. 3 任意初始速度剖面 236
11. 4 渦量擴散的通解 239
11. 5 點渦對