湍流理論與模擬(第二版)（簡體書）

本書是2005年版《湍流理論與模擬》的再版。本書系統地敘述了湍流的基本理論和近代湍流數值模擬方法。此版增加了可壓縮湍流，全書由原來8章更新為9章。具體內容包括湍流的統計和測量、湍流運動的統計平均方程和脈動方程、均勻各向同性湍流、簡單剪切湍流、標量湍流、可壓縮湍流、湍流直接數值模擬、湍流大渦模擬、雷諾平均模擬方法。書中總結了近年來國內外前沿和熱點問題研究的進展，并融入了作者多年來的教學經驗和學術成果。本書可作為工程力學、流體力學、空氣動力學、航空工程、工程熱物理、熱能工程、核能工程、環境科學和工程、水利工程等專業的研究生教材和科研人員的參考書。

作者張兆順，教授，博士生導師，1957年上海交通大學畢業，1959年清華大學工程力學研究班畢業。1982年獲英國南安普墩大學應用科學院博士（PH.D)。是國內的湍流專家。曾任中國力學學會常務理事，副秘書長。與崔桂香合著《流體力學》（版，1999年，清華大學出版社，已改版三次），與崔桂香，許春曉合著《湍流理論和模擬》（版，2005年，清華大學出版社），與崔桂香，許春曉合著《大渦數值模擬的理論和應用》（2008年，版，清華大學出版社）。近30年中在國內外刊物（如Journal of Fluid Mechanics, Physics of Fluids,中國科學，力學學報等）發表論文近100篇，被SCI引用100余次，曾任國際雜志Flows，Turbulenceand Combustion和Communication of Nonlinear Science and Numerical Simulationde編委，以及重要國際湍流會議的顧問委員。

本書是湍流是近代流體力學研究的熱點，是工程設計和大氣海洋環境預測需要的知識和模擬方法。本書融合湍流莫斯科學派，劍橋學派的理論精髓和近代湍流的模擬方法，并以國內外湍流專家和本書作者研究成果說明發展湍流理論和模擬的途徑；使讀者既能深諳湍流理論，又能運用理論正確構造模型和數值模擬湍流運動。如果你希望了解湍流本質，以攻克湍流難題，本書為你提供湍流的基礎理論和進一步研究方法；如果你需要湍流模擬方法以解決工程設計問題，本書提供了模擬方法的理論基礎和近代方法。本書在論述理論和方法時，引用國內外重要文獻180余篇，為讀者深入學習和發展湍流理論和模擬方法提供廣闊空間。

章湍流的統計和測量1.1湍流現象1.2湍流的不規則性1.3湍流的統計1.3.1變量的概率分布和概率密度1.3.2湍流的統計量1.4湍流脈動的譜1.4.1定常湍流中的頻譜1.4.2均勻湍流場中的波譜1.4.3非均勻或非定常湍流場中譜函數的推廣1.5湍流脈動的測量方法1.5.1湍流速度的測量方法1.5.2流動顯示和流場濃度的測量1.5.3脈動壓強的測量第2章湍流運動的統計平均方程和脈動方程2.1NavierStokes方程和湍流2.2雷諾方程和脈動運動方程2.2.1雷諾方程2.2.2脈動運動方程2.3雷諾應力和雷諾應力輸運方程2.3.1雷諾應力張量2.3.2雷諾應力輸運方程2.3.3湍動能輸運過程2.3.4平均運動的能量輸運過程2.3.5雷諾應力輸運過程2.3.6不可壓縮湍流場中脈動壓強分布和壓強變形率相關的解析表達式2.3.7湍流統計方程的封閉性討論2.4不可壓縮湍流的標量輸運方程2.5渦量的輸運和湍流2.5.1渦量運動學2.5.2渦動力學2.5.3湍流場中渦量的統計方程第3章均勻各向同性湍流3.1均勻湍流場的相關函數和譜張量3.2均勻各向同性湍流場的相關函數和譜張量3.2.1張量的不變量和張量函數3.2.2各向同性湍流的相關張量函數及其性質3.2.3不可壓縮各向同性湍流的相關張量函數及其性質3.2.4關于能譜的幾個公式3.3不可壓縮均勻各向同性湍流的動力學方程3.3.1不可壓縮均勻湍流的基本方程3.3.2不可壓縮均勻湍流的譜理論3.3.3不可壓縮均勻湍流中湍動能的輸運過程3.3.4均勻湍流中的湍動能傳輸鏈3.4不可壓縮均勻各向同性湍流動力學的若干性質3.4.1不可壓縮均勻湍流的2階速度相關動力學方程3.4.2不可壓縮均勻各向同性湍流的KarmanHowarth方程3.4.3KarmanHowarth方程的應用3.5不可壓縮均勻各向同性湍流中的湍動能傳輸鏈3.5.1不可壓縮均勻各向同性湍流中的湍動能輸運方程3.5.2各向同性湍流中的特征尺度3.5.3Kolmogorov的局部各向同性假定和湍能譜的－5/3冪次律3.6局部各向同性湍流的結構函數3.6.1結構函數及其性質3.6.2Landau對Kolmogorov理論的質疑，湍能耗散的間歇性3.6.3局部各向同性湍流的標度律3.6.4各向同性湍流結構函數的動力學性質3.7解各向同性湍流相關方程的EDQNM理論3.7.1準高斯過程的性質3.7.2各向同性湍流的準高斯封閉方程，EDQNM近似第4章簡單剪切湍流4.1簡單剪切湍流的統計特性4.1.1壁湍流的統計特性和湍渦結構4.1.2壁湍流的湍渦結構和湍渦粘性系數4.1.3高雷諾數壁湍流4.2自由剪切湍流的統計特性4.2.1二維自由剪切湍流的邊界層近似4.2.2自由剪切湍流的相似性解4.2.3自由剪切湍流的渦粘系數4.3均勻剪切湍流的快速畸變理論4.3.1均勻剪切湍流的基本方程4.3.2快速畸變近似的基本方程和主要特征4.3.3快速畸變近似的統計方程4.3.4快速畸變近似的實例4.3.5快速畸變近似的雷諾應力再分配項4.4剪切湍流中的擬序運動4.4.1自由剪切湍流中的擬序結構4.4.2湍流邊界層的擬序結構4.5擬序特性的檢測4.5.1脈動的時空相關和結構遷移速度的檢測4.5.2VITA法和湍流猝發特性的檢測4.6擬序結構的動力學模型4.6.1擬序運動的分解和能量輸運4.6.2平面湍流混合層擬序運動的能量輸運4.6.3壁湍流中擬序結構的動力學分析4.7簡單湍流的控制4.7.1壁湍流的被動控制4.7.2壁湍流的主動控制第5章標量湍流5.1均勻湍流中的被動標量輸運5.1.1被動標量輸運的控制方程5.1.2譜空間中標量脈動的輸運5.1.3均勻湍流場中標量輸運規律5.2標量湍流的結構5.2.1標量梯度方程5.2.2標量梯度片狀結構的實例5.3湍流普朗特數5.4標量湍流的結構函數方程——Yaglom方程5.5標量湍流擴散的拉格朗日模型5.5.1標量點源的湍流擴散5.5.2湍流場中質點位移的均方根公式5.5.3標量點源的湍流擴散系數5.6Boussinesq近似的湍流5.6.1Boussinesq近似5.6.2重力內波和分層流湍流5.6.3位勢渦和湍流第6章可壓縮湍流6.1可壓縮湍流的基本性質6.1.1可壓縮流動的基本方程6.1.2可壓縮層流庫埃特流動6.1.3激波和激波關系式6.1.4克羅克定理6.2可壓縮湍流的統計方程6.2.1可壓縮湍流運動的系綜平均方程6.2.2密度加權平均的可壓縮流體運動方程6.3均勻可壓縮湍流的不變量6.4均勻可壓縮湍流的基本特性6.4.1氣體湍流的三種基本模態6.4.2氣體湍流三種基本模態間的非線性相互作用6.5湍流和激波相互作用的近似理論6.5.1Ribner近似6.5.2Ribner近似的主要結果6.5.3線性相互作用近似6.6Morkovin假定和可壓縮剪切湍流的特性6.6.1Morkovin假定6.6.2強雷諾比擬6.6.3湍流普朗特數6.7可壓縮湍流的Favre過濾6.8超聲速湍流的物理實驗和數值模擬6.8.1超聲速湍流的實驗6.8.2可壓縮湍流的數值模擬6.9激波邊界層相互作用6.9.1典型的激波邊界層相互作用6.9.2超聲速氣流繞斜坡的激波邊界層相互作用第7章湍流直接數值模擬7.1湍流數值模擬的方法7.2湍流直接數值模擬的基本原理7.2.1湍流直接數值模擬的空間分辨率7.2.2湍流直接數值模擬的時間分辨率7.2.3初始條件和邊界條件7.3湍流直接數值模擬的譜方法7.3.1譜方法的基本原理7.3.2格柵湍流的直接數值模擬7.3.3平面槽道湍流的直接數值模擬7.4湍流直接數值模擬的差分法7.4.1高精度緊致格式7.4.2湍流混合層的直接數值模擬第8章湍流大渦模擬8.1脈動的過濾8.2大渦模擬的控制方程和亞格子應力8.2.1大渦模擬控制方程8.2.2亞格子應力的性質8.3常用的亞格子模型8.3.1Smargorinsky渦粘模式8.3.2尺度相似模式和混合模式8.3.3動力模式8.3.4譜空間渦粘模式8.3.5理性亞格子模式8.3.6標量湍流輸運的亞格子模型8.4亞格子模型的檢驗8.4.1亞格子模型的先驗比較結果8.4.2亞格子模型的后驗結果8.5復雜流動的大渦模擬算例8.5.1平面擴壓器8.5.2繞圓柱流動8.5.3環境流動的算例8.6關于大渦模擬的幾個問題8.6.1亞格子應力的量級估計8.6.2大渦模擬的誤差估計和提高精度的方法8.6.3大渦模擬的統計量修正8.6.4非均勻網格中過濾過程和微分運算的可交換性8.6.5大渦模擬的近壁模型第9章雷諾平均模擬方法9.1建立湍流統計模式的一般原理9.1.1雷諾應力的一般泛函形式9.1.2封閉模式方程的約束條件9.2湍流渦粘模式9.2.1不可壓縮湍流的代數渦粘模式9.2.2標準kε模式9.2.3非線性kε模式9.2.4壁函數9.2.5低雷諾數修正9.2.6單方程渦粘系數輸運模式9.3雷諾應力輸運方程的封閉模式： 2階矩模式9.3.12階矩模式的封閉式9.3.2代數形式的2階矩模式9.3.3關于湍流統計模式的綜合評述9.4雷諾平均和大渦模擬的組合模型(RANS/LES)9.4.1RANS/LES組合模型的基本思想和實施方法9.4.2RANS/LES組合模型算例索引參考文獻