船舶螺旋槳射流理論與工程計算（簡體書）

《船舶螺旋槳射流理論與工程計算》綜合數值模擬和實驗的方法對船舶螺旋槳射流的速度分佈和湍流強度進行討論。船舶的螺旋槳射流由兩個區域組成，即發展區（ZFE）和完成區（ZEF）。在這些區域中，使用計算流體動力學（CFD）預測速度的軸向、切向和徑向分量。CFD預測顯示，螺旋槳射流的軸向速度分量起主導作用，促使流體軸向流動，切向速度分量促使射流旋轉，徑向速度分量促使射流擴散。使用激光多普勒測速方法（LDA）測量這兩個區域內的射流速度，驗證CFD預測。《船舶螺旋槳射流理論與工程計算》的研究提出了適用於模擬船舶螺旋槳射流的湍流模型、旋轉模型、離散格式、幾何模型和網格類型，還對比了LDA實驗測量結果和前人的研究成果。

林偉豪，天津大學海洋工程專業教授、博導，英國能源學會會士，曾是馬來亞大學副教授和牛津大學訪問學者。他在馬來西亞工藝大學獲得土木工程榮譽學士學位、計算機碩士學位，在英國貝爾法斯特女王大學獲得博士學位。他是英國註冊工程師、英國註冊科學家、英國能源學會專業會員、英國註冊能源工程師、愛爾蘭註冊工程師、愛爾蘭註冊工程師學會專業會員、馬來西亞註冊工程師、馬來西亞工程師學會會員、國際水環境工程與研究協會專業會員、馬來西亞發明設計協會專業會員、天津大學水利工程仿真與安全國家重點實驗室成員。

目前，研究船舶螺旋槳結構與性能的書籍有很多，而對船舶螺旋槳射流本身以及射流對海底沖刷的研究很少。本書系統地介紹了船舶螺旋槳射流的速度分佈，並採用了計算流體動力學方法和實驗方法進行研究。
本書主要內容包括：船舶螺旋槳射流的基本理論、數值模擬方法的介紹與應用、激光多普勒測速法的實驗研究和螺旋槳射流湍流強度的討論。本書介紹了軸向動量理論、普通水射流理論等關於螺旋槳射流的基本理論。讀者可以通過圖片結合理論方程對螺旋槳射流有直觀的理解。
本書闡述瞭如何利用計算流體動力學方法中的standardk-ε和standardk-ω等湍流模型對射流進行模擬，預測軸向速度、切向速度、徑向速度和湍流強度。讀者可以學習螺旋槳幾何模型建立、網格生成的方法，並預測螺旋槳射流的流場。實驗利用激光多普勒測速法對射流速度進行測量，並對實驗佈置、數據採集、誤差來源進行詳細的描述，與數值模擬方法的結論互為補充。讀者可以從中學習如何設置激光多普勒測速儀，並深入了解螺旋槳射流的物理現象和理論模型的改進。本書適合從事海洋工程、港口工程、流體力學、水力學相關的工程師、研究員、教師、研究生、高年級本科生閱讀。
在此感謝英國貝爾法斯特女王大學對項目科研的資助，Hamill博士、Robinson博士和Raghunathan教授在作者讀博期間的細心指導。本書獲得了英國貝爾法斯特女王大學水力實驗室、國家自然科學基金創新群體項目（項目編號51621092）、天津大學水利工程仿真與國家安全重點實驗室、上海交通大學高新船舶與海洋開發裝備協同創新中心、大連理工大學教育部海洋能源利用與節能重點實驗室、馬來亞大學海洋與地球科學研究所的資助。

第1章簡介
1．1船舶螺旋槳射流特性
1．2船舶螺旋槳射流的應用
1．3本書內容

第2章速度分量預測公式
2．1普通水射流
2．1．1普通水射流理論
2．1 ．2軸向動量理論
2．2普通水射流和軸向動量理論的局限陛
2．3螺旋槳射流的半經驗公式
2．3．1流出速度
2．3．2螺旋槳射流的收縮
2．3．3發展區範圍
2．3．4發展區
2．3．5完成區
2．3．6切向速度分量
2．3．7徑向速度分量
2．4結論

第3章數值模擬
3．1 CFD軟件的選擇
3．2硬件的選擇
3．3螺旋槳
3．3．1螺旋槳構造
3．3．2螺旋槳的基本特徵
3．3．3螺旋槳的研究現狀
3．4幾何模型的創建
3．5網格生成
3 ．5．1非結構化網格的生成
3．5．2結構化網格的生成
3．6計算域的敏感性
3．6．1立方體域或圓柱體域
3．6．2結構化網格的域獨立性
3．6．3非結構化網格的域獨立性
3．7網格的敏感性
3．7．1結構化網格的獨立性
3．7．2非結構化網格的獨立性
3．8螺旋槳3D掃描和3D打印
3．9邊界條件和連續區
3．10 CFD控制公式
3． 11湍流模型
3．11．1 Standard k-ε湍流模型
3．11．2 RNG k-ε湍流模型
3．11．3 Realizable k-ε湍流模型
3．11．4 Standard k-ω湍流模型
3．11 ．5 SSI k-ω湍流模型
3．11．6 Spalart-AUmaras湍流模型
3．11．7雷諾應力模型（RSM）
3．12計算要求
3．13網格移動
3．14離散格式
3．15近壁區處理
3．16求解算法
3．17收斂
3．18結論

第4章湍流模型
4．1標識
4．2幾何分析
4．3結構化網格或非結構化網格
4．4旋轉參考係法建模
4．5湍流模型應用
4．5．1結構化網格的Standard k-ε模型應用
4．5．2結構化網格的RNG k-ε模型應用
4．5．3結構化網格的Realizable k-ε模型應用
4．5．4結構化網格的Standard k-ω模型應用
4．5．5結構化網格的SSI'k-ω模型應用
4．5．6結構化網格的Spalart-Allmaras模型應用
4．5．7結構化網格的雷諾應力模型應用
4．6離散方案
4．6．1結構化網格的離散化格式
4．6．2非結構化網格的離散化格式
4．6．3二階迎風格式的數值不穩定性
4．7提出的方案
4． 8結論

第5章CFD模型的應用
5．1網格生成
5．2網格獨立性檢驗
5．3最大軸向速度的衰減
5．4軸向速度分佈
5．4．1流出平面處的軸向速度分佈
5．4．2發展區範圍
5．4．3完成區範圍
5．5最大切向速度的衰減
5．6切向速度分量的分佈
5．7最大徑向速度的衰減
5．8徑向速度分量的分佈
5．9結論

第6章LDA實驗設置
6．1實驗裝置
6．1．1螺旋槳模型
6．1．2縮比尺實驗模型
6．2數據採集
6．2．1測量網格
6 ．2．2激光多普勒測速
6．2．3 Dantec LDA測量系統
6．2．4實驗
6．2．5誤差分析
6．3粒子圖像測速（PIV）
6．4結論

第7章實驗數據分析
7．1軸向速度分量
7．1．1旋轉中心的軸對稱性
7．1．2流出速度
7．1．3流出速度的位置
7．1．4螺旋槳射流的收縮
7．1．5發展區長度
7．1．6發展區內最大軸向速度的衰減
7．1．7發展區內最大軸向速度位置
7．1．8發展區的範圍
7．1 ．9完成區的範圍
7．2切向速度分量
7．2．1最大切向速度的衰減
7．2．2切向速度分量的分佈
7．3徑向速度分量
7．3．1最大徑向速度的衰減
7．3．2徑向速度分量的分佈
7．4結論

第8章湍流強度
8．1湍流強度的定義
8．1．1 Dantec LDA系統的湍流強度定義
8．1．2 Fluent湍流強度的定義
8．1．3湍流強度的參考速度
8．2 LDA測量和CFD預測的湍流強度對比
8．2．1湍流強度的成分
8．2．2湍流強度
8．3船舶螺旋槳射流的湍流強度
8 ．4使用Standard ke湍流模型的螺旋槳射流的湍流強度
8．5使用RNG k-ε，Realizable k-ε，Standard k-ω和SSTk-ω模型的船舶螺旋槳射流的湍流強度
8．6使用雷諾應力模型（RSM）的船舶螺旋槳射流的湍流強度
8．7使用Spalart-Allmaras模型的船舶螺旋槳射流的湍流強度
8．8結論

第9章結論和展望
9．1結論
9．2展望
參考文獻