海洋流体动力学(下面也简述先导领域流体力学

先说流体动力学,特别是我读的1986年翻译出版的John N. Newman纽曼著、周树国译、王献孚和钱晓南校的《船舶流体动力学》(英文版Marine Hydrodynamics我也有- Marine按字意译为海[]的、海运的、航海的、船舶的都是可行的,前者含义更广而此书更多更具体讲的是船舶的)人民交通出版社(我们读研究生是也读John N. Newman的导师Martin A. Abkowitz的导师Garrett Birkhoff的《近世代数概论》--最近见有一些船舶流体动力学课程视频

船舶流体动力学”或“流体动力学也叫水动力学”的先导课程是“流体力学”,可参考最近被预测2014年将获诺奖的庄小威的父亲的《流体力学》就说“流体力学是研究流体的机械运动和力的作用规律的科学,而流体是流动性的变形体:国内的较好被更多流体力学书籍引用的教材应是北京大学吴望一教授的《流体力学》上册(我也有下册)(象李大潜院士的《物理学与偏微分方程》的流体力学部分只参考吴望一教授的以及Alexandre ChorinJerrold Marsden合撰的这2本流体力学教材), 国际上被认为最好的教材是:普朗特的《流体力学概论》,下面杰弗·英格拉姆·勒的博士George Batchelor巴切勒《流体动力学引论》科学出版社(有一篇纪念文章),《普朗特流体力学基础》(H.欧特尔等著,由普朗特的博士陆士嘉的三个学生:朱自强、钱翼稷、李宗瑞翻译为中文版普朗特也是钱学森、郭永怀、林家翘、胡宁的导师·卡门的导师,就是现代流体力学奠基人,并林家翘一直主要做流体力学,钱学森、郭永怀回国后也是做流体力学应用工作,如钱学森是卓越的空气动力学家[这也是流体力学的一个分支]、如此从事航天控制系统工程,而胡宁先后师从冯·卡门和爱泼斯坦研究流体力学和原子核量子理论。我国还有周培源院士也是流体力学家,并其受重视如中国科协3主席中就有2届主席是周培源和钱学森)。当然,我身边也有被纽约时报评为流体力学领袖Donald R. F. Harleman合撰的《流体动力学》名著等。

当然我也有易家训院士的《流体力学》,高等教育出版社1983年;周光坰,严宗毅,许世雄,章克本的《流体力学》上下册,高等教育出版社1992-3年;

至于海洋流体力学,在中国外籍院士见华人海洋流体力学和海洋学家的只有吴耀祖(另有一已逝世院士也搞些流体力学但其最重要的头衔是应用数学家)-如此吴耀祖院士可被称之为华人第一海洋博士如他“流体力学的许多领域特别在水动力学基础理论及船舶水动力学”并2个院士学生Chiang Chung Mei梅强中院士写的《波动力学》和梓雄院士写的《性流体力学》就很经典。基网见这吴耀祖院士的导师是Paco Lagerstrom-但在此维基网页右上角方框底看到给出他的著名博士只有3-3人中有8个给海南来信表达非常愉快荣幸地担任海南琼州大学编委的剑桥大学Athanassios S. Fokas院士但却有上面华人第一海洋博士耀祖院士--确实这海南琼大编委Fokas之厉害如是世界322个高被引科学家之一其难得如这些人中一个Hubert Aaronson2005年已逝世的冶金工程专家-当然耀祖院士也极厉害,周培源院士的博士林建忠在2000年出版的《流体力学》也不错。流体力学课程视频;(流体力学因历史悠久如此一代代都涌现许多为流体力学做出巨大贡献的杰出人物,世界流体力学大师;加州理工除了普朗特的博士冯.卡门外该校Hans Wolfgang Liepmann和冯.卡门的博士Allen E. Puckett著《Introduction to aerodynamics of a compressible fluid可压缩流体的空气动力学导论》,Liepmann的博士有哈佛何毓琦院士的导师Bryson.Allen E. Puckett是曾是美国最大的航天公司-休斯飞机公司董事长并他的师兄钱学森院士的博士论文是“可压缩流体运动与反作用推进问题

我也有周毓麟院士的《一维非定常流体力学》,科学出版社1990年; 以及李德元,徐国荣,水鸿寿,何高玉,陈光南,袁国兴的《二维非定常流体力学数值方法》,科学出版社1987年;谷一郎著,王世和等译的《流体力学的发展:边界层》,海洋出版社1992年;刘应中,张乐文编《摄动理论在船舶流体力学中的应用》上海交通大学出版社1991年;Joseph J. von Schwind,.冯史威德 著《海洋流体动力学基础》,海洋出版社,1983年(原书是“Geophysical fluid dynamics for oceanographers海洋学家的地球物理流体动力学”);

这页主要讲流体力学最基本的部分-粘性(有内摩察)流体力学和液体动力学。可参考曾在清华大学任教的章梓雄院士和清华大学水利系主任董曾南教授合撰的《粘性流体力学》(章梓雄院士国际水动力学学会主席,他一直从事粘性流动、波浪理论、水动力学问题的研究,董曾南教授国际水利工程与研究协会副主席-他研究的流体也主要是海水流);清华大学前后流体力学研究所所长朱克勤教授和许春晓教授还合撰一本《粘性流体力学》也很不错,也可参考顾懋祥院士指导的博士论文“主体/附体接合部的粘性流动”等等(流体力学另一重要分支《磁流体力学》虽研究的流体对象不同-但其基本的研究流体的原理方法相同-可参考);ChiangChung Mei梅强中院士的《水波动力学》科学出版社1984--梅强中教授的导师之一有流体力学大师Yao-Tsu Wu,吴耀祖教授

将粘性考虑在内的流体运动方程则是法国Navier纳维1821年和英国Stokes斯托克斯1845年分别建立的,后得名为纳维-斯托克斯方程,它是流体动力学的理论基础。 由于纳维-斯托克斯方程是一组非线性的偏微分方程,用分析方法来研究流体运动遇到很大困难。

与流体动力学平行发展的是水动力学液体动力学中国船舶科学研究中心就主办《液体力学杂志B》以及《水动力学研究与进展A等,正如这博士论文说“非线性波浪理论是目前船舶和海洋工程水动力学的热点研究问题-可见水动力学包含非线性波浪等这里的许多热点课题)。这是为了满足生产和工程上的需要,从大量实验中总结出一些经验公式来表达流动参量之间关系的经验科学。

使上述两种途径得到统一的是边界层理论。它是由德国L. 普朗特在1904年创立的。普朗特学派从1904年到1921年逐步将N-S方程作了简化,从推理、数学论证和实验测量等各个角度,建立了边界层理论,能实际计算简单情形下,边界层内流动状态和流体同固体间的粘性力。同时普朗克又提出了许多新概念,并广泛地应用到飞机和汽轮机的设计中去。这一理论既明确了理想流体的适用范围,又能计算物体运动时遇到的摩擦阻力。使上述两种情况得到了统一

 

液体运动受两个主要方面的影响:一是液体本身的特性;另一是约束液体运动的边界特性。根据这些特性的改变,液体动力学的主要研究内容有:
  理想液体运动可忽略粘性的液体称为理想液体。根据普朗特的边界层理论,在边界层以外的区域中,粘性力可以不予考虑,因此理想液体的运动规律在特定条件下仍可应用。在普朗特以前,在这一领域曾进行过很多研究。液体的压缩性很小;只有在几种情况下,如管道中的水击、水中声波、激波传播等,才要考虑液体的可压缩性。
  粘性液体运动有些液体(如润滑油)的粘性很大,分析这些液体流动状态时必须予以考虑。另外,分析船舶的摩擦阻力、边界层和波浪间的干扰、船舶和潜体的尾流等都必须考虑液体的粘性。
  空化液体流经压力足够低的区域时,就会气化并在液体内部或液固交界面上形成空泡。水中常含有直径从几十到几百微米的气泡(称为气核),有气核存在才会发生空化。空泡的溃灭产生冲击,引起边壁材料的剥蚀和破坏。
  多相流挟有固体颗粒、掺有气泡或兼有两者的液体流动称为多相流。最常见的有河道中的含沙水流(见泥沙运动);其次是掺气水流和发生空化后带有空泡的液体流动。气核能影响声波的传播,当水中所含的气核与水的体积比大于10-3,水中声速就会小于空气中的声速(纯水中的声速约为空气声速的五倍)
  非牛顿流体流动有些液体(如含沙量高的水)的剪应力和剪切变形速率不成线性关系,这些液体属于非牛顿流体。加入高分子聚合物的水也是非牛顿流体,这种流体对在其中运动的物体的阻力低得多(见非牛顿流体力学)。
  自由表面流动液体流动的部分边界可以是液体和空气的分界面,沿这一部分边界的压力接近常数。河道、渠道、海洋流动皆属于这一类型,称为无压流。自由表面流动的范围很广,包括明槽流、河道非定常流、波浪运动等。由于造船工程、水利工程的需要,自由表面流动的研究工作早已开始。海洋工程的发展,对这方面的研究又提出新的要求(见海洋结构物水动力学)。有时由于在液体流动区域中形成空腔而有局部和气体接触的自由表面,如鱼雷、导弹在水中运动时引起空化而形成的空腔、从空中进入水中时带入空气而形成的空腔、以及为了防止空蚀通入空气而形成的空腔等皆是。
  压力流液体四周都受固体边壁约束的流动称为压力流,又称满管流。水力机械和船舶螺旋桨的旋转叶片间的流动也是压力流。早期为了计算供水系统的流量分配而开始研究管流的特性。压力管道常和水力机械相连,因而出现弹性振动和水击问题。两层或多层密度不相同的液体可以形成分层流。密度差可以是由于液体不同(如水和石油)所引起,也可以是由于含盐、含沙量不同,或温度不同所引起。在石油开采,海水浸入,潜艇航行,水库排沙,电站冷却水的研究中,分层流是很重要的课题(见压力流异重流旋转流体和分层流体流动)。
  海洋物理学家黄锷院士发明的Hilbert-Huang Transformation(见HHT希尔伯特黄变换方法讯号处理法,完全改变以往对于非线性、非稳态讯号几乎束手无策的窘境,可应用于海浪分析、应力波谱分析及地震波谱分析,以及各种非稳定型之信息波分析。应用之广及其结果之精良,为国际学界所重视(在国内期刊网也见被我国科研广泛引用)。

(关于这学科书籍,普朗特的书虽古远些,但仍被多数人推崇是最经典的。其次上面George Batchelor的《流体动力学引论》也被很多人推崇,最近还设立以其命名的Batchelor Prize并获奖者是大师级流体力学家。据说这狂妄的Batchelor曾经一度以为湍流(紊流)问题可以在他手上终结。所以在整个40年代,他在湍流研究上特别努力。结果当然是大失所望,湍流太复杂、太不确定,一个Navier-Stokes方程,至今还没把解的存在性、唯一性和稳定性搞明白。在被湍流折磨得心力憔悴后,Batchelor50年代中期开始,逐渐把精力从科研转移到了写书,创办应用数学力学系和前面说的JFM杂志上来。另一个被湍流折磨死掉的大牛就是量子力学的奠基人之一海森堡(Heisenberg)。这家伙年轻的时候,也是靠着他的天才禀赋和灵感,胡乱猜了一个湍流 问题的解混得了博士学位,后半生也被湍流研究折磨而死,而且至死都念念不忘。苏联诺贝尔奖获得者朗道(Lev Landau)也在湍流上忽悠了一把,不过虽然他的解很漂亮,却是错的)

英国也有一现代流体力学宗师-汤姆逊的博士Geoffrey Ingram Taylor杰弗·英格拉姆·勒的论文集第2Meteorology, Oceanography and Turbulent Flow气象学、海洋学和湍流Geoffrey Ingram Taylor论文集第3 Aerodynamics and the mechanics of projectiles and Explosions空气动力学与炮弹与爆炸力学Geoffrey Ingram Taylor 论文集第4 Mehcanics of Fluids: Miscellaneous Papers流体力学及某些杂文,并且并他的博士George Batchelor也是一个很著名的世界流体力学大师。乔治·斯托克斯和麦克斯韦联合指导的博士Horace Lamb贺拉斯·兰姆也写《Hydrodynamics流体动力学》-适合了解前人工作并因很多概念等已更新而作古即也适合考古;普朗特的博士Hermann Schlichting史里希廷的《边界层理论》科学出版社1988年上册/1991年下册;James Lighthill詹姆斯·赖特希尔Waves In Fluids流体中的波》(冯.卡门的博士郭永怀先的2个研究生李家春院士译D. G. CrightonJames Lighthill的文章、戴世强也写James Lighthill)。

 

下面是我也有周毓麟院士的《一维非定常流体力学》科学出版社1990年; 以及李德元等的《二维非定常流体力学数值方法》科学出版社1987年的内容;

周毓麟教授的《一维非定常流体力学》,科学出版社,1990

第一章 流体运动方桎组
§1
热力学基本概念
1
1 物质状态的变化过程
1
2 热力学定律
1
3 热力学状态函数
1
4 流体的状态方程
1
5 完全气体,多方气体,常比热完全气体
1
6 数学推导的补充
§2
流体力学方程组
2
1 流体运动的守恒方程组
2
2 无粘流体的运动方程组
2
3 一维流体力学方程组
2
4 特征线方程与特征关系
第二章 波的概念
§1
双曲型方程组
§2
简单波及其性质
2
1 可约双曲型方程组
2
2 简单渡
2
3 等熵运动的通解
2
4 稀巯波及活塞运动
2
5 例题
§3
冲击波及其性质
3
1 冲击波的形成及压缩渡
3
2 冲击波及其关系式
3
3 Hugoniot关系式与冲击波的基本性质
3
4 多方气体的冲击渡关系式
3
5 波的相互作用
3
6 Riamann问题(初始间断的分解)
3
7 活塞运动问题
3
8 翳冲击波近似
§4
爆震波及其性质
4
1 爆震波与燃烧波
4
2 Chapman-Jouguet过程与Jouguet规律
4
3 多方介质中爆震波关系式
4
4 平面爆震波问题
第三章 自模拟运动
§1
置纲理论
1
1 量纲
1
2 有量纲量之间的关系
1
3 现象的相似
1
4 量纲分析应用的例子
1
5 热传导问题的宜模拟解
1
6 变量变换
§2
流体的自模拟运动
2
1 自模拟运动的常微分方程组
2
2 冲击渡关系式
2
3 自模拟运动的若干积分
§3
球形爆震波
3
1 运动方程组
3
2 积分曲线分布
3
3 爆震波波面附近的近似解
§4
点源爆炸
4
1 强爆炸自模拟解
4
2 冲击波的消失过程
4
3 点源爆炸冲击波参数的近似公式
§5
聚合柱形与球形冲击波
5
1 常微分方程组
5
2 积分曲线分布
5
3 解的曲线
5
4 聚合柱形与球形爆震波
参考文献

 

李德元,徐国荣,水鸿寿,何高玉,陈光南,袁国兴的《二维非定常流体力学数值方法》,科学出版社,1987

第一章 基本方程
§l
三维Descartes直角坐标系中的流体力学方程组
§2
曲线坐标系中的流体力学方程组
§3 Lagrange
坐标系中的方程
§4
冲激波和人为粘性
第二章 Euler方法
§1
网格和差商
§2 Euler
流体力学方程的差分格式
§3
差分格式的稳定性分析
§4 Euler
差分方程的格式粘性和稳定性
§5
流体网格法
§6
隐式连续Euler方法
§7
爆轰波的数值计算
第三章 带质点或标志的Euler方法
§1
质点网格法
§2
多流体网格法
§3 GILA
方法
§4
标志网格法
第四章 Lagrange方法
§l
概述
§2
动最方程的差分近似
§3
边界条件
§4
人为粘性
§5
滑移面的计算
§6
重分网格
§7
弹塑性计算
§8
二维弹塑性断裂
第五章 EulerLagrange相结合的方法
§l
积分形式守恒方程的离散化
§2 ALE
方法
§3
能量守恒误差与完全守恒差分格式
§4
网格的构造
第六章 体平均多流管方法годунов间断分解方法,随机违取法
§1
体平均多流管方法的基本考虑和特点
§2
体平均多流管方法的基本计算格式
§3
网格边界物理量的计算格式
§4
网格角点位置的计算
§5
计算程序的信息及逻辑
§6
体平均多流管方法计算格式的一些性质
§7 годунов
的间断分解方法
§8
随机选取法
第七章 守恒律与守恒型差分格式
§1
守恒律与弱解
§2
熵条件与物理解
§3
守恒型差分格式
§4
单调差分格式
§5
物理解的计算
参考文献