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| 編輯推薦： |
1.汇聚作者多年来在三维流动设计理论领域探索和实践的结果；
2.用真实案例说话，含有丰富图表、数据，在细节呈现上做到以小见大、见微知著；
3.书中提出的设计方案、研究方法，具有专业指导性、启发性和相关的技术深度；
4.四色印刷，阅读效果更佳。
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| 內容簡介： |
流体机械广泛应用于能源动力、冶金电力、石油化工、航空航天等支柱性行业，也是航空燃机、南水北调、深海开发等重大工程的核心设备。准确预测流体机械工作介质的运动规律及功能转换原理，对缩短产品开发周期与提高性能有重要意义。
本书根据作者课题组研究成果编写而成，介绍了动静干涉叶栅三维流动耦合计算方法、湍流模型评价、两相流动计算求解、多物理场耦合分析及优化、仿生交叉学科等方面的工作。全书理论与应用结合紧密，从基础理论、数值计算和实验研究等方面展开，主要内容包括：计算流体力学基础知识，计算流域动静干涉耦合方法与湍流模型评价，油、水及空气等不同介质下典型流体机械动静干涉作用机理及流场分析，界面多相流流动行为与工程应用，流动问题中多物理场耦合计算与性能优化设计。本书各章节根据需要提供了工程实例，较为全面地反映了流体动静干涉的运动特性，为相关流体机械研究提供了理论和技术支撑。
本书可作为机械、石油、化工、材料、水利水电等专业的教材和参考书，也为从事相关行业产品设计与实际应用的工程技术人员提供了重要的借鉴和参考价值。
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| 關於作者： |
刘春宝，吉林大学机械与航空航天工程学院教授、博士生导师，吉林省享受政府津贴专家（省突出贡献专家）。担任中国机械工程学会流体传动与控制分会委员、中国力学学会流体控制工程专业委员会委员、中国农业机械学会地面机器系统分会委员等职务。
近5年，面向国家重大战略需求和国际科学与技术前沿，承担国家重点研发计划、自然科学基金、教育部装备联合基金、军委科技委国防创新特区等20多项重点科研项目，发表高水平论文50多篇，获2021年度吉林省成果转化贡献奖个人奖、2020年吉林省科技进步一等奖、2019年度中国机械工业科技进步二等奖等多项奖励。
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| 目錄：
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第1章 计算流体力学基础 001
1.1 计算流体力学基本原理 002
1.1.1 计算流体力学概述 002
1.1.2 计算流体力学特点 003
1.1.3 计算流体力学应用 004
1.1.4 计算流体力学一般分析步骤 005
1.2 湍流的计算流体力学数值模拟方法 006
1.3 湍流的计算流体力学基本数学模型 011
1.3.1 基本控制方程 011
1.3.2 经典雷诺时均法模型 013
1.3.3 尺度解析方法湍流模型 015
1.3.4 多相流模型 019
参考文献 025
第2章 计算流域动静干涉耦合方法 029
2.1 多重参考系法 030
2.2 滑移网格法 035
2.3 动网格法 041
2.4 浸没边界法 048
2.5 重叠网格法 053
参考文献 060
第3章 动静干涉流场湍流模型评价 071
3.1 无干涉状态下的喷管射流 072
3.1.1 几何模型 072
3.1.2 计算设置 073
3.1.3 流动结果 074
3.2 动静干涉下的液力偶合器内循环流动 079
3.2.1 几何模型及计算设置 080
3.2.2 不同湍流模型流动特性分析 081
3.2.3 循环流动机理 085
参考文献 091
第4章 油介质下动静耦合干涉典型流场分析 093
4.1 齿轮箱油液瞬态流场解析 094
4.1.1 解析模型的构建 094
4.1.2 典型计算结果 096
4.2 湿式离合器油液瞬态流场解析 098
4.2.1 解析模型的构建 099
4.2.2 典型计算结果 102
参考文献 109
第5章 水介质下典型流体机械动静干涉作用机理及流场分析 111
5.1 水介质螺旋桨搅动工作过程 112
5.2 稳态条件下螺旋桨性能预报和流场分析 113
5.2.1 计算方案及设置 113
5.2.2 性能预测与验证 115
5.2.3 流场分析 117
5.3 瞬态条件下螺旋桨性能预报和流场分析 120
5.3.1 计算设置和方案 120
5.3.2 性能预测与验证 122
5.3.3 流场分析 124
5.3.4 螺旋桨涡结构分布 128
参考文献 130
第6章 空气介质下典型流动数值模拟与流场分析 133
6.1 经典圆柱绕流的数值模拟 134
6.1.1 经典圆柱绕流计算域参数设定 134
6.1.2 典型圆柱绕流数值结果对比 135
6.2 抛丝机瞬态流动模拟 140
6.2.1 数值模拟计算方法及计算域模型 141
6.2.2 典型数值模拟结果 142
参考文献 145
第7章 界面多相流流动行为与工程应用 147
7.1 超疏水表面制备及润湿性理论 148
7.1.1 仿生超疏水表面的制备 148
7.1.2 润湿性理论 151
7.2 基于滑移理论的超疏水表面减阻分析 153
7.2.1 壁面滑移理论 153
7.2.2 超疏水表面滑移减阻 154
7.2.3 基于滑移理论的超疏水表面减阻分析 155
7.3 微/纳结构对界面流体相变的作用机理 162
7.3.1 低温环境下液滴相变数值模拟方法 162
7.3.2 具有微纳结构的超疏水表面的防结冰性能分析 165
参考文献 175
第8章 流动问题中多物理场耦合计算与分析 177
8.1 液力变矩器变黏度热流固耦合计算与分析 178
8.1.1 数值模拟方法 179
8.1.2 耦合分析方法 182
8.1.3 典型数值结果 183
8.2 液力缓速器气-液耦合计算与分析 191
8.2.1 气-液耦合空化现象数值模拟 191
8.2.2 液力缓速器充液过程仿真数值模拟 197
8.3 板翅式换热器流-热耦合计算与分析 202
8.3.1 数值模拟方法 203
8.3.2 典型数值结果 205
参考文献 212
第9章 基于流动解析的性能设计及优化 215
9.1 液力缓速器结构参数多目标优化设计 216
9.1.1 多目标优化目标选取分析 216
9.1.2 多目标优化算法 216
9.1.3 典型结果 217
9.2 换热器结构参数多目标优化设计 237
9.2.1 参数敏感性研究 238
9.2.2 多目标优化算法 239
9.2.3 典型优化结果分析 241
参考文献 253
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| 內容試閱：
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第1章 计算流体力学基础 001
1.1 计算流体力学基本原理 002
1.1.1 计算流体力学概述 002
1.1.2 计算流体力学特点 003
1.1.3 计算流体力学应用 004
1.1.4 计算流体力学一般分析步骤 005
1.2 湍流的计算流体力学数值模拟方法 006
1.3 湍流的计算流体力学基本数学模型 011
1.3.1 基本控制方程 011
1.3.2 经典雷诺时均法模型 013
1.3.3 尺度解析方法湍流模型 015
1.3.4 多相流模型 019
参考文献 025
第2章 计算流域动静干涉耦合方法 029
2.1 多重参考系法 030
2.2 滑移网格法 035
2.3 动网格法 041
2.4 浸没边界法 048
2.5 重叠网格法 053
参考文献 060
第3章 动静干涉流场湍流模型评价 071
3.1 无干涉状态下的喷管射流 072
3.1.1 几何模型 072
3.1.2 计算设置 073
3.1.3 流动结果 074
3.2 动静干涉下的液力偶合器内循环流动 079
3.2.1 几何模型及计算设置 080
3.2.2 不同湍流模型流动特性分析 081
3.2.3 循环流动机理 085
参考文献 091
第4章 油介质下动静耦合干涉典型流场分析 093
4.1 齿轮箱油液瞬态流场解析 094
4.1.1 解析模型的构建 094
4.1.2 典型计算结果 096
4.2 湿式离合器油液瞬态流场解析 098
4.2.1 解析模型的构建 099
4.2.2 典型计算结果 102
参考文献 109
第5章 水介质下典型流体机械动静干涉作用机理及流场分析 111
5.1 水介质螺旋桨搅动工作过程 112
5.2 稳态条件下螺旋桨性能预报和流场分析 113
5.2.1 计算方案及设置 113
5.2.2 性能预测与验证 115
5.2.3 流场分析 117
5.3 瞬态条件下螺旋桨性能预报和流场分析 120
5.3.1 计算设置和方案 120
5.3.2 性能预测与验证 122
5.3.3 流场分析 124
5.3.4 螺旋桨涡结构分布 128
参考文献 130
第6章 空气介质下典型流动数值模拟与流场分析 133
6.1 经典圆柱绕流的数值模拟 134
6.1.1 经典圆柱绕流计算域参数设定 134
6.1.2 典型圆柱绕流数值结果对比 135
6.2 抛丝机瞬态流动模拟 140
6.2.1 数值模拟计算方法及计算域模型 141
6.2.2 典型数值模拟结果 142
参考文献 145
第7章 界面多相流流动行为与工程应用 147
7.1 超疏水表面制备及润湿性理论 148
7.1.1 仿生超疏水表面的制备 148
7.1.2 润湿性理论 151
7.2 基于滑移理论的超疏水表面减阻分析 153
7.2.1 壁面滑移理论 153
7.2.2 超疏水表面滑移减阻 154
7.2.3 基于滑移理论的超疏水表面减阻分析 155
7.3 微/纳结构对界面流体相变的作用机理 162
7.3.1 低温环境下液滴相变数值模拟方法 162
7.3.2 具有微纳结构的超疏水表面的防结冰性能分析 165
参考文献 175
第8章 流动问题中多物理场耦合计算与分析 177
8.1 液力变矩器变黏度热流固耦合计算与分析 178
8.1.1 数值模拟方法 179
8.1.2 耦合分析方法 182
8.1.3 典型数值结果 183
8.2 液力缓速器气-液耦合计算与分析 191
8.2.1 气-液耦合空化现象数值模拟 191
8.2.2 液力缓速器充液过程仿真数值模拟 197
8.3 板翅式换热器流-热耦合计算与分析 202
8.3.1 数值模拟方法 203
8.3.2 典型数值结果 205
参考文献 212
第9章 基于流动解析的性能设计及优化 215
9.1 液力缓速器结构参数多目标优化设计 216
9.1.1 多目标优化目标选取分析 216
9.1.2 多目标优化算法 216
9.1.3 典型结果 217
9.2 换热器结构参数多目标优化设计 237
9.2.1 参数敏感性研究 238
9.2.2 多目标优化算法 239
9.2.3 典型优化结果分析 241流体机械是以流体为工作介质并实现能量转换的机械，通常包括泵、水轮机、汽轮机、液力变矩器、燃气轮机、风力机、通风机、压缩机和液力偶合器等，是维持人类发展重要且必要的装备。流体机械技术源远流长，从古代水力驱动磨石加工谷物，到现代水力发电的大型水轮机、临床3D打印的人工心脏等，尤其是进入21世纪后发展迅速。
流体机械的基本功能是能量转换，核心组件是叶轮，因此，流体机械也称叶轮机械。流体机械涉及轮毂比、叶片间距、叶片展弦比、叶片安放角、叶尖间隙等多个复杂几何参数，涉及动静-耦合作用、主流-边界层相互作用、逆压梯度、流动分离、尾迹-射流、间隙流动、转捩流动等众多复杂流动现象。动静干涉（Rotor-Stator Interaction，RSI），通常指水轮机的转动系统（转轮）与静止系统（导叶）之间的相互影响。实际上，动静干涉是泵、水轮机、液力元件和螺旋桨等流体机械中的典型流动现象，且旋转效应改变了近壁湍流脉动旋度，故圆周方向湍流强度增强。在流体机械中，由于强旋转、大曲率和多壁面的共同影响，旋转湍流的各向异性特性更加突出，更容易产生流动分离，在叶片表面存在更大范围的强剪切流动，甚至是由层流到湍流的转捩流动。进一步引申，动静干涉流动也存在于流体传动元件表面，体现为多相交互界面力学行为，如黏附、接触、摩擦润滑、耦合共振等。动静干涉界面的演化规律受环境压强、气体扩散、液体蒸发、系统振动、流体剪切等多重因素的影响，涉及浸润状态转变、浸润状态恢复，以及气泡形态变化三种液-气界面演化规律。
流体机械流动分析与设计优化的重点是叶轮内部的瞬态流动，通过流动计算与分析，能够获得实验难以测量的流场速度、压力、温度等物理量的分布，发现不同尺度的涡旋结构，揭示能量损失的主要部位，从而为优化水力设计、提高水力性能提供依据。常规流动分析方法很难在流体机械非设计工况下取得符合实际的计算结果，计算流体力学（CFD）逐步成为完善计算结果的重要支撑。CFD 兼有理论性和实践性的双重特点，为现代科学中许多复杂流动与传热问题提供了有效的解决方法。本书是作者多年来教学与科研的工作积累，是在复杂流动数值模拟与工程应用领域的探索和实践，重点关注了动静干涉的强旋转、大曲率流动机械流动数值模拟方法。
本书共分为五大部分，主要内容包括动静干涉叶栅三维流动耦合计算方法、湍流模型评价、两相流动计算求解、多物理场耦合分析及优化、仿生交叉学科等方面的工作。部分是对流体机械动静干涉流动计算所涉及的理论及技术的基本介绍，包括第1～2章，分别为计算流体力学的相关基本概念、湍流模型的分类及流体运动的耦合计算方法归纳。第二部分从湍流核心区的高雷诺数流动、近壁区低雷诺数流动和层流到湍流的转捩流动等不同方面，分析了现有湍流模型在流体机械中的适用性，包括第3章，主要针对喷管射流及液力偶合器全三维黏性流动进行解析。第三部分指出了典型湍流模型在求解旋转湍流时存在的问题，探索了针对不同求解目标引用不同湍流模型的有效途径和方法，包括第4～6章，主要介绍了涉及油、水、空气等不同介质下的齿轮箱润滑、螺旋桨敞水、抛丝机排风等典型工程案例的数字化建模及关键技术。第四部分针对自然界和工业界广泛存在的界面多相流问题，进行了计算流体力学在多学科交叉领域的工程应用探索，包括第7章，主要针对仿生超疏水表面减阻、液滴撞击低温表面的相变问题进行探讨阐述。第五部分为基于流场解析技术的流体力学性能数字化优化设计技术专题，包括第8～9章，主要针对复杂工况下装备实际性能的多场耦合分析，使用辅助智能优化算法，对液力变矩器、液力缓速器和翅板式换热器等典型流体机械性能进行多目标优化设计。本书探究了湍流模型的发展趋势，及对湍流模型在流体机械中的应用进行了展望，是适用于高等院校和科研机构人才培养的流体机械设计及计算流体的教学和参考用书。
本书中介绍的成果大部分是作者课题组的研究开发成果，凝聚了作者及其老师与研究生们的心血，在本书的编写过程中还参阅并引用了很多文献和资料，在此一并致谢。
后还要说明的是，流体力学理论博大精深，流体机械技术繁杂，虽然作者尽了努力，但限于水平，再加之计算流体力学理论及相关技术发展迅速、日新月异，本书的观点不一定成熟，不足和疏漏之处在所难免。敬请读者批评、指正和帮助。
编著者
参考文献 253
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