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| 內容簡介： |
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《水动力学》是一部系统介绍水动力学基本理论、研究方法及其在海洋工程中应用的教材。《水动力学》以流体力学为基础，结合海洋工程的实际需求，全面阐述了水动力学的基本概念、研究方法、数值模拟技术、实验技术以及相关应用。《水动力学》共九章，内容涵盖流体力学基础、水动力数值模拟技术、势流理论、水波动力学、海洋工程中的水动力现象以及水动力实验技术等。《水动力学》注重理论与实践相结合，既介绍了水动力学的**理论，又反映了当前领域的最新研究成果和技术发展。
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目录前言第1章 绪论 11.1 水动力学的基本概念 11.2 水动力学的研究方法 11.3 水动力学的发展简史 31.4 水动力学的研究内容 61.5 水动力学的主要应用和发展趋势 9第2章 流体力学基础 122.1 流体的基本概念与性质 122.1.1 流体的定义 122.1.2 连续介质假设 132.1.3 作用在流体上的力 142.1.4 黏性与牛顿内摩擦定律 142.1.5 壁面无滑移条件 172.2 流体流动的形式 182.2.1 流体的运动状态 182.2.2 边界层 20第3章 数理基础 223.1 流体力学常用张量运算 223.2 流体力学常用定理 253.2.1 物质导数 253.2.2 雷诺输运定理 283.2.3 高斯散度定理 30第4章 流体流动控制方程 354.1 NS方程 354.2 流体流动模型 374.3 连续性方程 394.3.1 连续性方程的四种推导过程 394.3.2 四种连续性方程形式之间的转化 434.4 动量方程 464.5 NS方程的其他推导方法 514.6 NS方程的各种形式 534.7 NS方程的项 57第5章 水动力数值模拟技术 595.1 常见的流体模拟方法 595.1.1 传统CFD方法 595.1.2 粒子法 615.1.3 格子Boltzmann方法 655.2 NS方程的求解 705.2.1 NS方程的数值求解过程 705.2.2 不可压NS方程的求解及其难点 735.2.3 边界和初始条件 795.3 NS方程的离散化 815.3.1 常用的离散化方法 815.3.2 稳定性分析 845.3.3 有限差分法 945.3.4 有限体积法 1135.3.5 网格 1225.4 湍流模拟 1295.4.1 湍流模拟方法的分类 1295.4.2 直接数值模拟 1335.4.3 大涡模拟 1365.4.4 RANS模拟 1395.5 多相流模拟 1425.5.1 多相流模拟方法的分类 1425.5.2 边界捕捉方法 1475.6 动边界模拟 1515.6.1 有拓扑变化的方法 1515.6.2 无拓扑变化的方法 1565.7 流固耦合模拟 160第6章 势流理论 1636.1 不可压缩势流问题的基本控制方程和边界条件 1636.1.1 不可压缩势流问题的基本控制方程 1636.1.2 势流问题的边界条件 1656.1.3 势流问题的初始条件 1686.1.4 势流问题的求解方法 1716.2 基本平面势流 174第7章 水波动力学 1797.1 波的基本概念 1797.1.1 波的定义 1797.1.2 水波的物理要素 1817.1.3 水波的基本方程 1857.2 小振幅波理论 1887.2.1 水波问题的摄动展开 1887.2.2 行波和驻波 1927.2.3 波能 1977.2.4 波的绕射和折射 2017.3 非线性水波 2067.4 船行波 2117.5 内波 216第8章 海洋工程中的水动力现象 2228.1 常见的海洋环境作用 2228.2 空化 2288.3 跨介质 2328.4 流固耦合现象 2358.5 水下爆炸 239第9章 水动力实验技术 2449.1 水动力实验技术的任务 2449.2 水动力实验技术的发展历史 2479.3 相似理论 2509.3.1 流动相似 2509.3.2 常用相似准则数及意义 2539.4 实验误差 2579.4.1 误差的基本概念及分类 2579.4.2 误差的表示方法及评价 2609.5 水动力学实验装置 262参考文献 266后记 267
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第1章 绪论 1.1 水动力学的基本概念 水动力学涉及的学科非常广泛，比如水力学、生物学、农业等，本书重点关注海洋工程中涉及的水动力学内容，水动力学也是海洋工程领域的基础课程之一。作为各海洋国家发展的重要支柱，海洋已经成为拓展经济和社会发展空间的重要载体，海洋工程在现代海洋开发中发挥着越来越重要的作用，我国也已经将海洋工程装备制造业纳入战略性新兴产业。水动力学知识的学习对于推动海洋工程技术进步至关重要。 水动力学是研究水的运动规律及其与边界相互作用的学科。顾名思义，水动力学的研究大体可分为两个部分：一个是研究水的运动规律，比如波浪的演化、海啸的发展、海流的分布等；另一个是研究水和边界的相互作用，比如船舶的耐波性、防浪堤的设计、水下航行器的运动预报等。 那水动力学和流体力学之间有什么关系呢？我们知道流体力学主要研究流体本身的静止状态和运动状态，以及流体和固体界壁间有相对运动时的相互作用和流动规律。它可以分为流体静力学和流体动力学，其中，流体静力学主要研究静止流体的压力、密度、温度分布以及流体对器壁或物体的作用力；流体动力学则主要研究流体在力的作用下的运动规律及其与边界的相互作用。流体动力学与流体静力学的差别在于，流体动力学研究运动中的流体，它又包括液体动力学和气体动力学两大部分，而本书关注的水动力学则属于液体动力学中的一种。由此可见，水动力学与流体力学之间存在密不可分的联系，流体力学的知识是理解水动力学的重要基础，而水动力学则在流体力学和实际海洋工程之间起到了重要的桥梁作用 [2]，能够促进科技工作者将水动力学知识应用到海洋工程问题中去，对于巩固流体理论基础和海洋工程建设相关工作起到了重要的促进作用。 1.2 水动力学的研究方法 水动力学研究的方法主要有现场观测、实验测试、理论分析和数值模拟，下面对各个方法进行介绍。 现场观测是利用各种仪器对自然界或工程中的流动现象进行系统观测，从而总结出流体运动的规律，并预测流动现象的演变。过去对天气的观测和预报，基本上就是这样进行的。这个方法的优点是可以得到真实的、全尺寸的数据。但是，现场流动现象的发生不能控制，发生条件几乎不可能完全重复出现，影响到对流动现象和规律的研究；现场观测还要花费大量物力、财力和人力。因此产生了另一种方法 —— 实验测试，人们建立实验室，使这些现象能在可以控制的条件下出现，以便于观察和研究。 在实验室内，流动现象可以在短得多的时间内和小得多的空间中多次重复出现，可以对多种参量进行隔离并系统地改变实验参量。在实验室内，人们也可以制造自然界很少遇到的特殊情况（如高温、高压），可以使原来无法看到的现象显示出来。现场观测常常是对已有事物、已有工程的观测，而实验室模拟却可以对还没有出现的事物、没有发生的现象进行观察。因此，实验测试是研究流体力学的重要方法。但是，要使实验数据与现场观测结果相符，必须使流动相似条件完全得到满足。不过对缩比模型来说，某些相似准则数不易同时满足或难以达到。所以在实验室中，通常是针对具体问题，尽量满足某些主要相似条件和参数，然后通过现场观测验证或校正实验结果。 理论分析是根据流体运动的普遍规律，如质量守恒、动量守恒、能量守恒等，利用数学分析的手段，来研究流体的运动，解释已知的现象，预测可能发生的结果。理论分析的步骤大致如下： 建立 “力学模型”。一般做法是：针对实际水动力学问题，分析其中的各种矛盾并抓住主要方面，对问题进行简化，进而建立反映问题本质的 “力学模型”。*常用的基本流体模型有：牛顿流体、不可压缩流体、理想流体等。 建立控制方程。针对流体运动的特点，用数学语言将质量守恒、动量守恒、能量守恒等定律表达出来，从而得到连续性方程、动量方程和能量方程。此外，还要加上某些联系流动参量的关系式（例如状态方程）。这些方程合在一起称为流体力学基本方程组。流体运动在空间和时间上常有一定的限制，因此，应给出边界条件和初始条件。整个流动问题的数学模式就是建立起封闭的、流动参量必须满足的方程组，并给出恰当的边界条件和初始条件。 求解方程组。在给定的边界条件和初始条件下，利用数学方法，求方程组的解。由于这些方程组是非线性偏微分方程组，难以求得解析解，因此必须加以简化，这就是前面所说的建立力学模型的原因之一。力学家经过多年努力，创造出许多数学方法或技巧来解这些方程组，得到一些解析解。 对解进行分析解释。求出方程组的解后，结合具体流动，解释这些解的物理含义和流动机理。通常还要将这些理论结果同实验结果进行比较，以确定所得解的准确程度和力学模型的适用范围。 然而，对于复杂的流动情况，上述的流体流动控制方程常常没有解析解，这时就需要采用数值模拟的方法，求得相应问题的近似解。电子计算机的出现和发展，使许多原来无法用理论分析求解的复杂流体力学问题有了求得数值解的可能性。当前，数值方法已经发展到很高的层次，可以部分或完全代替某些实验，节省实验时间和费用。数值计算方法的发展速度很快，其重要性也与日俱增。 上面对四种研究方法进行了讲解，那这四种方法之间存在什么样的关系呢？在解决水动力学问题时，现场观测、实验测试、理论分析和数值模拟几方面是相辅相成的。实验需要理论指导，才能从分散的、表面上无联系的现象和实验数据中得出规律性的结论。反之，理论分析和数值模拟也要依靠现场观测和实验测试给出物理图像或数据以建立流动的力学模型和数学模式；*后，还须依靠实验来检验这些模型的完善程度。此外，实际流动往往异常复杂，理论分析和数值模拟会遇到巨大的数学和计算方面的困难，得不到具体结果，这时就只能通过现场观测和实验测试进行研究。 1.3 水动力学的发展简史 水动力学的发展和流体力学、水力学等的发展是密不可分的[3]。 中国古代的水利工程技术有着光辉的成就，对于水流运动的规律也积累了相当深刻的经验。四千多年前，大禹治水就注意了“顺水之性”（图1-1）；两千多年前，都江堰工程总结了“深淘滩、低作堰”的经验（图1-2）；古代利用孔口出流原理设计出了计时工具——铜壶滴漏（图1-3），都说明当时对于水流运动的规律已有一定的定性认识。我国古代还提出了一些经验的定量估算，《管子？度地篇》（图1-4）指出“尺有十分之，三里满四十九者，水可走也”，说明在三里的距离内渠底降落四十九寸，约相当于千分之一的坡降，渠水可以顺势流走。 流体力学系统理论的萌芽，可以追溯到古希腊阿基米德（Archimedes）所提出的阿基米德原理（图1-5），但以后的1000多年在系统理论上的进展很慢。进一步发展是在 16世纪以后的欧洲，1585年斯蒂芬（Stevin）把刚体平衡的研究方法应用于水静力学，1643年托里拆利（Torriceli）初步确立了孔口泄流的定律，1653年帕斯卡（Pascal）阐述了流体中压力传递的规律，1686年牛顿（Newton）提出了流体内摩擦的基本定律。 水动力学开始成为一门*立的学科是在18世纪中叶以后，它以古典流体力学作为理论基础，并沿着实验和应用的方向发展。古典流体力学是在古典力学的基础上，运用严密的数学工具建立流体运动的基本方程，发展为力学的一个*立分支。1738年伯努利（Bernoull）提出了伯努利方程（公式(1-1)），1755年欧拉（Euler）建立了理想流体的欧拉微分方程（图1-6），黏性流体运动微分方程是纳维（Navier）在1822年初次提出的（图1-7(a)），斯托克斯（Stokes）在1845年完成（图1-7(b)）。 (1-1) 18世纪末和整个19世纪，形成了两个相互*立的研究方向：一是运用数学分析的理论流体动力学；二是依靠实验的应用流体动力学。开尔文（Kelvin）、瑞利（Rayleigh）、斯托克斯（Stokes）、兰姆（Lamb）等的工作使理论水平达到相当的高度，而谢齐（Chezy）、达西（Darcy）、巴赞（Bazin）、弗朗西斯（Francis）、曼宁（Manning）等则在应用水力学方面进行了大量的实验研究，提出了各种实用的经验公式。 19世纪末，流体力学的发展扭转了研究工作中的经验主义倾向，这些发展是：雷诺（Reynolds）理论及实验研究；雷诺的因次分析；弗劳德（Froude）的船舶模型实验；空气动力学的迅速发展。20世纪初的重要突破是普朗特（Prandtl）的边界层理论，它把无黏理论和黏性理论在边界层概念的基础上联系起来。 20世纪蓬勃发展的工程建设提出了越来越复杂的水动力学问题：从单相流动到多相流动；从牛顿流体到非牛顿流体；从单向耦合到流固耦合（fluid-structure interaction，FSI）等。以电子计算机应用为主要手段的计算水动力学也得到了快速发展。水动力学作为一门以实用为目的的学科逐渐与流体力学合流。 1.4 水动力学的研究内容 水动力学主要研究两个方面的影响：一是流体本身的特性；另一个是约束流体运动的边界特性。根据这些特性的改变，水动力学的主要研究内容可分为下面
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