水动力学

本书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。本书以流体力学为基础，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。全书共九章，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。本书注重理论与实践相结合，既介绍了水动力学的经典理论，又反映了当前领域的最新研究成果和技术发展。

陕西省水动力学与水下动力技术重点实验室副主任全国海洋船标准化技术委员会船舶理论与实验分技术委员会委员《Journal of Hydrodynamics》《水动力学研究与进展》《中国舰船研究》编委《Engineering Reports》《海洋工程》《数字海洋与水下攻防》青年编委

目录
前言
第1章 绪论 1
1.1 水动力学的基本概念 1
1.2 水动力学的研究方法 1
1.3 水动力学的发展简史 3
1.4 水动力学的研究内容 6
1.5 水动力学的主要应用和发展趋势 9
第2章 流体力学基础 12
2.1 流体的基本概念与性质 12
2.1.1 流体的定义 12
2.1.2 连续介质假设 13
2.1.3 作用在流体上的力 14
2.1.4 黏性与牛顿内摩擦定律 14
2.1.5 壁面无滑移条件 17
2.2 流体流动的形式 18
2.2.1 流体的运动状态 18
2.2.2 边界层 20
第3章 数理基础 22
3.1 流体力学常用张量运算 22
3.2 流体力学常用定理 25
3.2.1 物质导数 25
3.2.2 雷诺输运定理 28
3.2.3 高斯散度定理 30
第4章 流体流动控制方程 35
4.1 NS方程 35
4.2 流体流动模型 37
4.3 连续性方程 39
4.3.1 连续性方程的四种推导过程 39
4.3.2 四种连续性方程形式之间的转化 43
4.4 动量方程 46
4.5 NS方程的其他推导方法 51
4.6 NS方程的各种形式 53
4.7 NS方程的项 57
第5章 水动力数值模拟技术 59
5.1 常见的流体模拟方法 59
5.1.1 传统CFD方法 59
5.1.2 粒子法 61
5.1.3 格子Boltzmann方法 65
5.2 NS方程的求解 70
5.2.1 NS方程的数值求解过程 70
5.2.2 不可压NS方程的求解及其难点 73
5.2.3 边界和初始条件 79
5.3 NS方程的离散化 81
5.3.1 常用的离散化方法 81
5.3.2 稳定性分析 84
5.3.3 有限差分法 94
5.3.4 有限体积法 113
5.3.5 网格 122
5.4 湍流模拟 129
5.4.1 湍流模拟方法的分类 129
5.4.2 直接数值模拟 133
5.4.3 大涡模拟 136
5.4.4 RANS模拟 139
5.5 多相流模拟 142
5.5.1 多相流模拟方法的分类 142
5.5.2 边界捕捉方法 147
5.6 动边界模拟 151
5.6.1 有拓扑变化的方法 151
5.6.2 无拓扑变化的方法 156
5.7 流固耦合模拟 160
第6章 势流理论 163
6.1 不可压缩势流问题的基本控制方程和边界条件 163
6.1.1 不可压缩势流问题的基本控制方程 163
6.1.2 势流问题的边界条件 165
6.1.3 势流问题的初始条件 168
6.1.4 势流问题的求解方法 171
6.2 基本平面势流 174
第7章 水波动力学 179
7.1 波的基本概念 179
7.1.1 波的定义 179
7.1.2 水波的物理要素 181
7.1.3 水波的基本方程 185
7.2 小振幅波理论 188
7.2.1 水波问题的摄动展开 188
7.2.2 行波和驻波 192
7.2.3 波能 197
7.2.4 波的绕射和折射 201
7.3 非线性水波 206
7.4 船行波 211
7.5 内波 216
第8章 海洋工程中的水动力现象 222
8.1 常见的海洋环境作用 222
8.2 空化 228
8.3 跨介质 232
8.4 流固耦合现象 235
8.5 水下爆炸 239
第9章 水动力实验技术 244
9.1 水动力实验技术的任务 244
9.2 水动力实验技术的发展历史 247
9.3 相似理论 250
9.3.1 流动相似 250
9.3.2 常用相似准则数及意义 253
9.4 实验误差 257
9.4.1 误差的基本概念及分类 257
9.4.2 误差的表示方法及评价 260
9.5 水动力学实验装置 262
参考文献 266
后记 267