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请叫我雷锋 发表于 2017-9-22 11:07:42

《Three-Dimensional Attached Viscous Flow：Basic Principles and Theoretical...

《Three-Dimensional Attached Viscous Flow：Basic Principles and Theoretical Foundations》
三向粘性流：基本原则和理论基础
作者：
Ernst Heinrich Hirschel
Jean Cousteix
Wilhelm Kordulla
出版社：Springer
出版时间：2014年






目录
1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1 Phenomenological Models of Attached Viscous Flow . . . . . . . . 2
1.2 Three Kinds of Interaction and the Locality Principle . . . . . . . 4
1.3 Short Survey of the Development of the Field . . . . . . . . . . . . . . 7
1.4 Scope and Content of the Book . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2 Properties of Three-Dimensional Attached Viscous Flow. . 23
2.1 Characterization of the Flow . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.2 Coordinate Systems and Velocity Profiles . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.2.1 Cartesian Coordinates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.2.2 External Inviscid Streamline-Oriented Coordinates . . . 30
2.2.3 Surface-Oriented Non-Orthogonal Curvilinear
Coordinates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.3 Influencing Attached Viscous Flow and Flow Three-
Dimensionality . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
2.3.1 Surface Suction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
2.3.2 Surface-Normal Injection (Blowing) . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
2.3.3 Thermal Surface Effects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
2.4 Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
3 Equations of Motion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
3.1 Material and Transport Properties of Air . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
3.1.1 Equation of State and Specific Heat at Constant
Pressure. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
3.1.2 Transport Properties. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
3.2 Equations of Motion for Steady Laminar Flow in Cartesian
Coordinates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
3.2.1 Transport of Mass: The Continuity Equation. . . . . . . . . 57
3.2.2 Transport of Momentum: The Navier-Stokes
Equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
3.2.3 Transport of Energy: The Energy Equation . . . . . . . . . . 59
3.3 Initial and Boundary Conditions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
3.4 Similarity Parameters, Boundary-Layer Thicknesses . . . . . . . . . 61
X Table of Contents
3.5 Equations of Motion for Steady Turbulent Flow . . . . . . . . . . . . 67
3.6 Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
4 Boundary-Layer Equations for Three-Dimensional Flow . . 75
4.1 Preliminary Notes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
4.1.1 Coordinate Convention. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
4.1.2 The Boundary-Layer Criteria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
4.2 First-Order Boundary-Layer Equations for Steady Laminar
Flow. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
4.3 Boundary-Layer Equations for Steady Turbulent Flow. . . . . . . 80
4.3.1 Averaged Navier-Stokes Equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
4.3.2 Scales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
4.3.3 Structure of the Flow . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
4.3.4 Boundary-Layer Equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
4.4 Characteristic Properties of Attached Viscous Flow . . . . . . . . . 87
4.5 Wall Compatibility Conditions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
4.6 Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
5 Boundary-Layer Integral Parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
5.1 General Considerations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
5.2 Mass-Flow Displacement Thickness and Equivalent Inviscid
Source Distribution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
5.3 Momentum-Flow Displacement Thickness . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
5.4 Energy-Flow Displacement Thickness . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
5.5 Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
6 Viscous Flow and Inviscid Flow—Connections and
Interactions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
6.1 Introductory Remarks—The Displacement Effect . . . . . . . . . . . 107
6.2 Interaction Theory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
6.2.1 About the Beginnings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
6.2.2 Weak Interaction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
6.2.3 Strong Interaction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
6.3 Viscous-Inviscid Interaction Methods. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
6.4 Examples. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
6.4.1 Second-Order Boundary-Layer Effects . . . . . . . . . . . . . . . 120
6.4.2 Viscous-Inviscid Interaction Effects . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
6.5 Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
7 Topology of Skin-Friction Fields . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
7.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
7.1.1 General Remarks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
7.1.2 The Concept of Limiting Streamlines . . . . . . . . . . . . . . . 132
7.1.3 General Issues of Three-Dimensional Attachment . . . . . 133
7.1.4 General Issues of Three-Dimensional Separation . . . . . . 134
7.1.5 Detachment Points and Lines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
7.2 Singular Points . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
7.2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
7.2.2 Flow-Field Continuation around a Surface Point . . . . . . 139
7.2.3 Singular Points on Body Surfaces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
7.3 Topological Rules. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
7.4 Singular Lines. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
7.4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
7.4.2 Attachment Lines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
7.4.3 Separation Lines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
7.5 Attachment and Separation of Three-Dimensional Viscous
Flow—More Results and Indicators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172
7.6 Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175
8 Quasi-One-Dimensional and Quasi-Two-Dimensional
Flows . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179
8.1 Stagnation Point Flow . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179
8.2 Flow in Symmetry Planes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183
8.3 The Infinite Swept Wing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187
8.4 The Locally Infinite Swept Wing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191
8.5 Initial Data for Infinite-Swept-Wing Solutions . . . . . . . . . . . . . . 193
8.6 Two-Dimensional and Axisymmetric Flow . . . . . . . . . . . . . . . . . 195
8.7 The Mangler Effect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195
8.8 Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198
9 Laminar-Turbulent Transition and Turbulence . . . . . . . . . . . . 201
9.1 Laminar-Turbulent Transition—An Introduction . . . . . . . . . . . 201
9.2 Instability/Transition Phenomena and Criteria . . . . . . . . . . . . . 203
9.2.1 Some Basic Observations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204
9.2.2 Outline of Stability Theory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207
9.2.3 Inviscid Stability Theory and the Point-of-Inflection
Criterion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 210
9.2.4 The Thermal State of the Surface, Compressible
Flow. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212
9.3 Real Flight-Vehicle Effects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213
9.3.1 Attachment-Line Instability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214
9.3.2 Leading-Edge Contamination . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215
XII Table of Contents
9.3.3 Cross-Flow Instability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217
9.3.4 G¨ortler Instability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219
9.3.5 Relaminarization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 220
9.4 Receptivity Issues . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221
9.4.1 Surface Irregularities and Transition . . . . . . . . . . . . . . . . 222
9.4.2 Free-Stream Fluctuations and Transition . . . . . . . . . . . . 223
9.5 Prediction of Stability/Instability and Transition . . . . . . . . . . . 225
9.5.1 Stability/Instability Theory and Methods . . . . . . . . . . . 226
9.5.2 Transition Models and Criteria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227
9.6 Turbulence Phenomena and Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231
9.7 Boundary-Layer Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232
9.8 Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237
10 Illustrating Examples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245
10.1 The Locality Principle: Flow Past a Helicopter Fuselage and
Past Finite-Span Wings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 246
10.2 Flow Patterns Upstream of and at Trailing Edges of Lifting
Wings with Large Aspect Ratio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251
10.3 Aspects of Skin-Friction Line Topology: Flow Past an
Airplane Configuration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 259
10.4 Extrema of the Thermal State of the Surface: Flow Past a
Blunt Delta Wing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273
10.5 The Location of Laminar-Turbulent Transition: Flow Past
an Ellipsoid at Angle of Attack . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 278
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 284
11 Solutions of the Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 287
Appendix A: Equations of Motion in General Formulations . . 319
A.1 Navier-Stokes/RANS Equations in General Coordinates . . . . . 319
A.2 Boundary-Layer Equations in General Coordinates . . . . . . . . . 321
A.2.1 First-Order Equations in Non-orthogonal Curvilinear
Coordinates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 322
A.2.2 Small Cross-Flow Equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 325
A.2.3 The Geodesic as Prerequisite for the Plane-of-
Symmetry Flow . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 328
A.2.4 Equations in Contravariant Formulation . . . . . . . . . . . . . 329
A.2.5 Higher-Order Equations—The SOBOL Method . . . . . . 332
A.3 A Note on Computation Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 332
A.3.1 Navier-Stokes/RANS Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 332
A.3.2 Boundary-Layer Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 333
A.3.3 Similarity Solutions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 334
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 334
Appendix B: Approximate Relations for Boundary-Layer
Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 337
B.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 337
B.2 The Reference-Temperature Concept . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 337
B.3 Generalized Reference-Temperature Relations . . . . . . . . . . . . . . 339
B.3.1 Flat Plate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 339
B.3.2 Stagnation Point . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 343
B.3.3 Attachment-Line at a Swept Cylinder . . . . . . . . . . . . . . . 344
B.4 Virtual Origin of Boundary Layers at Junctions . . . . . . . . . . . . 346
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 349
Appendix C: Boundary-Layer Coordinates: Metric
Properties, Transformations, Examples . . . . . . . . . . . . . . . 351
C.1 Metric Properties of Surface Coordinates . . . . . . . . . . . . . . . . . . 351
C.2 Transformations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 354
C.3 Example 1: Fuselage Cross-Section Coordinate System . . . . . . 356
C.4 Example 2: Wing Percent-Line Coordinate System . . . . . . . . . . 360
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 365
Appendix D: Constants, Atmosphere Data, Units, and
Conversions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 367
D.1 Constants and Air Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 367
D.2 Atmosphere Data. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 368
D.3 Units and Conversions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 368
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 370
Appendix E: Symbols, Abbreviations, and Acronyms . . . . . . . . . 371
E.1 Latin Letters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 371
E.2 Greek Letters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 373
E.3 Indices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 374
E.3.1 Upper Indices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 374
E.3.2 Lower Indices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 374
E.4 Other Symbols . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 375
E.5 Abbreviations, Acronyms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 375
Permissions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 377
Name Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 379
Subject Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 385

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