来控制和调节级数解的收敛区间和收敛速度,从而确保级数解的收敛性.同伦分析方法已被成功地应用于许多非线性问题.这充分证明了同伦分析方法的有效性和潜力.本文在此基础上,进一步'/> 同伦分析方法在流体力学和海洋工程中的应用-博士-中文学位【掌桥科研】
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同伦分析方法在流体力学和海洋工程中的应用

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第一章绪论

§1.1同伦分析方法回顾

§1.2同伦分析方法的基本思想

§1.3同伦分析方法的发展现状

§1.4本论文的研究目的和意义

§1.5本论文的主要工作

§1.6本论文的主要创新

§1.7论文的组织

第二章垂直板上的自然对流及其在工程中的应用

§2.1引言

§2.2同伦分析解

§2.2.1零阶变形方程

§2.2.2高阶变形方程

§2.2.3递推公式

§2.3结果分析

§2.4结论

第三章持续拉伸变形平板表面上的边界层流动及传热现象

§3.1引言

§3.2同伦分析解

§3.2.1零阶变形方程

§3.2.2高阶变形方程

§3.3结果分析

§3.4结论

附录

第四章来流方向与平板运动方向相反的边界层流动

§4.1引言

§4.2同伦分析解

§4.2.1零阶变形方程

§4.2.2高阶变形方程

§4.3结果分析

§4.3.1δο的选取

§4.3.2参数ε的选取

§4.3.3参数(h)的选取

§4.3.4解的有效性

§4.4结论

附录

第五章流体的吸入/吸出对可渗透壁面射流的影响

§5.1引言

§5.2控制方程

§5.3级数解

§5.4结果分析与结论

附图

第六章非定常vonKármán旋转粘性流

§6.1引言

§6.2同伦分析解

§6.2.1零阶变形方程

§6.2.2高阶变形方程

§6.3结果分析

§6.4结论

附录

第七章突然启动圆盘上方非定常旋转粘性磁流体流

§7.1引言

§7.2控制方程

§7.3同伦分析解

§7.4结果分析

§7.5结论

附图

第八章突然启动平板上的非定常三维磁流体流

§8.1引言

§8.2控制方程

§8.3同伦分析解

§8.3.1零阶变形方程

§8.3.2高阶变形方程

§8.4结果分析

§8.5结论

附图

第九章三维物体驻点附近的非定常自然对流

§9.1引言

§9.2控制方程

§9.3同伦分析解

§9.3.1零阶变形方程

§9.3.2高阶变形方程

§9.4结果分析

§9.5结论

附图

第十章非牛顿流体中突然启动平板上面的非定常磁流体流

§10.1引言

§10.2控制方程

§10.3同伦分析解

§10.3.1零阶变形方程

§10.3.2高阶变形方程

§10.4结果分析

§10.5结论

附图

第十一章非牛顿流体中两维物体前驻点附近非定常边界层流

§11.1引言

§11.2控制方程

§11.3同伦分析解

§11.4结果分析

§11.5结论

附图

第十二章波流非线性相互作用

§12.1引言

§12.2级数解

§12.2.1公式推导

§12.2.2零阶变形方程

§12.2.3高阶变形方程

§12.3实验方案与实验结果

§12.4结果分析与讨论

附录

第十三章结论与展望

§13.1结论

§13.2展望

参考文献

附录1:原始实验数据

攻读博士学位期间撰写的论文

攻读博士学位期间参与的科研项目

附图

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摘要

廖世俊教授1992年提出的同伦分析方法是求解非线性问题的一种有效的分析工具.该方法的一个显著特点是不依赖于任何小(或大)参数,从而可以克服摄动方法之局限性,适用于强非线性问题.该方法的另一个特点,是可以通过调整辅助参数h<'->来控制和调节级数解的收敛区间和收敛速度,从而确保级数解的收敛性.同伦分析方法已被成功地应用于许多非线性问题.这充分证明了同伦分析方法的有效性和潜力.本文在此基础上,进一步完善和应用同伦分析方法,求解科学和工程中更为复杂的非线性问题,如具有多解的非线性问题、非定常的非线性问题、与海洋工程密切相关的非线性波浪与流相互作用问题等,涉及三维磁流体流动、三维物体驻点附近的自然对流、多孔介质中的自然对流、非牛顿流体流动、可渗透壁面射流、非线性热传导、非线性波浪等,并尝试着应用同伦分析方法发现一些从未见报道的新解. 首先,我们证实了同伦分析方法对于多孔介质自然对流问题以及强磁场作用下拉伸变形平板导致的磁流体流动问题之有效性.第二章中,我们分析了高雷诺数情况下多孔介质中垂直放置的受热平板表面附近的自然对流,通过边界层近似以及相似分析,将该问题简化为一组耦合的非线性常微分方程组,并应用同伦分析方法首次得到该非线性微分方程组之显式表达的级数解,且与数值解进行了比较.第三章中,我们研究了强磁场作用下拉伸变形平板导致的磁流体边界层流动和对流传热问题,我们修正了Vajravelu等人所采用的相似变换,并应用同伦分析方法首次给出了该问题显式表达的的级数解. 其次,我们证实了同伦分析方法对具有多解的非线性问题之有效性.第四章中,我们研究了平板运动与来流方向相反的Blasiusi边界层流动,应用同伦分析方法,成功地得到该问题的多解.第五章中,我们研究了可渗透壁面两维层流射流问题,应用同伦分析方法首次得到该问题显式表达的级数解,并首次发现该问题具有无穷多个、呈代数衰减的解.值得强调的是,其中的一些解从未被其他解析方法、甚至数值方法所发现,这充分显示了同伦分析方法的有效性和巨大潜力. 第三,我们证实了同伦分析方法对复杂的、非定常流动问题之有效性.第六章中,我们研究了由半径无穷大的圆盘突然转动引起的流体的非定常流动.通过引入新的相似变量和相似变换,我们把经典的NaVier-Stokes方程简化为两个完全耦合的偏微分方程,并应用同伦分析方法首次给出该问题在整个时间区域和空间区域都一致有效的、显示表达的级数解.第七章中,我们研究了强磁场作用下半径无穷大的圆盘突然转动引起的磁流体非定常粘性流动,应用同伦分析方法首次给出该问题在整个时间区域和空间区域都一致有效的、显示表达的级数解,并分析了磁场强度对该流动的影响.第八章中,我们研究了磁场作用下,由突然启动平板引起的磁流体非定常三维边界层流动和对流传热,将同伦分析方法首次应用于由三个完全耦合的非线性偏微分方程描述的三维非定常问题,首次给出该问题在整个时间区域和空间区域都一致有效的、显示表达的级数解,并分析了磁场强度和温度对该三维磁流体流动的影响.第九章中,我们研究了三维物体临界点附近流体的非定常自然对流和对流传热,通过引入一组新的相似变换,把该问题简化为一组非线性偏微分程组,应用同伦分析方法首次给出该问题在整个时间区域和空间区域都一致有效的级数解.第十章中,我们研究了磁场作用下由突然启动平板引起的非牛顿磁流体的非定常边界层流动,应用同伦分析方法首次给出该问题在整个时间区域和空间区域都一致有效的级数解,并考察了磁场对该非定常流动的影响.第十一章中,我们研究了无穷远处有均匀来流的情况下,非牛顿流体中两维物体驻点附近非定常边界层流动,并应用同伦分析方法首次给出该问题在整个时间区域和空间区域都一致有效的级数解,而且分析了非牛顿流体不同的幂律指数对该流动的影响.最后,我们首次将同伦分析方法应用于与海洋工程密切相关的非线性波流相互作用问题.第十二章中,我们应用同伦分析方法求解了均匀来流与非线性深水波的相互作用,给出了该问题精确的级数解,得到无因次波速与波高、流速的理论解,并进行了非线性波、流相互作用的物理试验,级数解与实验数据吻合良好. 上述工作表明,同伦分析方法是一种适用范围宽广、普遍有效的求解非线性问题的工具,不仅可求解具有多解的非线性问题、非定常的非线性问题、与海洋工程密切相关的非线性波流相互作用等问题,甚至可发现用其他解析方法和数值方法都不曾得到的新解.该方法可望在工程和科学中得到更加广泛的应用.

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