工程流體力學(xué)

前言

　　流體力學(xué)是人類在利用流體過程中逐步創(chuàng)建的一門學(xué)科，它的發(fā)展始終與人類的生產(chǎn)實(shí)踐緊密相連。從水利工程中的大壩建設(shè)到土建施工中的給水、排水、采暖、通風(fēng)；從機(jī)械工業(yè)中的液壓傳動(dòng)、潤(rùn)滑冷卻到動(dòng)力工程中的各類熱工機(jī)械；從金屬冶煉中金屬的熔融到石化工業(yè)中油、氣、水的流動(dòng)；從飛機(jī)、導(dǎo)彈在空中的飛行到船舶、潛艇在水中的航行；從海洋中的波浪、潮汐到大氣環(huán)流，只要涉及流體的流動(dòng)和流體與固體的相互作用，都離不開流體力學(xué)的知識(shí)。因此，流體力學(xué)在水利、機(jī)械、動(dòng)力、化工、石油、土建、冶金、航空、航海、氣象、環(huán)境等工程技術(shù)中，都有廣泛的應(yīng)用．在這些專業(yè)中，都把流體力學(xué)作為主干技術(shù)基礎(chǔ)課程?！　￠L(zhǎng)期以來(lái)，我國(guó)高等教育受計(jì)劃經(jīng)濟(jì)影響，專業(yè)劃分過細(xì)。與此相對(duì)應(yīng)，已有的工科類流體力學(xué)教材大多是圍繞各專業(yè)需要分別編寫的，課程體系過分強(qiáng)調(diào)為專業(yè)服務(wù)，對(duì)流體力學(xué)的基本理論和基本方法介紹不夠。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)體制由計(jì)劃經(jīng)濟(jì)向社會(huì)主義市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)變，各高校紛紛拓寬專業(yè)口徑，減少專業(yè)設(shè)置，加強(qiáng)對(duì)學(xué)生基本理論的教育和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。本教程正是為適應(yīng)我國(guó)高等教育的這一歷史性轉(zhuǎn)變而編寫的，力求反映“高等教育面向21世紀(jì)教學(xué)改革計(jì)劃的成果，與國(guó)際上流體力學(xué)的發(fā)展趨勢(shì)一致，做到突出重點(diǎn)、強(qiáng)化基礎(chǔ)、聯(lián)系實(shí)際、學(xué)以致用．其特點(diǎn)是：　　1．突出流體力學(xué)三種基本分析方法（即控制體分析、微分分析、量綱分析）的介紹。讓讀者通過舉一反三，掌握流體力學(xué)的基本分析方法和基本理論?！　?．采用知識(shí)點(diǎn)互補(bǔ)對(duì)比的編排方式．即通過黏流與無(wú)黏流、內(nèi)部流動(dòng)與外部流動(dòng)、可壓縮流與不可壓縮流等內(nèi)容的對(duì)比分析，使讀者對(duì)各種流態(tài)的條件、特點(diǎn)以及流動(dòng)規(guī)律有較深入的了解，為應(yīng)用這些基本理論分析、解決實(shí)際問題打下基礎(chǔ)?！　?．將簡(jiǎn)單的工程應(yīng)用實(shí)例穿插進(jìn)教學(xué)內(nèi)容．讓讀者得到分析、計(jì)算工程問題的訓(xùn)練，培養(yǎng)工程應(yīng)用能力?！　?．將應(yīng)用計(jì)算機(jī)求解流體力學(xué)問題引入教學(xué)內(nèi)容。除專門列出一章簡(jiǎn)單介紹計(jì)算流體力學(xué)的方法外，還在其他章節(jié)內(nèi)穿插一些計(jì)算機(jī)解題框圖，使讀者受到用計(jì)算機(jī)求解流體力學(xué)問題的基本訓(xùn)練，提高計(jì)算機(jī)應(yīng)用能力?！　”緯蓺w柯庭（第三，四，六，七章）、汪軍（第八，九，十章）、王秋穎（第一，二，五章）編寫，由歸柯庭統(tǒng)稿。南京理工大學(xué)袁亞雄教授詳細(xì)審閱了本書并提出了許多寶貴意見，在此深表謝意?！　∠抻诰幷咚?，書中肯定有錯(cuò)誤和不妥之處，懇請(qǐng)讀者批評(píng)指正?！　【幷?/pre>


內(nèi)容概要
　　本書是工科大學(xué)使用的流體力學(xué)教材，它力求反映“高等教育面向21世紀(jì)教學(xué)改革計(jì)劃”的成果，與國(guó)際發(fā)展趨勢(shì)一致，突出重點(diǎn)，強(qiáng)化基礎(chǔ)，聯(lián)系實(shí)際，學(xué)以致用。其主要內(nèi)容有流體物理性質(zhì)，流體靜力學(xué)，流動(dòng)特性，動(dòng)力學(xué)分析基礎(chǔ)，量綱分析與相似原理，不可壓縮黏性流體的內(nèi)部、外部流動(dòng)、無(wú)黏流動(dòng)，可壓縮流體的流動(dòng)，計(jì)算流體力學(xué)等，每章均附有習(xí)題，供讀者練習(xí)。
《工程流體力學(xué)》可供大學(xué)工科土建、機(jī)械、環(huán)境、能源、動(dòng)力等專業(yè)本科生使用。



書籍目錄
第一章 流體及其物理性質(zhì)
　1.1 流體的定義和特征
　1.2 流體力學(xué)發(fā)展簡(jiǎn)史
　1.3 流體的連續(xù)介質(zhì)假設(shè)
　1.4 國(guó)際單位制
　1.5 流體的密度
　1.6 流體的壓縮性和膨脹性
　1.7 流體的黏性
　1.8 液體的表面張力
　習(xí)題一
第二章 流體靜力學(xué)
　2.1 作用在流體上的力
　2.2 流體平衡微分方程式
　2.3 流體靜力學(xué)基本方程式
　2.4 液柱式測(cè)壓計(jì)
　2.5 流體在非慣性坐標(biāo)系中的相對(duì)平衡
　2.6 靜止流體對(duì)壁面的壓力
　習(xí)題二
第三章 流體流動(dòng)特性
　3.1 流場(chǎng)及其描述方法
　3.2 流體流動(dòng)的速度場(chǎng)
　3.3 流體微團(tuán)的運(yùn)動(dòng)分析
　3.4 黏性流體的流動(dòng)形態(tài)
　3.5 流體流動(dòng)分類
　習(xí)題三
第四章 流體動(dòng)力學(xué)分析基礎(chǔ)
　4.1 系統(tǒng)與控制體
　4.2 雷諾輸運(yùn)定理
　4.3 流體流動(dòng)的連續(xù)性方程
　4.4 理想流體的能量方程
　4.5 不可壓縮理想流體一維流動(dòng)的伯努利方程及其應(yīng)用
　4.6 動(dòng)量定理
　4.7 角動(dòng)量定理
　4.8 微分形式的守恒方程
　4.9 定常歐拉運(yùn)動(dòng)微分方程的積分求解
　習(xí)題四
第五章 量綱分析與相似原理
　5.1 量綱分析
　5.2 相似原理
　5.3 模型試驗(yàn)
　習(xí)題五
第六章 不可壓縮黏性流體的內(nèi)部流動(dòng)
　6.1 流動(dòng)阻力
　6.2 圓管內(nèi)層流
　6.3 平板間的層流
　6.4 管內(nèi)湍流
　6.5 沿程阻力系數(shù)和局部阻力系數(shù)
　6.6 管內(nèi)流動(dòng)的能量損失
　6.7 管路計(jì)算
　習(xí)題六
第七章 不可壓縮黏性流體的外部流動(dòng)
　7.1 邊界層
　7.2 繞平板流動(dòng)邊界層的近似計(jì)算
　7.3 繞曲面流動(dòng)及邊界層的分離
　7.4 黏性流體繞小圓球的蠕流流動(dòng)
　7.5 黏性流體繞流物體的阻力
　習(xí)題七
第八章 不可壓縮流體的無(wú)黏流動(dòng)
　8.1 速度環(huán)量
　8.2 流函數(shù)與速度勢(shì)
　8.3 基本平面勢(shì)流
　8.4 基本平面勢(shì)流的簡(jiǎn)單疊加
　8.5 平行流繞圓柱體的流動(dòng)
　習(xí)題八
第九章 可壓縮流體的流動(dòng)
　9.1 音速與馬赫數(shù)
　9.2 氣體一維定常等熵流動(dòng)
　9.3 噴管中的等熵流動(dòng)
　9.4 有摩擦的絕熱管流
　9.5 超音速氣流的繞流與激波的形成
　9.6 激波前后氣流參數(shù)的關(guān)系
　9.7 噴管在非設(shè)計(jì)工況下的流動(dòng)
　習(xí)題九
第十章 計(jì)算流體力學(xué)簡(jiǎn)介
　10.1 離散化方法
　10.2 流動(dòng)問題數(shù)值求解例
參考答案
參考文獻(xiàn)
中英文術(shù)語(yǔ)對(duì)照表


章節(jié)摘錄
　　第三章 流體流動(dòng)特性　　前兩章，我們分別討論了流體的物理性質(zhì)和流體的靜力學(xué)特性，從本章開始，我們將研究流體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，即流體的動(dòng)力學(xué)特性。作為第一步，本章先討論流體的流動(dòng)特性，內(nèi)容包括流體運(yùn)動(dòng)的流場(chǎng)及其描述方法；流體微團(tuán)的運(yùn)動(dòng)分析；黏性流體的運(yùn)動(dòng)形態(tài)；以及流體流動(dòng)的分類等。希望通過本章的學(xué)習(xí)，能了解流體的流動(dòng)特性，為后面流體動(dòng)力學(xué)特性的學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)。　　3.1 流場(chǎng)及其描述方法　　自然界和生產(chǎn)實(shí)踐中存在著各種各樣的流體流動(dòng)問題。例如江河中水流的流動(dòng)，地面上空氣繞過建筑物的流動(dòng)以及管道內(nèi)液體的流動(dòng)，煙囪里煙氣的流動(dòng)等等。一般而言，我們將流動(dòng)問題中布滿流體質(zhì)點(diǎn)的整個(gè)流動(dòng)空間，統(tǒng)稱為流場(chǎng)。由于流體是由無(wú)限多個(gè)流體質(zhì)點(diǎn)所組成的連續(xù)介質(zhì)，因此，研究流體流動(dòng)就是研究充滿整個(gè)流場(chǎng)的無(wú)限多流體質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)。有兩種不同的流場(chǎng)研究描述方法?！　∫环N是由法國(guó)科學(xué)家拉格朗日（Lagrange）提出的方法。它是通過跟隨每一個(gè)流體質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)來(lái)研究整個(gè)流場(chǎng)。這種方法類似于固體力學(xué)中質(zhì)點(diǎn)動(dòng)力學(xué)的研究方法。在流動(dòng)的流體中有無(wú)限多個(gè)流體質(zhì)點(diǎn)，要用拉格朗日法描述每個(gè)流體質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)就顯得非常困難，因此，這種方法在實(shí)際中很少應(yīng)用。只是當(dāng)前隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，在計(jì)算流體力學(xué)中又有將拉格朗日法重新應(yīng)用的趨勢(shì)?！　×硪环N是瑞士數(shù)學(xué)家歐拉（Euler）提出的方法。它是從流場(chǎng)中各空間點(diǎn)出發(fā)，通過研究經(jīng)過該點(diǎn)的不同流體質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)，來(lái)研究整個(gè)流場(chǎng)。由于在流場(chǎng)中，辨認(rèn)空間點(diǎn)比辨認(rèn)流體質(zhì)點(diǎn)容易，因此，歐拉法在流體力學(xué)中被廣泛采用。　　研究流體流動(dòng)的歐拉描述法和拉格朗日描述法的差別，可通過以下研究鳥類遷徙的生態(tài)學(xué)家的不同觀察方法來(lái)加以對(duì)比。每年冬季到來(lái)前，成千上萬(wàn)只候鳥從北方飛向南方。一部分生態(tài)學(xué)家在一些特選的候鳥腳上，綁上無(wú)線電發(fā)射器，通過接收無(wú)線電信號(hào)了解這些特選候鳥的飛行信息，這相應(yīng)于拉格朗日描述法。另一部分生態(tài)學(xué)家等候在候鳥途經(jīng)的某些特定位置，測(cè)量候鳥通過這些特定位置時(shí)的飛行速率，這相應(yīng)于歐拉描述法?！　?hellip;…








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