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出版者:蓝色畅想

作者:丁祖荣等编著

出品人:

页数:177

译者:

出版时间:2003-12

价格:14.90元

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isbn号码:9787040118568

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流体力学（下册） 内容概要 《流体力学（下册）》是流体力学系列课程的进阶篇，在前一学期《流体力学（上册）》打下的坚实基础上，本册将深入探讨更复杂、更具挑战性的流体运动现象与理论。本册内容聚焦于粘性流的分析、可压缩流体的特性、能量转化与守恒的深层应用，以及多相流、非牛顿流体等特殊流体的行为规律。通过系统化的理论阐述和丰富的工程实例分析，旨在为读者构建一个更为全面、深刻的流体力学知识体系，为后续专业学习与实际工程应用奠定坚实的基础。 第一章 粘性流体的运动方程与边界层理论 本章将从纳维-斯托克斯方程的推导与形式出发，深入剖析粘性力在流体运动中的作用。我们将详细讲解粘性流体运动的连续性方程和动量方程，并探讨不同坐标系下的方程形式及其适用性。 纳维-斯托克斯方程的推导：本节将通过牛顿第二定律和质量守恒定律，在微小流体元上建立粘性流体的运动方程。重点在于理解粘性力的张量形式及其在方程中的体现。 方程的简化与求解：我们将介绍在特定条件下（如低雷诺数、高雷诺数、不可压缩流体等）对纳维-斯托克斯方程进行简化，并探讨解析解和数值解的基本方法。 边界层理论：本节是本章的重点。我们将引入边界层概念，解释当流体与固体表面接触时，粘性作用在边界附近形成的薄层区域。详细推导普朗特边界层方程，并探讨层流边界层和湍流边界层的特性。 层流边界层：介绍相似解法，如普朗特边界层方程的求解，以斯托克斯流动为例，分析层流边界层的厚度、速度分布以及与外流的相互作用。 湍流边界层：阐述湍流边界层的形成原因、湍流混合长度模型，以及雷诺平均纳维-斯托克斯方程（RANS）的引入。介绍经验模型（如普朗特混合长度模型、卡门层流模型）在描述湍流边界层行为中的应用。 边界层分离：分析边界层分离的产生条件、原因（如压力梯度），以及其对流体阻力和流动特性的影响。介绍减缓或抑制边界层分离的工程措施。 工程应用：通过飞机翼型绕流、管道流动阻力、船舶设计中的减阻等实例，说明边界层理论在工程实践中的重要性。 第二章 可压缩流体动力学 本章将转向研究可压缩流体的流动特性，主要关注当流体密度发生显著变化时，其运动规律的特殊性。 可压缩流动的基本概念：引入马赫数（Mach number）作为衡量流体可压缩性程度的关键参数。区分亚声速、跨声速、超声速和高超声速流动的不同区间，并阐述其各自的流动特征。 声速与马赫波：详细讲解声速的产生机理，以及马赫波（Mach wave）的概念，即在超声速流动中，信息传播所形成的斜波。 一维定常可压缩流动： 等熵流动：分析在无粘、无热传递的条件下，可压缩流体的流动特性。推导质量、动量、能量守恒在等熵流动中的形式，并引入诺西马（Nozzle）和扩压器（Diffuser）的工作原理。 斜激波：本节是研究可压缩流动中的一个核心部分。详细讲解斜激波的形成、结构和特性。推导斜激波 relations（斜激波关系式），包括压力、温度、密度和速度在激波两侧的变化。 正激波：在特定条件下（如喉道达到临界马赫数），会形成正激波。分析正激波的特性及其对流场的影响。 二维可压缩流动：介绍特征线法（Method of Characteristics）作为求解二维定常可压缩流动的基本方法，并简要阐述其基本原理。 工程应用：通过火箭发动机喷管设计、超声速飞行器气动布局、气体动力学研究等实例，展示可压缩流体动力学在航空航天、国防等领域的应用。 第三章 流体能量转化与守恒 本章将进一步深入探讨流体运动过程中的能量转化与守恒定律，重点关注伯努利方程的推广与应用，以及能量方程在复杂流动中的应用。 能量方程：建立流体微团的能量平衡方程，考虑了内能、动能、位能以及热量传递和机械功。 伯努利方程的推广与局限性： 全压（Total Pressure）与动压（Dynamic Pressure）：将伯努利方程与动量方程相结合，引入全压的概念。 含损失的伯努利方程：在考虑了粘性摩擦和涡耗等能量损失后，对伯努利方程进行修正，使其能够更好地描述实际流动。 伯努利方程的应用与适用条件：详细分析伯努利方程在计算管道中的压力损失、水轮机和泵的工作原理、喷雾装置设计等方面的应用。强调伯努利方程适用的条件，如不可压缩、无粘、定常流动等。 能量转化在工程中的应用： 水轮机与水泵：分析水轮机将流体势能转化为机械能，以及水泵将机械能转化为流体压力能的工作原理，重点利用能量方程进行分析。 热力循环中的流体：在蒸汽轮机、燃气轮机等热力设备中，流体能量的转化与守恒是核心。分析能量方程在这些设备中的应用，例如计算汽轮机效率、喷气发动机推力等。 流体机械：简要介绍流体机械（如泵、风机、压缩机、涡轮等）的工作原理，并说明能量方程是理解和设计这些设备的基础。 第四章 特殊流体的流动机理 本章将拓展流体力学的研究范围，探讨多相流和非牛顿流体等特殊流体的流动特性。 多相流： 多相流的定义与分类：介绍多相流是由两种或两种以上不同相（固-液、液-液、气-液、固-气等）组成的流体混合物。根据相态和分布，将其分为分散相和连续相。 多相流的流动机理：分析不同相之间的相互作用，如相间传质、传热、动量传递等。介绍常用的多相流模型，如欧拉-欧拉模型（两相各自建立方程）和欧拉-拉格朗日模型（一种相作为连续介质，另一种相作为离散粒子）。 多相流的工程应用：讨论多相流在石油开采（油气水混合物输送）、化工反应器（气泡塔、流化床）、环保（烟气脱硫）等领域的实际应用。 非牛顿流体： 非牛顿流体的定义与分类：与牛顿流体不同，非牛顿流体的剪应力与剪切速率之间不是线性关系。介绍剪切稀化流体（如油漆）、剪切增稠流体（如淀粉溶液）、宾汉塑性流体（如牙膏）等不同类型的非牛顿流体。 非牛顿流体的本构方程：介绍描述非牛顿流体剪应力与剪切速率关系的本构方程，例如幂律模型、宾汉模型等。 非牛顿流体在工程中的应用：分析非牛顿流体在食品加工（如酱料、巧克力）、生物医学（血液流动）、地质学（岩浆流动）等领域的流动特性。 流体界的相互作用：简要探讨液体与固体界面（如润湿、毛细现象）以及液体与气体界面（如表面张力、气泡溃灭）的力学行为。 第五章 流体流动控制与应用 本章将聚焦于流体流动控制的原理与方法，以及流体力学在更广泛工程领域的应用。 流动控制技术： 主动流动控制：介绍通过外部能量输入来改变流体流动状态的技术，如吹吸流（blowing and suction）、等离子体激励（plasma actuation）、脉冲射流（pulsed jets）等。 被动流动控制：介绍利用物体几何形状或表面特性来改变流体流动的方法，如光滑化、粗糙化、涡流发生器（vortex generators）等。 流动控制的目的：阐述流动控制的目标，如减阻、增升、抑制分离、降低噪音、改善传热等。 流体力学在不同工程领域的应用： 航空航天工程：除了前述的翼型设计、喷气发动机，还将涉及飞行器气动噪声、燃烧稳定性、空间站流体管理等。 土木与环境工程：如桥梁、建筑物风载分析，河流、湖泊水动力学，污染物扩散模型，水利工程设计（大坝、明渠）等。 生物医学工程：如血液循环动力学，呼吸系统流体动力学，微流控技术在生物分析中的应用。 海洋工程：如船舶与海洋平台的水动力学性能，波浪与结构的相互作用。 能源工程：如风力发电，潮汐能利用，地热能开发中的流体流动问题。 计算流体力学（CFD）简介：简要介绍计算流体力学作为一种强大的数值模拟工具，在解决复杂流体问题中的作用，包括其基本原理（离散化、求解器）和在工程设计中的应用。 通过以上五个章节的学习，《流体力学（下册）》将系统地引导读者深入理解粘性流、可压缩流、能量转化以及特殊流体的行为规律。本书不仅强调理论的严谨性，更注重其在解决实际工程问题中的应用，旨在培养读者分析和解决复杂流体力学问题的能力，为未来的专业发展打下坚实基础。

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这本书的排版和细节处理，体现了编辑团队的专业素养和对读者的尊重。我特别留意了插图和公式的质量，这是理工科教材的生命线。我可以负责任地说，《流体力学.下册》在这方面做得非常出色。线条图清晰锐利，矢量场的表示准确无误，颜色编码的梯度图层次分明，即便是面对复杂的边界层分离或旋涡结构，也能一眼看出关键的物理现象所在。更赞的是，书中的许多经典算例——比如翼型绕流的压力分布图、管道内非牛顿流体的剪切速率曲线——都标注了详细的实验参考值或高精度数值模拟结果作为对比。这种严谨性让人感觉作者是在“对话”读者，而不是单方面灌输知识。有时候，我甚至会拿着书本上的图表，对照自己用CFD软件跑出的结果进行比对，发现书中的理论预测与仿真结果吻合得惊人地好。这种对准确性的坚持，是判断一本专业教材是否值得信赖的重要标准，而这本书无疑达到了顶尖水平。

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哇，这本《流体力学.下册》简直是物理学习者的救星！我最近在攻克复杂流体运动的难题，市面上很多教材要么过于理论化，公式推导让人望而却步，要么就是实例陈旧，跟不上现代工程的需求。但是这本书，简直是把深奥的知识用最直观的方式呈现出来了。它在处理湍流模型那部分，简直是教科书级别的讲解。作者没有满足于简单的雷诺平均纳维-斯托克斯（RANS）方程的罗列，而是深入剖析了不同湍流模型（比如$k-epsilon$和$SST omega$）的物理假设和适用边界。尤其让我印象深刻的是关于大涡模拟（LES）的介绍，它不仅清晰地解释了亚格子尺度的建模，还配有大量精妙的图示，展示了能量级串中不同尺度对宏观流动的影响。读完这部分，我对湍流的理解瞬间提升了一个层次，不再是死记硬背公式，而是真正理解了背后流体不稳定性演化的本质。对于想从事航空航天或者水利工程研究的人来说，这本书提供的理论深度和工程实践的结合度是其他同类书籍难以企及的。它真的让我感觉，那些曾经遥不可及的复杂流场分析，似乎触手可及了。

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这本书的参考书目和附录部分，同样展现了其深厚的学术底蕴。很多专业教材的附录往往只是简单罗列几个不常用的公式，或者放一些读者不太需要的常数表。但这本《流体力学.下册》的附录，简直是一份精炼的“流体力学工具箱”。其中包含了对张量分析的快速回顾，对于不熟悉微分几何的读者来说是巨大的福音。更值得称道的是，它提供了一份详尽的、经过校验的常见流体性质数据库，涵盖了从标准空气到高温蒸汽，甚至是一些常见聚合物熔体的粘度随温度变化的拟合公式。这些数据对于进行实际的工程计算非常有帮助，省去了我大量在网上搜索和交叉验证的时间。此外，它还引用了近十年内顶尖期刊上的几篇关键性论文，并附上了简短的评述，这为希望深入研究特定分支（比如微尺度流动或超音速激波结构）的读者指明了清晰的进阶方向。这本书不仅是学习的工具，更像是一位经验丰富的导师，指引着学术探索的道路。

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坦白讲，我之前对流体力学这门学科抱有一种“畏惧感”，总觉得它是一个庞大而难以驾驭的知识体系。阅读其他教材时，经常出现知识点之间逻辑跳跃，上一章还在讲伯努利方程，下一章突然就跳到了复杂的边界积分方程，让人措手不及。但翻开《流体力学.下册》后，这种感觉完全消失了。作者的叙述逻辑就像是精心铺设的阶梯，每一步都建立在前一步的基础上，过渡自然得令人赞叹。特别是从粘性流体基础理论转向更高等的非线性方程组时，作者没有直接给出复杂的数学推导，而是先通过一个巧妙的物理模型（比如，模拟一个小区域内的流线扰动）来“预示”出更高阶项的出现，然后再引入应力张量和纳维-斯托克斯方程的完整形式。这种“先见其形，再探其理”的教学方法，极大地降低了读者的心理门槛，使得那些原本令人头疼的微分算子变得可以理解和掌握。

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作为一名长期在化工领域工作的人员，我对反应器设计中的多相流问题尤为关注。通常，教科书在处理气-液或固-液两相流时的章节，常常是蜻蜓点水，要么只讲欧拉-欧拉模型，要么就是过于侧重于单一的颗粒拖曳力计算。然而，这本《流体力学.下册》在非均相流体部分的处理简直是惊喜。它系统地介绍了相间动量、能量和质量传递的耦合方程组，并且没有回避复杂的界面动力学问题，比如气泡的破碎与聚并、液滴的剪切变形等。作者花了大量篇幅讨论了界面张力的影响在不同尺度下的量纲分析，这对于理解微反应器和分散体系的稳定性至关重要。我尤其欣赏它对“有效介质理论”和“拉格朗日随机行走模型”的比较分析，它们各自的应用场景和局限性被剖析得极为透彻，这为我在实际工艺放大过程中选择合适的模型提供了坚实的理论支撑。这本书绝对不只是停留在基础层面，它直接面向了工业应用中的前沿挑战。

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