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出版者:化学工业

作者:张耀先

出品人:

页数:223

译者:

出版时间:2005-7

价格:24.00元

装帧:

isbn号码:9787502570569

丛书系列:

图书标签:

• 水力学
• 流体力学
• 水工学
• 工程流体
• 流体机械
• 水资源
• 管道水力
• 水动力学
• 计算水力学
• 水利工程

《流体力学基础与应用》 内容简介 本书系统而深入地探讨了流体力学的基本原理、分析方法及其在工程实践中的广泛应用。作为一门涵盖范围极广的学科，《流体力学基础与应用》旨在为读者，无论是土木、机械、航空航天领域的学生还是资深工程师，提供一个坚实而全面的理论框架和实用的解决问题的工具箱。全书内容编排遵循从宏观到微观，从理论到实践的逻辑递进路线。 第一部分：流体力学的基本概念与流体静力学 本部分首先引入流体力学的基本研究对象——流体，详细界定了牛顿流体与非牛顿流体，并阐述了流体运动的描述方法，包括拉格朗日观点和欧拉观点。重点阐述了流体微团的运动学特性，如线、面、体膨胀率以及旋度等，为后续的动力学分析奠定基础。 随后，本书深入讲解了流体静力学。通过考察流体在平衡状态下的特性，推导了静水压力随深度变化的规律，即帕斯卡定律。讨论了不同介质中压力的测量方法，并详细分析了作用在平面和曲面上的静水总压力、压力中心以及浮力、浮心和稳性问题。特别地，本部分包含了对潜水器设计中浮力控制至关重要的浮力矩计算和分析。 第二部分：流体运动的描述与控制方程 本部分是全书理论核心。从物质导数、连续性原理出发，系统推导了描述流体运动的三个基本守恒定律的微分形式： 1. 连续性方程（质量守恒）： 阐述了流体体积内质量的增加率与通过边界的净质量通量之间的关系。 2. 动量方程（牛顿第二定律的推广）： 推导了纳维-斯托克斯（Navier-Stokes, N-S）方程，该方程是描述粘性流体运动的基石。本部分会区分无粘流体（欧拉方程）和粘性流体（N-S方程）的适用性，并针对特定简化情况（如恒定流、不可压缩流）进行解析求解。 3. 能量方程： 基于热力学第一定律，建立了描述流体温度和能量变化的方程，考虑了机械能、热能以及粘性耗散的影响。 针对复杂流动，本书还引入了流函数（Stream Function）和速度势函数（Velocity Potential），并讨论了流线、迹线和中线之间的区别与联系。 第三部分：粘性流动的基本理论与边界层 本部分聚焦于粘性流体流动，这是工程应用中最常见且最复杂的领域。 粘性应力与流变学： 详细解释了牛顿内摩擦定律，定义了粘度，并引入了应力张量和速率张量，为N-S方程的具体应用打下基础。 流动分类： 区分了层流（Laminar Flow）和湍流（Turbulent Flow），并引入雷诺数（Reynolds Number, Re）作为判断流动状态的关键无量纲参数。 边界层理论： 阐述了普朗特边界层理论的物理图像，即速度梯度集中在紧贴壁面的薄层内。对平板上的二维层流边界层流动，详细推导了斯托克斯方程和普朗特输运方程，并使用积分法（如普朗特-布劳修斯方法）求解了边界层厚度、位移厚度、动量厚度及摩擦阻力系数。 湍流基础： 概述了湍流的统计特性、平均化方法（雷诺平均N-S方程）以及湍流模型的基本思想，例如零阶模型（如代数模型）和一阶模型（如 $k-epsilon$ 模型）。 第四部分：不可压缩流动的基本解与工程应用 本部分将理论应用于常见的工程流动问题： 管内流动： 深入分析了圆管中的层流和湍流。推导了充分发展层流的Hagen-Poiseuille公式。对于湍流，引入了达西-韦斯巴赫公式，并结合莫迪（Moody）图，详细讲解了沿程水头损失、局部水头损失的计算方法，以及管路系统设计中的阻力分析。 流体阻力与升力： 探讨了流体绕过物体（如平板、球体、翼型）时产生的阻力（摩擦阻力和压差阻力）和升力。讲解了伯努利原理在机翼升力分析中的应用，以及流体动力系数的物理意义。 相似律与量纲分析： 重点介绍白金汉$pi$定理，如何通过无量纲化将复杂的物理问题简化，指导实验设计和模型试验的相似性判断。 第五部分：可压缩流动的初步探讨 尽管本书侧重于低速（不可压缩）流体，但本部分提供了可压缩流动的基本概念，特别是针对气体流动： 基本概念： 介绍了声速、马赫数（Mach Number, Ma），并根据马赫数将流动划分为亚声速、跨声速、超声速和高超声速流动。 等熵流动： 详细分析了等熵流动的基本关系，包括压力、密度、温度与速度之间的关系。 正激波与斜激波： 引入了雷诺-休格姆（Rayleigh-Hugoniot）关系，分析了正激波对流场参数的突变影响，并概述了斜激波在超声速气动外形设计中的应用。 总结 《流体力学基础与应用》以严谨的数学推导和丰富的工程实例相结合，致力于培养读者运用流体力学原理分析和解决实际工程问题的能力。书中配有大量例题和课后习题，旨在加深对核心概念的理解，确保读者能够掌握从理论分析到数值模拟（概念层面）的完整知识体系。本书结构清晰，内容详实，是流体力学学习与研究的优秀参考书。

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老实说，这本书的阅读体验非常“硬核”，它不是那种能让你在咖啡馆里轻松翻阅的读物，它需要你全神贯注，最好是身边还放着计算器和草稿纸。我最看重的是它在处理“紊流”和“边界层”理论时的那种近乎偏执的细致。作者非常到位地介绍了雷诺数的物理意义，并将其与层流、过渡流、全紊流状态的变化规律紧密结合。书中对湍流脉动和统计特性的描述，让我第一次理解了水流的随机性如何被数学工具所驯服。在讨论压力损失时，它详尽地对比了不同类型的局部阻力系数，并给出了大量查表和经验公式的来源，这在实际进行管网设计时，简直是救命稻草。它没有回避那些复杂和难以精确求解的问题，而是坦诚地指出当前理论的局限性，并推荐了最实用的近似方法。这种实事求是的态度，让我在面对真实世界中那些不完美的工程问题时，感到更有底气和操作性。

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阅读《水力学》的过程，像是在攀登一座知识的高峰，山顶的风光确实壮丽，但攀爬的过程却充满了挑战。这本书在处理“非恒定流”问题时展现出的数学功底令人佩服。例如，它对圣维南方程组的推导和求解方法进行了详尽的介绍，这对于进行洪水演算和堤坝溃决模拟至关重要。作者没有直接跳到数值解，而是首先从理论上论证了双曲型偏微分方程的特性，这为我理解有限差分法的选择提供了坚实的理论后盾。虽然对某些高等数学工具的依赖度很高，可能会让基础稍弱的读者感到吃力，但正是这种对数学基础的坚持，保证了其结论的可靠性。这本书的结构非常严谨，每一章的知识点都是层层递进、互为支撑的，几乎找不到可以随意跳跃阅读的地方。它真正教会我的，是如何像一个真正的工程师那样去思考：从现象观察，到建立模型，再到应用工具进行定量分析和预测。

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这本书给我的整体感受是，它更像是一本“工具箱”而非“故事书”。它系统地整理了人类在水流控制领域积累的各种成熟技术和理论框架。我对其中关于“水轮机水力设计基础”的章节印象深刻。虽然篇幅不长，但它精准地介绍了比转速的概念，以及如何根据水头的不同选择冲击式水轮机还是反击式水轮机。这种将基础流体力学与具体机械设计完美结合的能力，是很多纯理论书籍所不具备的。此外，书中关于“空蚀现象”的讨论也极其专业和到位，不仅分析了空泡的形成和溃灭过程，还直观地展示了空蚀对叶轮表面的损伤后果，配图非常具有警示性。对我这种需要将理论知识转化为实际操作指导的人来说，这种手册式的实用价值极高。虽然有些早期的数据和图表可能略显陈旧，但其核心原理的普适性是无可替代的。

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这本《水力学》读起来，我感觉自己像个初次踏入一个宏大而神秘的工程殿堂的新手学徒。书中的理论阐述得非常清晰，从流体的基本性质到流态的分析，每一步都像是精心铺设的阶梯，引导着我对水流行为的理解。尤其让我印象深刻的是它对动量方程和能量方程在管道流动中的具体应用。作者没有停留在抽象的公式堆砌上，而是用大量的实际工程案例来佐证这些原理。比如，讲解水锤现象时，那种突如其来的压力波对整个管网系统的潜在破坏力，通过图文并茂的解析，让人在感到震撼之余，也对精确控制流速和截面变化的重要性有了更深刻的体会。书中的图示清晰易懂，即便是涉及复杂流线和边界条件的复杂问题，通过那些精心绘制的剖面图和矢量图，也能迅速抓住问题的核心所在。我特别喜欢它在“明渠均匀流”部分对曼宁公式的引入和推导过程，那种严谨的逻辑链条，让人在应用公式时，不再仅仅是机械地代入数值，而是真正理解了粗糙度和坡度是如何影响水流效率的。这本书的深度和广度兼顾得恰到好处，为我后续深入研究水工结构设计打下了极其坚实的基础。

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拿起这本书，我立刻被它那种老派但扎实的学术气息所吸引。它不像某些当代教材那样追求花哨的排版或者过于简化的结论，而是带着一种对科学本质的敬畏，将每一项基础概念都掰开揉碎了讲。我尤其欣赏它对“相似理论”和“量纲分析”的深度剖析。这部分内容常常是许多学习者感到枯燥和晦涩的，但在这本书里，作者通过引入大量的物理模型试验的例子——比如船模测试、坝体渗流模型的缩小比例——向我们展示了如何从宏观的试验结果反推出真实工程的性能。这种从具体到抽象，再从抽象回归具体的思维路径，极大地锻炼了我的工程直觉。读到后面关于渗流和地下水运动的章节时，那种仿佛能“看见”地下水流动的网格图和等势线图，真的有种拨云见雾的感觉。虽然有些地方的数学推导步骤略显繁琐，需要反复琢磨，但这正是它价值所在——它强迫你不能跳过任何一个逻辑断点，确保你对每一个结论的来源都了然于胸。对于追求深度和严谨性的读者来说，这本书无疑是一座宝藏。

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