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出版者:西南交通大学出版社

作者:黄儒钦

出品人:

页数:174

译者:

出版时间:2006-9

价格:16.00元

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isbn号码:9787811042849

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机械工程中的流体力学基础：原理、应用与前沿探索 内容提要： 本书深入探讨了机械工程领域中流体力学的基本原理、经典理论及其广泛应用。全书结构严谨，内容涵盖了从流体力学基本概念、流体静力学、运动学到流体动力学的核心知识体系。特别侧重于粘性流体的运动特性、边界层理论、湍流现象的描述与控制，以及在实际工程问题中的数值模拟方法。本书不仅阐述了伯努利方程、纳维-斯托克斯方程等基础理论，还详细介绍了动量积分法、相似律在工程缩尺设计中的应用，并对现代工程中至关重要的计算流体力学（CFD）进行了系统的介绍。旨在为读者建立扎实的理论基础，并提升解决复杂工程流动问题的能力。 --- 第一部分：流体力学基础与流体静力学 本书伊始，首先建立了流体力学作为工程科学的基础地位，明确了其研究对象、基本假设和研究方法。我们将流体定义为在剪切应力作用下会发生连续变形的物质，并区分了牛顿流体与非牛顿流体。 1.1 物质点概念与流体运动描述 本章详细介绍了描述流体运动的两种主要方法：拉格朗日描述（追踪单个流体质点）和欧拉描述（考察空间中固定点的流动状态）。通过引入流场、速度场、加速度场等基本概念，读者将掌握如何利用矢量场来精确刻画流体的时空特性。我们深入讨论了流场的分类，包括定常流与非定常流、均匀流与非均匀流、一维流与多维流。 1.2 运动学分析 运动学是理解流体如何运动的前提。本节重点分析了流体的变形。流体变形主要包括体积变化（可压缩性）和形状变化（剪切变形）。我们引入了应变率张量，并详细推导了旋转率和平均速率的物理意义。特别是对二维和三维流动，我们阐述了流线、迹线和层流线的概念及其数学表达，这对于可视化和分析复杂流动轨迹至关重要。 1.3 流体静力学 尽管流体静力学研究的是静止流体的平衡问题，但它是理解压强概念和应用的基础。本章推导了静力学基本方程——帕斯卡定律，并基于流体密度和重力场，导出了液体内部压强的深度关系式。我们重点分析了曲面上作用的流体总力和流心位置的确定方法，这在水工结构、船舶稳性计算中具有直接的应用价值。同时，对表皮压力和表压的区分与转换，以及利用皮托管和压力传感器进行压强测量的工程实践也进行了介绍。 --- 第二部分：流体动力学基本方程与分析 本部分是全书的核心，将流体力学的物理定律转化为可解的数学方程，这是进行定量分析的基石。 2.1 质量守恒：连续性方程 质量守恒定律在流体运动中的体现即为连续性方程。本书从雷诺输运定理出发，推导了连续性方程在不同坐标系（笛卡尔、柱坐标、球坐标）下的形式。对于不可压缩流体，我们着重强调了速度场的散度为零的物理含义，即流体的“量”在流动中保持不变。 2.2 动量守恒：牛顿第二定律与纳维-斯托克斯方程 这是分析流体运动力的关键。本章首先应用牛顿第二定律推导了适用于粘性流体的动量方程——纳维-斯托克斯（Navier-Stokes, N-S）方程。我们详细分解了方程中各项的物理意义：惯性力项、压力梯度项、粘性应力项和外力项。随后，对牛顿流体和非牛顿流体的粘性项形式进行了对比。特别地，我们推导并讨论了欧拉方程（理想流体）在保守力场下的积分形式——伯努利方程，并明确了伯努利方程在实际工程应用中的局限性（如考虑摩擦损失）。 2.3 能量守恒与热力学 针对涉及温度变化的流动问题，本章引入了能量方程。基于第一定律，我们推导了流体的能量方程，其中包含了对流项、导热项和粘性耗散项。对于等温和绝热流动，我们简化了方程，并讨论了等熵流动条件下的热力学关系，这在压缩性流动（如喷管流动）分析中至关重要。 --- 第三部分：粘性流动的特殊现象与简化模型 现实工程中的流动几乎都是粘性流动，本部分专注于处理粘性流带来的复杂性。 3.1 相似律与量纲分析 在无法直接求解复杂的N-S方程时，工程上常采用相似律进行缩尺实验或模型验证。本章系统介绍了π定理（Buckingham $pi$ Theorem），指导读者如何通过量纲分析构建无量纲参数。我们重点分析了以下关键无量纲数及其物理意义： 雷诺数（Re）：惯性力与粘性力的比值，是判断流动状态（层流/湍流）的关键指标。 弗劳德数（Fr）：惯性力与重力（波浪力）的比值，在船舶和开敞渠道流动中至关重要。 马赫数（Ma）：流动速度与声速的比值，用于区分亚音速、超音速流动。 3.2 边界层理论与摩擦阻力 边界层理论是简化粘性流动分析的里程碑。本章详细阐述了边界层的形成机理，即在固体壁面附近，速度梯度急剧变化区域。我们引入普朗特对N-S方程的简化，并应用布劳修斯（Blasius）的相似解法求解平板上的层流边界层，计算了沿程摩阻系数。此外，我们还介绍了动量积分法在估算分离点和摩擦阻力方面的应用。 3.3 湍流流动描述 湍流因其高度随机性、三维性和非定常性，是机械工程中最具挑战性的流动现象之一。本书引入了雷诺时均化方法，将瞬时速度分解为平均值和脉动值。我们导出了雷诺应力项，并讨论了湍流模型（如 $k-epsilon$ 模型、 $k-omega$ 模型）在封闭湍流方程中的作用，这些模型是后续计算流体力学分析的基础。 --- 第四部分：工程应用与现代方法 本部分将理论知识应用于具体的工程场景，并介绍了解决现代复杂流场问题的工具。 4.1 管内流动与局部阻力 详细分析了圆管内充分发展层流（Poiseuille流）的精确解和湍流区的经验关系。对于实际管道系统，我们着重讨论了局部阻力（如弯管、阀门、突然收缩/扩张）的计算，引入了局部阻损的等效长度法和阻力系数法，这是暖通空调和化工流程设计的基础。 4.2 动量与能量在机械设备中的应用 本章将动量积分法推广到机械设备中，用于分析射流与叶轮的相互作用。重点分析了泵、风机等旋转机械中，流体与固体交界面上的动量交换过程。能量分析则聚焦于流体通过热交换器和管道系统时的能量损失和转换效率评估。 4.3 计算流体力学（CFD）简介 鉴于现代工程对高精度流场分析的需求，本书末尾系统介绍了计算流体力学（CFD）的基本流程：前处理（网格生成）、求解器（离散化方法，如有限体积法）和后处理。我们阐述了如何利用CFD技术，针对复杂的几何形状（如汽车外形、涡轮叶片）和多物理场耦合问题（如流固耦合）进行数值模拟，以指导产品优化设计。 总结： 本书旨在提供一个全面、深入且工程导向的流体力学知识体系，帮助读者从宏观的物理概念过渡到微观的数学描述，并最终掌握利用现代工具解决实际工程挑战的能力。全书的推导过程清晰，配有丰富的工程实例和图示，是机械、航空航天、土木等相关专业本科高年级及研究生阶段的理想教材或参考用书。

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这本书在对流体物理现象进行定性描述方面的功力，是其他同类书籍难以企及的。它不仅仅是关于水在管道或河道中流动的“力学”问题，更是对“水体行为”的深刻洞察。举个例子，书中对空化现象的描述，细致入微地探讨了压强波动如何引发微观气泡的产生、增长和溃灭，以及这种溃灭对结构材料造成的微射流冲击力。作者在讲解这些现象时，引用了大量实验数据和显微图像作为佐证，这使得原本非常抽象的物理过程变得触手可及。我尤其欣赏作者对“能量守恒”和“动量守恒”在不同尺度和复杂介质中如何具体体现的探讨，它没有停留在表面的公式罗列，而是深入到微观的剪切应力和粘滞耗散机制中去。阅读这本书的过程，更像是一次对水在自然界和工程设备中“生命周期”的哲学思考，它培养了读者对流体行为的直觉和敏感性，而这种直觉是单纯的数值计算所无法给予的。

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说实话，初次翻开这本书时，我有些被其详尽的图表和大量的实例所震撼。它的实用性简直是超乎想象，完全不像某些理论著作那样高高在上、脱离实际。我记得在处理一个涉及到渠道过流和水库泄洪曲线的工程问题时，我卡住了好几天，直到翻到书中关于非常态流动的章节，作者用非常直观的图解和配套的案例数据，清晰地展示了如何运用特征线法来求解这种非恒定流问题。这种将抽象数学工具与具体工程场景完美结合的能力，是这本书最大的亮点之一。我特别喜欢作者在介绍每一种计算方法时，都会附带一个“工程局限性分析”，这非常关键，它提醒我们，任何数学模型都是对现实的简化，了解其适用范围比记住公式本身更重要。这本书的排版也做得相当出色，公式的推导步骤清晰，图表的清晰度极高，即便是长时间阅读也不会感到视觉疲劳。对于需要大量进行水利设计和水文分析的专业人士来说，这本书与其说是教材，不如说是一本随时可以查阅的“问题解决手册”。

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这本书的组织结构有一种古典的严谨美感，它不像现代某些教材那样追求最新的数值模拟方法，而是非常扎实地立足于基础的物理定律和成熟的分析方法。我发现它在处理水面线和渠道的稳定、非稳定流动时，对“临界深度”和“水深关系”的阐述逻辑清晰、层层递进，每一步的推理都建立在前一个结论之上，给人一种无懈可击的感觉。特别是关于梯级水库的能量传递与水头损失的分析，作者巧妙地引入了局部水头损失系数的概念，并结合水力学中的常见损失模型（如弯道、闸门等）进行了系统的整理和比较。这种系统化的梳理，极大地降低了我在面对不同结构物设计时的参照难度。它更像是一部经典的“工具箱”，里面的工具都是经过时间考验的可靠工具，虽然可能没有最新的“电动工具”那样快速，但其精度和可靠性是无可替代的。对于希望建立稳固理论框架的专业人士来说，这种对经典理论的深度挖掘和系统呈现，是至关重要的。

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这部书给我留下了极其深刻的印象，尤其是它在理论深度上的构建，简直就像是为那些真正想吃透水动力学核心的工程师和学生量身定做的。我记得最清楚的是它对纳维-斯托克斯方程在特定边界条件下的简化和解析解的探讨，那部分内容的处理极其细腻和严谨。作者显然没有满足于给出标准公式，而是深入挖掘了这些模型背后的物理意义，比如湍流边界层中的粘性底层和惯性区是如何通过无量纲化参数精确描述的。书中对伯努利方程的推广和应用场景的讨论，也远超出了教科书的范畴，它不仅告诉你“是什么”，更引导你去思考“为什么在某些复杂工程条件下，最简单模型失效，而更复杂的模型如何修正”。我个人非常欣赏它在阐述复杂概念时所采取的循序渐进的逻辑链条，即便是初次接触高阶流体力学概念的读者，只要投入足够的精力，也能逐渐构建起完整的知识体系。这种对基础原理的敬畏和对深入探究的坚持，使得这本书在众多流体力学著作中脱颖而出，成为了一本值得反复研读的参考书。它教会我的不仅仅是计算方法，更是如何像一个真正的流体力学专家那样去思考问题，去审视流体运动的内在规律。

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坦率地说，这本书的难度曲线是比较陡峭的，它绝不是那种可以轻松翻阅的入门读物。对于只有基础流体力学背景的读者来说，前几章可能需要投入大量时间来消化那些建立模型的假设和前提。尤其是关于明渠水流的紊流结构分析部分，涉及到的统计学工具和随机过程的概念运用得非常娴熟，这要求读者必须具备扎实的数学基础。我花了很长时间才真正理解书中对于“摩阻因子”随雷诺数变化的复杂非线性关系是如何通过经验公式和理论推导相结合来确定的。然而，正是这种挑战性，让这本书的价值倍增。它迫使你走出舒适区，去面对真正的工程难题中那些“不完美”的数据和“模糊”的边界条件。这本书的价值，体现在它能够将一个有志于在水利、岩土或海洋工程领域深耕的读者，从一个“会算”的水平，提升到一个“能解决实际复杂问题”的境界，其间的跨越是巨大的。

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