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出版者:中国水利水电出版社

作者:刘树红

出品人:

页数:225

译者:

出版时间:2007-11

价格:46.00元

装帧:

isbn号码:9787508445564

丛书系列:

图书标签:

• 水力机械
• 流体力学
• 水轮机
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现代工程流体力学导论：从基础原理到前沿应用 书籍简介 本书旨在为工程技术人员、科研人员及高年级本科生提供一套全面、深入且与时俱进的流体力学知识体系。不同于侧重于特定设备如水泵、水轮机等的专著，《现代工程流体力学导论》将视角拓展至工程领域中流体运动的普适性规律与新兴技术应用。全书结构严谨，内容覆盖从宏观现象到微观机制的多个层面，强调理论分析与工程实践的紧密结合。 --- 第一部分：流体力学基础与连续介质假设 本部分奠定坚实的理论基石，系统梳理流体力学分析所依赖的基本概念、定律与数学工具。 第一章：流体力学的基本概念与描述方法 本章首先引入流体（液体、气体及等离子体）的物理特性，如粘度、密度、比热容和表面张力，并区分牛顿流体与非牛顿流体。随后，重点阐述流体运动的两种基本描述方法——拉格朗日描述（跟随质点）与欧拉描述（固定空间点）。引入流场、流线、迹线和脉线等关键几何概念。讨论流体的连续介质假设的适用性及其在工程分析中的重要意义。 第二章：流体动力学基本方程 本章是全书的理论核心。我们详细推导并分析了三大基本守恒定律在流体力学中的具体形式。 1. 质量守恒定律（连续性方程）： 从微分形式和积分形式阐述了质量在控制体内的变化率与净流通量之间的关系，特别关注不可压缩流体和可压缩流体的简化形式。 2. 动量守恒定律（纳维-斯托克斯方程）： 这是描述粘性流体运动的关键方程。本章将详细推导牛顿流体的纳维-斯托克斯方程，并探讨其在笛卡尔、柱坐标和球坐标系下的表达形式。同时，会介绍针对特殊情况（如欧拉方程、伯努利方程）的简化与应用。 3. 能量守恒定律： 阐述了热力学第一定律在流动系统中的应用，推导了针对等熵流动、绝热流动以及包含能量交换（如热传导和做功）的能量方程，为后续的热力学耦合分析做好准备。 第三章：无粘流动理论与势流分析 在粘性影响可以忽略的理想情况下，本章集中讨论势流理论。推导无旋运动的势流方程——拉普拉斯方程。系统介绍速度势与流函数，并运用复变函数方法（共形映射）来求解二维定常不可压缩无粘流动的复杂边界值问题，如圆柱绕流、平板绕流等经典案例，为理解边界层理论的背景打下基础。 --- 第二部分：粘性流与边界层理论 本部分聚焦于粘性（内摩擦力）对流体运动的决定性影响，这是工程应用中最常见也是最具挑战性的部分。 第四章：粘性流的相似性与量纲分析 在进行复杂的工程实验或数值模拟之前，量纲分析是至关重要的第一步。本章详细讲解了雷诺数（$Re$）的物理意义及其在判断流态（层流、过渡流、湍流）中的作用。系统应用 Buckingham $pi$ 定理，指导读者如何从实验数据中提炼出具有普适性的无量纲参数，并预测流动现象，例如阻力系数、升力系数等。 第五章：层流分析与边界层理论 本章深入探讨粘性流动的核心：边界层。从物理图像上解释了边界层形成的原因及其在固体壁面附近速度梯度的重要性。 1. 平板边界层： 详细推导普朗特（Prandtl）边界层方程，并应用积分法（Kármán 积分方程）和微分法（Blasius 方程的解析解与数值解）求解定常、不可压缩、外部流动的速度边界层厚度和摩擦阻力。 2. 流动分离： 分析压强梯度对边界层发展的影响，深入探讨流动分离的判据、后果以及如何通过工程手段（如增加湍流、气动外形优化）来延迟或控制分离现象。 第六章：湍流流动基础 湍流是工程中最普遍存在的流动形态。本章介绍湍流的统计特性，如脉动速度、雷诺应力等。重点讨论雷诺平均纳维-斯托克斯方程（RANS），并介绍主流的湍流模型，包括零方程模型（如经验公式）、单方程模型（如 Spalart-Allmaras）和双方程模型（如 $k-epsilon$ 和 $k-omega$ 模型），强调这些模型在 CFD 求解中的作用和局限性。 --- 第三部分：可压缩流动与高级主题 本部分将研究速度接近或超过音速时的流体行为，并拓展至工程中常见的复杂流动问题。 第七章：一维可压缩流动 本章侧重于等熵流动、等温流动以及包含激波的流动。详细分析了管道中气体流动的临界现象（如喉部阻塞），并引入马赫数（$Ma$）的概念。着重讲解正激波和斜激波的理论分析，包括激波前后的参数突变关系（Hugoniot 方程），这对于喷气推进和高超声速飞行器设计至关重要。 第八章：流动机系统中的能量传输与热效应 超越纯粹的动量传递，本章探讨流体与环境之间的热交换过程。讨论流体动力加热、热边界层理论，以及如何在包含传导、对流和辐射传热的复杂流场中建立完整的能量平衡模型。这对于高温气动热环境下的结构设计具有直接指导意义。 第九章：多相流与非牛顿流动的工程考量 现代工业过程（如化工、能源、生物工程）常常涉及多种流体相态的混合流动。本章对气液两相流（如气泡流、夹带流）和颗粒悬浮流进行宏观描述，介绍欧拉-欧拉模型和欧拉-拉格朗日模型的基本思路。同时，对剪切变稀/剪切增稠流体等非牛顿流体的本构关系及其在管道输送中的特点进行简要介绍。 第十章：计算流体力学（CFD）概览与现代工程实践 本章将理论与现代工程工具相结合。概述有限体积法（FVM）等数值方法在求解 Navier-Stokes 方程中的基本步骤。讨论网格生成、求解器选择（压力-速度耦合算法，如 SIMPLE 算法）以及后处理分析的关键质量控制点。强调理论知识对于验证和解读 CFD 结果的不可替代性。 --- 本书特色： 本书力求在深度和广度之间取得平衡，通过大量的工程算例和实际问题引导，帮助读者建立起强大的物理直觉和解决问题的能力。它不仅是理论学习的参考书，更是面向实际工程挑战的实用指南。

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我在寻找一本能够系统梳理流体力学核心概念，同时又不会在基础知识上含糊其辞的参考书，这本书几乎完全符合我的期待。它在基础知识点的阐述上，坚持了从宏观到微观的逻辑顺序，即先建立宏观守恒定律，再通过微观尺度的分析来解释宏观现象。书中对流体动力学和流体静力学的区分处理得非常干净利落，使得读者能够清晰地认识到这两种状态下的物理本质差异。我特别留意了关于“能量方程”的讨论，作者没有直接套用热力学中的通用形式，而是针对不可压缩流体和可压缩流体分别进行了精简和调整，体现了对特定领域问题的聚焦。而且，这本书在配图的选择上极其考究，很多配图并非简单的示意图，而是直接来源于实际的实验测量结果或高精度数值模拟结果的可视化图像，这为验证理论模型的有效性提供了坚实的视觉证据。总的来说，这是一本内容密度极高，但阅读体验流畅的书籍，是任何严肃的流体力学学习者案头不可或缺的宝典。

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这本书的深度和广度都达到了一个非常高的水准，对于那些希望超越入门级知识的读者来说，它提供了一个绝佳的进阶平台。特别是关于“湍流理论”的那几章，内容组织得非常巧妙，从雷诺应力的引入，到各种湍流模型（如 $k-epsilon$ 模型）的原理介绍，都做到了深入但不晦涩。作者对湍流的统计学描述，展现出作者深厚的理论功底，将随机性和确定性结合分析的方式，令人耳目一新。虽然某些推导过程需要读者具备一定的微积分基础，但作者总是会适时地提醒读者回顾相关知识点，使得阅读体验不至于中断。我在阅读过程中，发现书中引用了大量的经典文献和最新的研究成果，这使得内容保持了前沿性，而不是一本陈旧的教科书。对于需要进行复杂数值模拟的工程师而言，书中对数值格式稳定性的探讨，也提供了宝贵的参考视角，显示出作者对计算流体力学（CFD）的深刻理解。

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这本书的语言风格与我之前接触的教材截然不同，它更像是一位耐心且略带幽默感的学者在与你进行一对一的交流。行文中偶有出现的比喻，总能恰到好处地将枯燥的数学公式“人格化”，比如将流体的粘性比作“内部的摩擦力”，将压力梯度比作“推着流体前进的看不见的手”。这种富有画面感的描述，极大地降低了我对这门学科的畏惧感。在章节的总结部分，作者总会用一段话高度概括本章的核心思想，并且经常会提出一些发人深省的开放性问题，鼓励读者跳出课本的框架进行思考。例如，在介绍空化现象时，作者不仅仅给出了产生条件，还探讨了在高海拔地区使用特定泵类设备时必须考虑的工程伦理问题。这种人文关怀与工程严谨性的结合，让我对作者产生了强烈的亲近感，感觉这不是一本冷冰冰的工具书，而是一本真正用心编写的知识传承之作。

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这本书的编写角度非常贴合工程实践的需求，它不像有些理论书籍那样只停留在公式的堆砌上，而是深入浅出地将理论与实际应用紧密结合。例如，在讲解动量方程时，作者不仅推导了欧拉方程和伯努利方程，还紧接着引用了水轮机叶片上的压力分布案例，这让我立刻理解了这些方程在实际设计中的价值。书中对于各种典型流动问题的求解步骤，都提供了详尽的步骤分解，从建立控制体到应用守恒定律，每一步都标注得清清楚楚，对于自学者来说简直是福音。我尤其喜欢它对“量纲分析”这一章节的介绍，作者用生动的例子说明了如何通过无量纲数来预测流体行为的相似性，这对于跨尺度问题的分析至关重要。书中的例题数量适中，难度梯度设置合理，从基础概念验证到涉及多变量耦合的复杂计算，逐步递进，让人在不断尝试和修正中巩固了知识。读完这部分内容，我感觉自己对流体力学已经不再是“知道一些公式”，而是真正掌握了一套解决问题的工具箱。

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这本书的封面设计得十分朴实，封面上印着的几个深蓝色的齿轮图案，透露出一种严谨而专业的味道。初次翻开时，我被它排版清晰的目录所吸引，几乎涵盖了所有我能想到的流体力学基础知识点，从流体的基本性质到复杂的湍流现象，脉络清晰，结构严谨。作者在绪论部分就为读者构建了一个坚实的理论框架，特别是对纳维-斯托克斯方程的推导过程，讲解得非常细致，每一步的物理意义都阐释得很到位，即便是初次接触这个复杂方程的读者也能大致跟上思路。书中大量的图表绘制精良，无论是流线图还是压力分布图，都直观易懂，极大地辅助了对抽象概念的理解。我特别欣赏作者在处理边界条件时所展现出的耐心，将各种实际工程中的复杂情况，简化后以清晰的数学模型呈现出来，这对于我后续进行实际问题分析非常有帮助。整本书的语言风格偏向学术化，但逻辑性极强，读起来就像是在跟随一位经验丰富的导师进行系统学习，那种被引导着逐步深入的感觉，让人感到充实而有信心。

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