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《流体力学基础与工程应用》 图书简介 本书旨在为工程技术人员、科研人员以及相关专业学生提供一套全面、深入且兼具实用性的流体力学理论与工程应用指南。内容涵盖了从流体力学的基本概念、数学基础，到各类工程中常见的流动现象、分析方法和设计原则，力求在理论深度与工程实践之间搭建坚实的桥梁。全书结构清晰，逻辑严谨，语言专业而不失生动，旨在帮助读者构建扎实的流体力学知识体系，并能高效地解决实际工程问题。 第一部分：流体力学基础与数学描述 本部分是理解后续高级主题的基石。首先，本书对流体（液体、气体和等离子体）的本构性质进行了详尽的讨论，包括密度、粘度、表面张力、压缩性和热力学特性之间的关系。我们着重分析了流体的宏观描述（控制体分析）和微观描述（物质点分析）的适用范围与联系。 随后，深入探讨了描述流动的数学工具。这包括了流线、迹线和脉线等概念的精确定义与几何意义，以及速度场、应力张量和应变率张量的建立。本书详细推导了流动的基本控制方程——质量守恒方程（连续性方程）和动量守恒方程（纳维-斯托克斯方程）。在推导过程中，我们不仅展示了张量形式，也详细阐述了其在笛卡尔、柱坐标和球坐标系下的具体形式，并讨论了在不同物理场景下简化这些方程的物理依据和数学技巧（如伯努利方程的严格推导）。 第二部分：粘性流体的运动与分析 粘性效应是流体力学中最核心的物理现象之一。本部分专注于粘性流体的行为。我们首先引入了雷诺数（Reynolds Number）的概念，并解释了其作为无量纲参数在判断流动状态（层流与湍流）中的决定性作用。 层流分析： 对完全发展的层流问题进行了深入剖析。详细分析了泊肃叶流（Poiseuille Flow，如管道内流动）和库埃特流（Couette Flow，如平板间剪切流动）的精确解，这些经典算例是理解粘性应力与压力梯度相互作用的典范。 边界层理论： 边界层是高速流动分析的关键。本书系统介绍了普朗特（Prandtl）边界层理论的建立过程，包括对粘性力和惯性力相对重要性的判断。我们详细阐述了“零厚度”边界层的概念，并对平板上的二维不可压流动（Blasius方程的解析与数值处理）进行了透彻讲解。此外，书中还涵盖了边界层分离现象的物理机制、预测方法以及对流体阻力的影响。 湍流： 湍流是工程中最普遍但最难精确描述的流动状态。本书概述了湍流的统计特性，如时均化处理、雷诺应力、湍流脉动能量等。重点介绍了几种主流的湍流模型，包括零方程模型（如经验公式）、一方程模型（如 Spalart-Allmaras）和两方程模型（如 $k-epsilon$ 和 $k-omega$ 模型）。我们提供了这些模型在工程计算流体力学（CFD）中的应用背景和适用性评估，旨在帮助读者合理选择和应用模型。 第三部分：不可压缩流与特殊流动现象 本部分聚焦于工程中常见的不可压缩流动，并扩展到一些非定常或高阶效应。 流场控制与势流理论： 对于低雷诺数或高精度要求的场合，不可压缩流的分析至关重要。我们探讨了涡度和流函数的概念，特别是二维势流理论。通过共形映射（Conformal Mapping）方法，本书展示了如何通过解析方法处理复杂边界下的无粘流动，例如圆柱绕流、翼型绕流的初步分析，为理解升阻力产生机理奠定基础。 流体与固体结构的相互作用（FSI）： 本章讨论了流体运动对固体结构产生的作用力，以及结构变形反过来影响流场的问题。包括对振动、颤振等现象的初步分析框架，强调了在航空航天和土木工程中的重要性。 流动机械中的流体动力学： 深入分析了泵、风机和涡轮机内部的流动。这部分内容联系了流动损失、能量传递效率和叶轮设计参数。通过速度三角形和叶片设计原理，读者将掌握如何评估和优化旋转机械的性能。 第四部分：可压缩流动与气体动力学 当流速接近或超过音速时，流体的可压缩性变得不可忽略，需采用气体动力学方法。 基本概念与等熵流动： 详细介绍了声速、马赫数（Mach Number）的物理意义。重点分析了基于一维流动假设的等熵关系（如拉伐尔膨胀过程），并讨论了滞止参数的意义。 激波与斜激波： 本章是可压缩流动的核心。我们通过瑞利（Rayleigh）和法拉利（Fanno）流动分析了喉道阻塞和边界层摩擦对流动的影响。对正激波（Normal Shock Wave）的普朗特-勒夫（Prandtl-Meyer）关系进行了详尽的数学推导，并讲解了斜激波（Oblique Shock Wave）的几何结构和分析方法，这对于设计超音速翼型至关重要。 膨胀与喷管设计： 讨论了普朗特-迈耶尔（Prandtl-Meyer）膨胀波的形成机制，及其在超音速流动偏转和无激波膨胀设计中的应用。最后，本书给出了拉伐尔喷管（De Laval Nozzle）的设计流程，从理论到实际应用，详细说明了如何实现最大推力输出。 第五部分：传热学原理在流体中的应用 流体流动与热量传递密不可分。本书将流体力学与传热学原理相结合，专注于流体中的对流换热。 对流换热基础： 区分了导热、对流和辐射的机制。重点分析了动量边界层与热边界层之间的关系，特别是彭克-杜夫纳（Prandtl Number）的物理意义。 强制对流： 对于管内流动和管外绕流，本书利用努塞尔数（Nusselt Number）关联式进行分析。详细讨论了层流和湍流状态下的换热系数计算方法，包括经验关联式和基于相似理论的分析。 自然对流： 分析了由于密度差异引起的速度场，即浮力驱动的流动（如格拉肖夫数 Rayleigh Number 的作用）。本书提供了在垂直平板和水平管道中自然对流的计算方法，这在电子设备散热和热力系统设计中具有广泛应用。 本书的特点在于其丰富的工程案例和详尽的数学推导，确保读者不仅知其然，更能知其所以然，为解决真实的工程挑战提供强大的理论武器。
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