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《流体力学基础原理与工程应用》图书简介 面向对象： 本书主要面向土木工程、水利工程、环境工程、机械工程等领域的高年级本科生、研究生以及相关领域的工程师和研究人员。它旨在为读者提供一套系统、深入且实用的流体力学理论框架及其在实际工程问题中的应用方法。 本书核心价值： 本书致力于弥合纯粹理论与实际工程需求之间的鸿沟。我们相信，理解流体运动的深层物理机制，并能将其转化为解决实际工程问题的工具，是现代工程技术人员必备的核心能力。本书不仅涵盖了流体力学的经典内容，更侧重于如何运用这些原理来分析、设计和优化涉及流体运动的复杂系统。 第一部分：流体力学基础与控制方程的建立（理论基石） 第一章：流体性质与流态描述 本章将从微观角度审视流体，详细阐述流体的基本物理性质，包括密度、粘度（牛顿流体与非牛顿流体）、表面张力、压缩性等。重点讨论如何使用流线、迹线和流束等概念来描述流体的宏观运动状态。通过对流场的矢量和张量描述，为后续的守恒定律建立数学基础。 第二章：流体静力学 深入探讨流体静止时的受力平衡问题。内容包括流体压力随深度变化的规律（帕斯卡定律）、不同参照系下的压力测量（如皮托管、压力计），以及作用在平面和曲面上的静水总压力和合力矩的计算方法。特别关注浮力、稳度和自由表面流体的平衡分析。 第三章：流体运动的描述与基本控制方程 这是全书的理论核心。我们将严格推导流体运动的三个基本守恒定律——质量守恒（连续性方程）、动量守恒（纳维-斯托克斯方程）和能量守恒。我们将采用拉格朗日和欧拉两种描述方法进行对比，并详细解析微分形式和积分形式的控制方程。对于复杂的、高维度的流动，本书将重点讨论如何基于物理背景对手写方程进行简化和恰当的边界条件设定。 第二部分：理想流体与粘性流体的解析解（经典分析） 第四章：理想流体的运动分析 在理想流体假设下（粘性为零），我们引入伯努利方程，并深入分析其物理意义、适用条件及其限制。本章将通过库特方程（Euler's Equation）和势流理论，解决一些典型的、无旋的、不可压缩的二维流动问题，如等效原理和流函数/速度势的应用。 第五章：粘性流动的分析：层流 本章聚焦于粘性流体在低雷诺数下的运动。重点分析牛顿流体的本构关系，并求解经典的一维层流问题，例如：平板上的库埃特流（Couette Flow）、圆管中的泊肃叶流（Poiseuille Flow）以及螺旋流动。通过这些解析解，读者能直观理解粘度对速度分布和边界层的影响。 第六章：边界层理论与阻力分析 边界层理论是连接粘性流体与工程实际的关键。本章详细介绍普朗特边界层概念，分析动量积分法在计算壁面剪切应力和摩擦阻力中的应用。内容涵盖形状因子、分离点预测，并结合流线倾斜对边界层发展的影响进行深入探讨。 第三部分：实际工程中的流动分析（应用导向） 第七章：湍流流动与统计描述 真实世界中的工程流动多为湍流。本章将从统计学角度描述湍流的特性，如脉动速度、雷诺应力。重点解析雷诺平均纳维-斯托克斯（RANS）方程，并介绍几种经典的湍流模型（如零方程、单方程和双方程模型，侧重于$k-epsilon$和$k-omega$模型的应用场景和局限性）。 第八章：管路流动与水头损失 这是水利和机械工程中的核心内容。本章详细分析了管道内流动的能量损失，区分了沿程损失（摩擦阻力）和局部损失（局部阻力）。深入讨论了达西-魏斯巴赫方程的建立，并结合Moody图（摩阻系数图）讲解如何求解复杂管网中的流量、压力和水头损失。此外，还将涉及管路系统设计中的增压设备（泵）的选型与性能曲线分析。 第九章：明渠流动与水面控制 针对地表水、灌溉和排水工程，本章专注于不可压缩、恒定流的明渠流动。核心内容包括：临界流概念（弗劳德数）、水面变化曲线的分类（M, S, C, H型）、能量和动量关系在明渠中的应用，以及堰、跌水和水跃（Hydraulic Jump）的详细分析与设计计算。 第十章：流体测量技术与实验方法 本章探讨现代流体力学研究和工程监测中常用的测量技术。内容涵盖：压力和流速的间接测量（如皮托管、测压管、文丘里管），先进的粒子图像测速（PIV）技术原理和数据处理，以及流量的校验方法。强调实验数据的不确定性分析和误差控制。 第十一章：流动系统的相似性与量纲分析 介绍如何利用雷诺数、弗劳德数等无量纲参数进行流动问题的相似性分析，这对于模型试验（如风洞、水槽试验）的设计和结果外推至关重要。通过π定理，系统性地指导读者如何从复杂的物理方程中提取关键的物理关系。 结语： 本书以严谨的数学推导为骨架，以丰富的工程案例为血肉，旨在培养读者“将流体动力学知识转化为解决实际工程问题的能力”这一核心素养。读者在完成本书的学习后，将能熟练掌握分析和设计各种流体工程系统的理论工具。
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