具体描述
Comprehensive text and reference covers modeling of physical systems in several media, derivation of differential equations of motion and related physical behavior, dynamic stability and natural behavior, response to continuing and abrupt forcing inputs, and analysis and synthesis of feedback control systems. 334 figures. 12 tables. 1967 edition.
《流体力学基础与应用》 （一部全面涵盖经典与现代流体力学原理及其工程实践的权威著作） 书籍简介 《流体力学基础与应用》是一本旨在为读者提供流体力学领域全面、深入且结构化知识体系的教材与参考手册。本书深度融合了理论分析的严谨性与工程实践的实用性，力求构建一个清晰、逻辑严密的知识框架，帮助工程师、研究人员及高年级本科生与研究生深刻理解流体运动的内在规律，并掌握解决实际工程问题的必备工具。 本书的结构设计充分考虑了学习的渐进性，从流体基本性质的定义出发，逐步过渡到宏观守恒定律的建立，再到复杂流动现象的精细分析。我们摒弃了仅罗列公式的传统做法，转而强调物理图像的构建和数学模型的推导过程，确保读者不仅知其“然”，更明其“所以然”。 第一部分：流体力学基础与物质特性（The Foundation） 本部分是理解后续所有复杂主题的基石。我们首先对流体进行精确的宏观描述，探讨流体的基本物理性质，如密度、粘度、表面张力以及压缩性。与纯粹的数学描述不同，本书投入大量篇幅讲解这些参数如何受温度、压力和化学组分影响，并提供了大量实验数据和经验关系，以指导读者在实际工况下进行参数选择。 流体的本构关系： 重点阐述牛顿流体和非牛顿流体的本构方程，这是连接应力与应变率的关键。我们详细分析了层流和湍流的微观机理差异，并引入了雷诺数（$Re$）作为判断流动类型的核心无量纲参数，探讨了其在不同尺度流动中的物理意义。 流体静力学： 虽然看似基础，但静力学是理解压力分布和浮力的前提。本书不仅推导了流体静力学基本方程，还扩展至旋转参考系下的平衡问题，例如离心泵叶轮内的压力分布分析，以及潜水器设计的稳定性和浮力计算。 第二部分：流体运动的宏观守恒律（The Governing Equations） 本部分是全书的核心理论支柱。我们严格地从控制体（Control Volume）方法出发，推导并阐述了流体力学中最根本的三大守恒定律——质量守恒（连续性方程）、动量守恒（欧拉方程和纳维-斯托克斯方程的积分形式）以及能量守恒。 纳维-斯托克斯方程的深度解析： 本书对纳维-斯托克斯方程（Navier-Stokes Equations）进行了详尽的分解，解释了每一项的物理含义，包括惯性力、压力梯度力、粘性力以及外体力。我们讨论了求解该方程组的理论难度，并重点分析了理想流体（欧拉方程）和粘性流体（动粘性项）的适用条件和物理后果。 量纲分析与相似性原理： 鉴于解析求解的困难性，本部分强调了布克金厄姆 $pi$ 定理的应用。通过系统的量纲分析，读者将学会如何识别和构建关键的无量纲参数（如马赫数 $Ma$、弗劳德数 $Fr$、韦伯数 $We$），从而实现实验模型与原型之间的精确缩放，极大地降低了工程测试的成本和复杂性。 第三部分：经典流动问题的解析解与应用（Analytical Solutions and Classic Flows） 在建立了宏观守恒律之后，本书转向解决一系列在工程中具有代表性的经典流动问题，这些问题往往具有简化的几何形状或边界条件，允许进行精确的数学求解。 1. 内部流动： 详细分析了完全发展（Fully Developed）的层流在圆管和二维平板中的速度剖面、摩擦阻力和压力降。重点讨论了伯努利方程的严格适用条件和适用范围，并拓展至管道流动中的能量损失计算，包括局部阻力（如阀门、弯管）和沿程摩擦阻力（Darcy-Weisbach 公式）。 2. 边界层理论： 这是理解高速、高雷诺数流动现象的关键。本书系统介绍了普朗特边界层的概念，推导了普朗特边界层方程，并通过普朗特-布劳修斯方法（Blasius 解）处理平板上的粘性流分离现象。关于边界层分离的机理、对阻力的影响以及如何通过设计（如翼型前缘或导流片）进行控制，是本章的重点。 3. 外部流动与升阻力： 针对机翼、汽车和结构物周围的流动，本书深入探讨了绕流的特点。介绍了达朗贝尔佯谬，并阐释了如何通过引入粘性效应（边界层）来解决这一佯谬。升力与阻力的计算方法，包括浸润理论（Lifting-line Theory） 的基本原理，为空气动力学和水动力学奠定了基础。 第四部分：湍流与复杂流动现象（Turbulence and Advanced Topics） 湍流是自然界和工程中最常见的流动形态，其随机性和高耗散性对分析构成了巨大挑战。 湍流的统计描述： 本部分首先定义了湍流流动的瞬时脉动量，并引入了雷诺时均化技术。核心在于推导雷诺平均纳维-斯托克斯方程（RANS），以及由此产生的雷诺应力项。 湍流模型： 鉴于湍流的复杂性，我们必须引入近似模型。本书系统介绍了工程中应用最广泛的湍流模型家族： 零方程模型（代数模型）：如经验公式。 单方程模型：重点讲解 $k-epsilon$ 模型和 $k-omega$ 模型，详细分析了它们在近壁面处理上的优缺点。 混合层与分离流的特殊处理：讨论了如何调整模型参数以更好地捕捉复杂边界层分离区域的流动特性。 可压缩流动基础： 引入马赫数对流动的影响。分析了等熵流动、气动管路中的流动（如喷管设计原理）、以及激波（Shock Waves）的形成和影响。对正激波和斜激波的分析，是跨音速和超音速工程设计的基础。 第五部分：数值方法与现代工程应用（Numerical Methods and Modern Practice） 在现代工程实践中，几乎所有复杂的流体力学问题都依赖于计算流体力学（CFD）。本书的最后一部分致力于架起理论分析与数值模拟之间的桥梁。 计算流体力学的基本框架： 简要介绍了偏微分方程的离散化方法，主要集中在有限体积法（Finite Volume Method）。讲解了对流项的迎风格式、中心格式以及高精度格式的构建，以及时间推进的显式和隐式方法。 压力-速度耦合算法： 详细阐述了在求解不可压缩流动中，压力与速度场相互耦合的难题，重点介绍SIMPLE 算法家族（SIMPLE, SIMPLER, PISO）的迭代逻辑和收敛机制。 工程案例与前沿展望： 最后，本书通过多个详细的工程案例（如换热器流动优化、水轮机内部水动力学、复杂管道网络分析）来展示如何整合上述理论知识与数值工具进行问题求解。本书旨在培养读者批判性地评估数值结果的能力，而非仅仅停留在程序操作层面。 --- 总结 《流体力学基础与应用》不仅是一本理论教材，更是一本实用的工程指南。它以严谨的物理基础为出发点，以解决实际工程挑战为目标，通过对经典解析解和现代数值方法的平衡探讨，为读者提供了一个全面、深入、且具有高度应用价值的流体力学知识体系。本书的深度与广度确保了它能够服务于从高阶本科生到资深专业工程师的广泛读者群体。
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