Fundamentals Of Fluid Mechanics pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:John Wiley & Sons Inc

作者:Munson, Bruce R./ Young, Donald F./ Okiishi, Theodore H.

出品人:

页数:344

译者:

出版时间:

价格:42.6

装帧:Pap

isbn号码:9780471718963

丛书系列:

图书标签:

• 流体力学
• 流体 mechanics
• 工程流体力学
• 传热
• 流体动力学
• 流体静力学
• 工程
• 物理
• 机械工程
• 本科教材

《流体力学基础：理论与应用前沿》 本书导言：理解流体世界的脉动 流体——无论是气态还是液态——构成了我们宇宙中物质存在的最普遍形态之一。从宏观的行星际空间中的星际介质流动，到微观的血液在毛细血管中的输运，再到日常生活中风的形成、水流的控制，流体运动无处不在，深刻地影响着自然现象与工程实践。理解流动的规律，是现代科学与工程的基石。 《流体力学基础：理论与应用前沿》旨在为读者提供一个全面、深入且富有洞察力的流体力学知识体系。本书不仅仅是传统教材的简单重述，而是聚焦于如何将严谨的数学框架与复杂的实际问题相结合，探索流体运动背后的深层物理机制。我们摒弃了过于简化的、脱离实际的理论模型，而是强调概念的清晰度、物理图像的构建以及现代计算与实验方法的融合。 本书面向具有扎实微积分、线性代数和基础物理学背景的本科高年级学生、研究生以及需要回顾或深化流体力学知识的工程专业人士和研究人员。我们的目标是培养读者分析和解决新颖流体动力学问题的能力，而不仅仅是记忆公式。 第一部分：流体力学的基础与描述 本部分奠定整个学科的理论基石，侧重于如何用数学语言精确描述流体的运动状态。 第一章：流体力学的基本概念与物质观 本章首先引入流体力学的基本研究对象——流体，并区分其与固体物质的本质差异，重点在于“连续介质假设”（Continuum Hypothesis）的适用性与局限性。我们详细探讨了描述流体运动的两种基本视角：拉格朗日（物质导数）和欧拉（空间点）描述法，并推导出物质导数在描述随流体运动的物理量变化中的核心作用。空间微分、位移场、速度梯度张量等关键概念被引入，为后续的应力分析做准备。 第二章：流场的运动学分析 运动学关注的是流体“如何”运动，而不涉及作用于其上的力。本章深入剖析速度场的几何特性。我们详细分析了流线的（Streamlines）、迹线的（Pathlines）和时间线（Streaklines）之间的区别与联系，特别是在非定常流动中的辨析。速度梯度张量的分解是本章的重点，我们将其分解为旋转部分（涡度 $oldsymbol{omega} = abla imes mathbf{u}$）和变形部分（应变率张量 $e_{ij}$）。涡度概念被赋予深刻的物理意义，如旋转和平流输运，并引入了环流（Circulation）的概念及其与边界层理论的初步关联。 第三章：流体的本构关系与应力分析 流体在变形时会产生内力，即应力。本章专注于建立描述流体内部应力与变形率之间的关系——本构方程。我们首先定义了压力（静水压力）与法向应力，随后重点讨论牛顿流体（Newtonian Fluid）的线性黏性本构关系，推导出粘性应力张量的具体形式，并引入粘度（$mu$）和体膨胀系数（$kappa$）等流体力学参数。对于非牛顿流体，我们简要介绍剪切速率依赖的流变学模型（如幂律流体），以拓宽应用的范围。 第四章：控制体积分析与守恒定律 本章是工程应用的核心支柱。我们从微积分的散度定理（Divergence Theorem）出发，推导出一系列宏观控制体积方程。这包括： 质量守恒（连续性方程）： 在拉格朗日和欧拉形式下的表述，以及在不可压缩流体中的简化形式。 动量守恒（欧拉方程/柯西动量方程）： 建立了作用于流体上的力（压力梯度力、黏性力、体积力）与流体加速度之间的关系。 能量守恒： 阐述了热力学第一定律在流体运动中的应用，推导出粘性耗散项对能量方程的影响。 这些方程的建立为后续的分析奠定了严格的数学基础。 第二部分：理想流体与经典解 在引入黏性的复杂性之前，本部分首先考察黏性为零的理想情况，这有助于我们理解保守力场和势流的数学特性。 第五章：欧拉方程与伯努利原理 在忽略黏性和漩涡（$oldsymbol{omega} = 0$）的情况下，动量方程简化为欧拉方程。本章的核心是伯努利方程的推导及其应用。我们详细阐述了伯努利常数（或称总压）的物理含义——能量守恒的体现。从外部流动的伯努利方程到穿过流管的伯努利方程，本书强调了其局限性，特别是与重力项和非保守力项的处理。对文丘里效应、动压与静压的转换进行了详细的工程案例分析。 第六章：势流理论与流线叠加 势流是无旋、不可压缩流体的一种特殊情况，其速度场可以由速度势函数 ($phi$) 描述。本章系统地介绍了拉普拉斯方程在二维和三维流场中的应用。我们深入探讨了源、汇、偶极子以及均匀流等基本流元。通过线性叠加原理，可以构建出复杂的翼型周围的流场，如库塔-茹科夫斯基定理（Kutta-Joukowski Theorem）的推导及其在升力产生中的作用。 第三部分：黏性流动的核心——纳维-斯托克斯方程 本部分是流体力学从理想化走向真实的转折点，聚焦于黏性对流动结构产生的决定性影响。 第七章：不可压缩牛顿流体的纳维-斯托克斯方程 本章正式引入粘性项，导出描述不可压缩牛顿流体运动的纳维-斯托克斯（Navier-Stokes, N-S）方程。我们将N-S方程视为质量守恒和动量守恒的完整表达，并强调其高度非线性和耦合性，解释了为何解析解极为罕见。本章也回顾了达西定律（在多孔介质中）和斯托克斯流（极低雷诺数）的简化形式。 第八章：相似性、量纲分析与雷诺数 在无法解析求解N-S方程时，相似性分析成为工程设计的关键工具。本章详细介绍了雷诺数（Reynolds Number, Re）的物理意义——惯性力与黏性力之比。通过π定理（Buckingham Pi Theorem），我们系统地展示了如何通过无量纲化将复杂的物理问题转化为参数空间中的相似性问题，极大地简化了实验设计和模型缩放。 第九章：边界层理论的诞生与平板流动 黏性效应在靠近固体表面的区域被急剧放大，形成了边界层。本章详细阐述了边界层理论的物理基础和普朗特（Prandtl）的简化假设。我们重点分析了平板上的定常、二维、不可压缩流动，推导并求解了布拉修斯方程（Blasius Equation），得到了速度廓线、边界层厚度、以及皮拖系数（Skin Friction Coefficient）的解析结果。 第十章：流动分离、阻力与升力 流动分离是高雷诺数流动中最关键的非理想现象之一。本章探讨了压力梯度对边界层稳定性的影响，解释了流动分离点的位置及其后果，如形状阻力（Form Drag）的产生。我们区分了摩擦阻力和压差阻力，并讨论了如何通过增加湍流或使用减阻装置（如涡流发生器）来延迟或控制流动分离。 第四部分：特定流动类型与进阶主题 本部分涵盖了流体力学中具有重大理论和实际意义的进阶主题。 第十一章：管流与管道中的能量损失 本章专注于固定管道中的流动。我们分析了层流（Poiseuille Flow）的精确解，并详细介绍了从层流到湍流的转变（临界雷诺数）。针对湍流管流，我们引入了达西-韦斯巴赫公式，并利用摩阻系数图（Moody Chart）来估算沿程摩擦损失。此外，我们也考虑了弯管、阀门等局部部件引起的局部能量损失。 第十二章：流动中的涡旋动力学 涡度在流体运动中扮演着核心角色，尤其是在与物体相互作用时。本章超越了简单的环流概念，深入探讨了三维涡旋结构，如涡丝理论（Biot-Savart Law的扩展）。我们分析了涡旋与壁面的相互作用，以及非线性涡旋运动（如自由剪切层中的卷曲现象）。 第十三章：可压缩流动的导论 当流速接近音速时，流体的密度变化不再可以忽略，流体力学进入了可压缩流动的范畴。本章引入了马赫数（Mach Number, Ma）。我们着重分析了等熵流动（Isentropic Flow）的概念，特别是通过拉伐尔喷管（De Laval Nozzle）的扩张/压缩过程来理解跨声速流动的基本特性。斜激波和正激波的形成与对流场的影响作为可压缩流动中不可逆转的现象被详细分析。 结语：展望未来 流体力学仍在快速发展。本书的最后一部分展望了现代研究的前沿，包括湍流模型（RANS、LES、DNS的哲学差异）、微流控技术中液体间的界面张力效应，以及流体结构相互作用（FSI）在生物工程和航空航天中的交叉应用。掌握本书内容，将使读者能够自信地进入这些前沿领域，并为解决二十一世纪的工程挑战做好准备。

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