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出版者:Thomson Learning

作者:Cruise, James F./ Sherif, Mohsen M./ Singh, Vijay P.

出品人:

页数:560

译者:

出版时间:2006-4

价格:$ 258.71

装帧:HRD

isbn号码:9780534494834

丛书系列:

图书标签:

• 水力学
• 流体力学
• 工程流体
• 水文学
• 流体机械
• 管道流动
• 水力计算
• 工程技术
• 高等教育
• 教科书

《流体力学基础：理论与应用》 作者： [此处填写作者姓名，例如：李明，张华] 出版社： [此处填写出版社名称，例如：科学技术出版社] --- 丛书导言 本套丛书旨在为工程技术、物理科学及相关领域的学生和专业人士提供一套全面、深入且与时俱进的流体力学学习资源。我们深知流体力学作为连接基础科学与工程实践的桥梁作用，因此本丛书的每一卷都力求在理论的严谨性与工程应用的可操作性之间取得完美平衡。本卷《流体力学基础：理论与应用》正是这一理念的集中体现，它将引导读者系统地掌握流体运动的基本原理、分析方法以及在实际工程问题中的应用策略。 --- 第一部分：流体力学的基本概念与流体静力学 第一章：流体力学的基本概念与物质特性 本章首先确立了流体力学的研究范畴与重要性，并详细阐述了流体（液体和气体）区别于固体物质的本质特征——即其抵抗剪切应变的能力。内容涵盖流体的基本物理量定义，包括密度（$ ho$）、比重、比容、粘度（绝对粘度和运动粘度，阐述牛顿内摩擦定律），以及表面张力和气体中的状态方程（如理想气体模型）。特别强调了流体的宏观连续介质假设的合理性及其适用范围。我们深入探讨了流体的分类——如理想流体、粘性流体、可压缩流体与不可压缩流体——为后续章节建立清晰的分析框架。本章还引入了流场分析的基础工具：拉格朗日视角（跟踪流体质点）和欧拉视角（观察空间固定点上的流场），并解释了物质导数（或随体导数）在描述流体运动变化中的核心地位。 第二章：流体静力学：静止流体的平衡分析 流体静力学是分析流体在平衡状态下受力的基础。本章从基本原理出发，推导了流体静力学基本方程——压力随深度线性变化的规律。详细分析了压力在不同坐标系下的表示方法，包括表压、绝对压力和真空度。本章重点研究了流体作用在平面和曲面上的总压力、作用点（压力中心）的计算方法，这是设计水工结构、储罐和管道法兰面的关键步骤。此外，还全面覆盖了浮力与浮沉（阿基米德原理）、流体静力学中的等压面概念，以及在非惯性参考系（如加速运动的容器）中流体压力的分布变化。 --- 第二部分：流体运动学与流体动力学基础方程 第三章：流体运动学：描述流体运动 本章专注于描述流体如何运动，而不涉及引起运动的力。我们从运动学的角度，系统地介绍了描述流体运动的数学工具，包括流线（Streamline）、迹线（Pathline）和时间线（Streakline）的区别与联系，以及在稳态和非稳态流动中的应用。重点讲解了流场速度场的描述，包括速度矢量场的散度（Divergence）和旋度（Curl）的物理意义：散度表征体积膨胀率（不可压缩性判断），旋度表征流体的旋转性（有界涡量流）。本章还引入了流线的微分方程，并探讨了简单的二维流场分析方法。 第四章：流体动力学基本方程：控制方程的推导与应用 这是全书的核心章节，它基于牛顿第二定律和质量守恒原理，推导了流体运动的控制方程组。首先，基于质量守恒，导出连续性方程（Continuity Equation），并分别写出其在直角坐标系、圆柱坐标系和球坐标系下的形式，以及在不可压缩流体中的简化形式。其次，基于牛顿第二定律，推导出纳维-斯托克斯方程（Navier-Stokes Equations），这是描述粘性流体运动的支配性偏微分方程组。本章会详细解释各项的物理意义，并着重介绍两种简化形式的应用： 1. 欧拉方程： 适用于理想流动（零粘性）。 2. 伯努利方程： 导出并严格限定了伯努利方程（Bernoulli’s Equation）的适用条件（定常、不可压缩、无粘、沿流线），这是工程计算中最常用的能量关系式。 本章通过丰富的实例（如文丘里管、皮托管）展示了如何利用这些基本方程解决实际的动力学问题。 --- 第三部分：粘性流体的流动分析 第五章：量纲分析、相似性原理与流动中的能量分析 在进入复杂粘性流动分析之前，本章提供了强大的简化工具。首先，详细阐述了量纲分析（Dimensional Analysis）的基本原理和π定理，用于识别和组合物理量，从而减少实验变量和建立无量纲参数。重点讨论了几个关键的无量纲数：雷诺数（Reynolds Number, Re）的物理意义（惯性力与粘性力的比值），Froude数（Fr），以及马赫数（Ma）。其次，本章深入探讨了流动相似性原理，为物理模型的缩尺试验提供理论基础。最后，重新审视了能量守恒定律在流体中的应用——广义的流体能量方程，并引入了机械能损失（水头损失）的概念，为下一章的管道流动打下基础。 第六章：管道内的稳定流动 本章专注于工程中最常见的粘性流体流动情况：圆管内的定常流动。首先，分析了层流（Laminar Flow）和湍流（Turbulent Flow）的特征，并通过雷诺数的临界值进行区分。详细推导了Hagen-Poiseuille 方程，用于计算层流状态下的流量和压降。随后，重点分析了更普遍存在的湍流流动，介绍了湍流流动的统计特性（如脉动速度、湍流强度）。本章核心内容包括： 1. 摩擦因子的确定： 引入达西-韦斯巴赫公式，并使用Moody 图（莫迪图）来确定不同雷诺数和相对粗糙度下的摩擦系数。 2. 沿程阻力和局部阻力： 系统分析管道内因局部附件（弯管、阀门、收缩扩张）引起的局部损失，并引入局部阻力系数 $K$。 3. 复杂管道系统分析： 教授如何分析串联、并联和复杂的管网系统，计算总损失和分支流量分配。 --- 第四部分：边界层、流体阻力和流体与物体的相互作用 第七章：边界层理论与流动机理 本章将流体力学的研究从理想流体推进到真实的粘性流体，重点研究流体与固体壁面相互作用的区域——边界层。首先，解释了边界层形成的原因，并区分了附着条件和零阻力定理（d'Alembert's Paradox）的局限性。详细阐述了边界层概念，包括名义边界层厚度、动量厚度、能量厚度。对于平板上的定常流动，推导了Blasius 解析解（或使用积分法近似解）来确定速度廓线，并计算了摩擦阻力。本章还分析了边界层的分离现象，讨论了压力梯度对边界层分离的影响，这是理解翼型气动性能的关键。 第八章：物体绕流与流体阻力 本章将边界层理论应用于物体绕流问题，系统分析流体对浸入流体中的物体产生的总阻力。详细分解了总阻力（Total Drag）的两个主要组成部分： 1. 摩擦阻力（Skin Friction Drag）： 主要由边界层内的粘性剪切力产生，计算方法与第七章关联。 2. 压差阻力（Pressure Drag/Form Drag）： 由物体周围的压力分布不均匀引起，与边界层分离的程度直接相关。 重点讨论了流线型（Streamlining）对降低压差阻力的作用。通过分析不同几何形状（如平板、圆柱、翼型）在不同雷诺数下的阻力系数（$C_D$），展示了阻力机制的复杂性。本章也初步介绍了升力（Lift）的概念及其与流体运动的关联，为更高级的空气动力学或水动力学研究奠定基础。 --- 第五部分：流体运动的进阶主题 第九章：流体动力学中的涡量与环量理论 本章深入探讨了流体内部旋转运动的特性。定义了涡度（Vorticity）和环量（Circulation），并探讨了它们在描述流场特性中的作用。推导了涡量输运方程，展示了粘性和非均匀密度如何导致涡量的产生和演化。重点讲解了开尔文涡度定理（Kelvin’s Circulation Theorem），阐明了在无粘、等熵流动中，流线上环量的守恒性。最后，应用库塔-茹科夫斯基定理（Kutta-Joukowski Theorem），精确计算了二维绕流体中物体所受的升力，这是理解机翼工作原理的基础。 第十章：可压缩流动的初步概念 虽然本书侧重于低速流动，但本章简要引入了可压缩流体的特性，特别是当流速接近音速时（马赫数 $Ma > 0.3$）。解释了声速的定义及其影响因素。介绍了马赫数在可压缩流动分析中的重要性。重点分析了正激波（Normal Shock Wave）的特性，并应用雷诺正规效应（Prandtl-Meyer Expansion Waves）的基本原理，说明了可压缩流动与不可压缩流动在理论和工程实践上的关键区别。 --- 附录 附录 A：常用流体力学常数与单位换算表 附录 B：标准大气参数 附录 C：湍流管道粗糙度系数参考表 附录 D：数学工具回顾（矢量微积分、偏微分方程基础） --- 读者对象与学习目标 本书适合于攻读工程学（土木、机械、航空航天、化学、环境工程）、物理学以及相关交叉学科的本科高年级学生或研究生作为核心教材。通过系统学习，读者将能够： 1. 熟练运用流体静力学的原理解决压力和浮力问题。 2. 掌握连续性方程和伯努利方程在简化流动分析中的应用。 3. 理解粘性流动的本质，并能利用雷诺数预测流动状态。 4. 独立计算管道系统中的能量损失，并设计合理的管路布局。 5. 解释边界层、流体阻力产生的物理机制，并能进行初步的阻力评估。 6. 为深入研究计算流体力学（CFD）或专业流体工程（如水力机械、气动噪声）打下坚实的理论基础。

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