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《流体力学基础与应用》图书简介 第一版 作者： [此处可填写一个虚构的权威作者姓名，例如：张伟 教授，李明 博士] 出版社： [此处可填写一个信誉良好的学术出版社名称，例如：工业科学出版社] --- 内容概述 《流体力学基础与应用》是一本全面、深入探讨流体运动规律及其在工程领域中实际应用的专著。本书旨在为物理学、化学工程、机械工程、土木工程以及航空航天工程等相关专业的高年级本科生、研究生以及一线工程师提供一套严谨而实用的学习资源。全书涵盖了从流体力学的基本概念、控制方程的推导与求解，到复杂流动现象的分析与工程设计中的具体应用。 本书的编写遵循从理论到实践、从简化模型到复杂现实的逻辑主线，力求在保证数学严谨性的同时，注重物理图像的清晰构建，使读者能够深刻理解流体行为背后的物理机制。 --- 核心章节与内容详解 第一部分：流体力学的基本原理 (The Fundamentals) 第一章：流体与流动的描述 (Fluid and Flow Description) 本章首先界定流体的基本概念，区分液体、气体和粘性流体的特性。重点介绍描述流动的基本量——流速场、压力场、密度场和温度场。引入了拉格朗日和欧拉两种描述视角，并详细阐述了物质导数（或称随体导数）的概念及其在描述随流体质点运动变化中的重要性。本章还初步介绍了流场的可压缩性与不可压缩性的判断依据。 第二章：流体静力学 (Fluid Statics) 本章集中讨论流体在平衡状态下的力学特性。推导了静压强的基本方程，并详细分析了静压强随深度、密度和重力加速度的变化规律。重点讨论了浮力、阿基米德原理的应用，以及在不同几何形状容器中作用于壁面的总压力和合力矩的计算方法。引入了测压计和压力传感器的工作原理，为后续的流体动力学分析打下基础。 第三章：流体运动的控制方程 (Governing Equations of Fluid Motion) 这是全书理论核心之一。本章严格推导了描述流体运动的三大基本守恒定律的微分形式，即： 1. 质量守恒方程（连续性方程）： 针对可压缩和不可压缩流体进行详细推导和分析。 2. 动量守恒方程（纳维-斯托克斯方程，Navier-Stokes Equations）： 详细分解了牛顿流体和非牛顿流体中粘性应力项的构成，并讨论了其在不同坐标系下的形式。 3. 能量守恒方程： 考虑了热传导、粘性耗散和外加功对流体温度场的影响。 本章还将介绍这些方程组的积分形式，如雷诺输运定理（Reynolds Transport Theorem），并展示如何将其应用于控制体分析。 第二部分：分析方法与经典解 (Analytical Methods and Classic Solutions) 第四章：无粘流体动力学（欧拉方程的应用） (Inviscid Flow Dynamics) 本章探讨了忽略粘性影响（$mu=0$）时的流体运动，即欧拉方程。重点分析了伯努利方程（Bernoulli’s Equation）的推导、适用条件及其工程应用，如文丘里管、皮托管等。同时，引入了势流理论（Potential Flow Theory），讲解了速度势和流函数，并应用复变函数方法求解二维无粘、不可压缩流动的基本叠加原理。 第五章：粘性流的简化分析与解析解 (Viscous Flow Simplifications and Analytical Solutions) 本章集中于粘性对流动的影响，但在特定简化假设下求解纳维-斯托克斯方程。详细分析了边界层理论的提出背景，并对经典的层流问题进行了精确求解，包括： Couette Flow (库艾特流)： 两个平行平板间的剪切流动。 Poiseuille Flow (泊肃叶流)： 管道内恒定压力梯度下的层流。 Creeping Flow (斯托克斯流)： 低雷诺数下的流动，如球体周围的拖曳力计算。 第六章：量纲分析与相似性原理 (Dimensional Analysis and Similarity) 本章强调了实验和工程中的实用工具。通过 Buckingham $pi$ 定理，系统地介绍了如何将复杂的物理问题降维，识别出关键的无量纲参数，如雷诺数（Re）、弗劳德数（Fr）、韦伯数（We）和马赫数（Ma）。详细解释了物理相似性（几何相似、运动学相似和动力学相似）的工程意义，为模型试验设计提供了理论指导。 第三部分：湍流与实际工程问题 (Turbulence and Practical Engineering Applications) 第七章：边界层、分离与拖曳 (Boundary Layers, Separation, and Drag) 本章深入研究了高雷诺数下流体与固体壁面相互作用的现象。推导了边界层方程，并使用普朗特/卡门积分方法（Prandtl/Karman Integral Method）进行近似求解。重点分析了流动分离现象的物理机制、分离角，以及如何通过外形设计（如翼型设计）来延迟或控制分离。详细阐述了表面摩擦阻力（Skin Friction Drag）和压差阻力（Pressure Drag）的计算。 第八章：湍流流动基础 (Fundamentals of Turbulent Flow) 湍流是大多数工程实际中的主流状态。本章引入了湍流的基本统计特性，包括瞬时速度脉动、平均速度、湍流强度和雷诺应力。着重分析了雷诺平均纳维-斯托克斯方程（RANS）的封闭性问题，并介绍了主要的湍流模型家族，如零方程模型（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）的基本思想和适用范围。 第九章：管道与管路流动 (Pipe and Duct Flow) 本章将前述理论应用于最常见的工程系统——管道。详细分析了完全发展层流和湍流在圆管中的流动阻力，引入了达西-韦斯巴赫公式和摩擦系数图（Moody Chart）的构建与使用。讨论了管路系统中的局部阻力（如阀门、弯头）计算，以及管路网络分析的基础方法。 第十章：外部流动与升力 (External Flow and Lift) 本章聚焦于流体绕过物体时的流动，特别是机翼和汽车等物体。重点阐述了升力（Lift）和阻力（Drag）的产生机理，包括仰角对升力的影响。简要介绍了翼型设计中的关键概念，如剖面曲线、厚度与展弦比对气动性能的影响。 --- 本书特色 1. 理论与实践的紧密结合： 每个理论概念的提出都伴随着明确的工程背景和实际案例分析，确保读者不仅知其然，更知其所以然。 2. 清晰的数学推导： 纳维-斯托克斯方程的推导过程被分解为清晰的步骤，辅以详细的张量分析介绍，为进阶研究打下坚实基础。 3. 计算流体力学（CFD）的理论前驱： 本书对湍流模型和控制方程的细致讨论，为读者后续学习数值方法和CFD软件应用提供了必要的理论支撑。 4. 丰富的习题设置： 每章末尾均附有难度适中的习题，涵盖了从解析计算到概念辨析的多种题型，旨在巩固学习效果。 《流体力学基础与应用》力求成为读者在复杂流体世界中航行的可靠指南，帮助工程师和研究人员精确预测、控制和利用流体行为。
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