Prandtl's essentials of fluid mechanics pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:Springer

作者:Herbert Oertel

出品人:

页数:723

译者:Katherine Mayes

出版时间:2004

价格:79,95 €

装帧:Hardcover

isbn号码:9780387404370

丛书系列:

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流体力学基础：洞察流体运动的精髓 本书简介 《流体力学基础》是一本深入探讨流体力学基本原理、概念和应用的综合性教材。它旨在为工程、物理、地球科学等领域的学生和专业人士提供一个坚实而全面的理论框架，帮助他们理解和预测流体（液体和气体）在各种条件下的行为。本书强调物理直觉与数学严谨性的结合，引导读者从现象观察到理论建立，再到实际问题的解决。 --- 第一部分：流体静力学与连续介质基础 本书伊始，首先建立流体描述的数学基础，即连续介质假设。我们详细阐述了为什么在宏观尺度下将流体视为连续体是有效的，并引入了描述流体运动和状态的关键场量，如密度、压力和速度。 流体静力学部分是理解流体平衡状态的基石。我们将系统地推导流体在静止状态下压力的分布规律，重点分析帕斯卡定律和静水压力梯度方程。这包括对浮力、阿基米德原理的深入探讨，并扩展到对固定表面上的总作用力、力矩的计算，以及用于测量压力和液位的各种仪表（如皮托管、压力计）的工作原理。特别地，本书对浸没曲面上的压力分布进行了详尽的几何分析，这对于船舶设计和水利工程至关重要。 --- 第二部分：流体运动学与控制体积分析 在从静力学过渡到流体运动时，本书清晰地区分了拉格朗日视角（追踪单个流体质点）和欧拉视角（固定在空间中的观测点）。我们详细解释了如何利用物质导数（或随体导数）来描述流体性质随时间的变化，并阐述了速度场、加速度场、流线、迹线和流迹线的几何意义及其相互关系。 流量、质量守恒与控制体积分析是本书的核心部分之一。我们将重点介绍雷诺输运定理（Reynolds Transport Theorem, RTT），这是将微分形式的守恒定律应用于宏观系统（控制体积）的桥梁。通过详细推导和应用质量守恒定律（连续性方程），读者将掌握如何处理非定常流动和可压缩流动的质量平衡问题。本书提供了大量实例，展示如何选择合适的控制体积来简化复杂的瞬态或稳态问题分析。 --- 第三部分：流体力学中的基本守恒定律 本部分是本书的理论支柱，系统地推导和应用了动量守恒和能量守恒定律。 3.1 动量守恒（牛顿第二定律的应用） 我们将动量守恒定律应用于控制体积，推导出动量方程。这部分强调了如何精确计算作用于流体上的表面力和体积力，尤其是动量通量的计算。内容涵盖： 固定和旋转叶轮上的力矩计算：例如喷嘴的反作用力、水轮机导叶上的推力。 流体射流问题：如消防水龙带、火箭推进等。 动量方程的微分形式：导向欧拉方程的建立，为后续的无粘流动分析奠定基础。 3.2 能量守恒（热力学第一定律的应用） 本书详细讨论了流体中的能量形式——内能、动能和势能。我们应用能量方程（第一定律）于控制体积，推导了描述流体系统热力学过程的通用方程。重点分析了系统中的热传导、热对流和做功项，特别关注机械能守恒在无粘、等温流动中的简化应用，即伯努利方程的推导及其多功能性。本书批判性地探讨了伯努利方程的应用边界和限制。 --- 第四部分：粘性流体的运动——纳维-斯托克斯方程 本书认识到粘性效应在真实流动中的核心地位，因此对粘性流体的描述进行了深入探讨。 应力-应变关系与本构方程：我们首先引入牛顿流体的概念，推导出粘性应力张量与速度梯度之间的关系，从而精确地描述了流体内部的摩擦效应。 纳维-斯托克斯（Navier-Stokes, N-S）方程：本书将前面所有守恒定律（质量、动量）在考虑粘性后，以微分形式统一表达，导出了流体力学中最核心的方程组——N-S方程。我们对该方程的物理意义、非线性特性及其在不同流动场景下的简化（如简化为斯托克斯流动、边界层方程的引出）进行了细致的解析。 薄边界层理论：针对高雷诺数流动，本书引入了边界层概念，并详细阐述了普朗特对该理论的奠基性贡献。我们推导了简化版的边界层方程，并使用普朗特-卡门积分法（Prandtl-Kármán Integral Momentum Equation）求解简单的速度剖面，从而成功预测了压壁面上的阻力与分离现象。 --- 第五部分：经典流动分析与相似性原理 为使理论知识应用于实际工程问题，本书引入了量纲分析和相似性原理。 量纲分析与 Buckingham $pi$ 定理：我们阐述了如何通过识别关键的无量纲参数（如雷诺数、弗劳德数、马赫数等）来系统化地组织实验数据，并建立物理现象之间的相似性关系。这是工程设计中进行缩尺模型试验的理论基础。 无粘流动分析：虽然是理想化模型，但无粘流动（欧拉方程）在理解流场结构上仍有价值。我们探讨了势流理论，包括源、汇、偶极子和库塔线（Kutta Condition）的组合，用于分析绕流体翼型周围的流动，并推导出达朗贝尔佯谬及其在引入粘性（边界层）后的修正。 内部流动：本书详细分析了管道流动。对于不可压缩、粘性流，我们推导了哈根-泊肃雨叶（Hagen-Poiseuille）层流解，并探讨了湍流流动的特性，包括摩擦因子图（Moody Diagram）的使用，以及沿程和局部能量损失的计算方法。 --- 总结 《流体力学基础》不仅是一本教科书，更是一本引导读者构建物理图像、掌握数学工具的参考手册。全书内容由浅入深，从基础的流体静力平衡，逐步深入到复杂的粘性流动和湍流现象，为读者理解从宏观水利工程到微观生物流体输运等广泛领域中的流体行为，提供了不可或缺的理论支撑。本书力求清晰的推导过程、丰富的工程实例和对物理意义的深刻洞察，确保学习者能够真正掌握流体力学的精髓。

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这本教材简直是流体力学学习的“避风港”，尤其对于那些初次接触这门学科，或者感觉传统教材过于晦涩难懂的人来说。作者的叙述方式非常平易近人，没有那种高高在上的学术腔调，而是像一位经验丰富的导师在手把手地引导你。最让我印象深刻的是他对基本概念的解释，不是那种干巴巴的公式堆砌，而是通过大量的、生动的实例来阐释物理图像。比如，在讲解边界层分离时，他会用我们日常生活中水流绕过障碍物的现象来做类比，让人一下子就能抓住问题的核心。书中的插图质量极高，每一张图都经过精心设计，不仅仅是辅助理解，很多时候，看图比看文字更能帮助我建立起对复杂流动的直观认识。这种注重物理直觉培养的教学方法，极大地降低了学习的心理门槛，让我感到学习流体力学并非遥不可及的“硬骨头”。它成功地平衡了理论的严谨性与教学的可接受性，使得复杂的数学推导在清晰的物理背景下变得顺理成章，而不是孤立无援的符号游戏。我甚至觉得，如果能在本科阶段就接触到这样体系化的教材，我的整个学习轨迹都会发生积极的改变。

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我必须强调一下这本书的习题设计，这才是真正区分一本“好书”和一本“伟大教材”的关键所在。这里的习题绝不是那些简单代入公式就能得答案的“水题”。它们的设计理念显然是服务于工程应用的，很多题目都需要读者综合运用不同章节的知识点，进行多步骤的分析和推导。有些问题甚至带着一丝开放性，要求你根据实际情况做出合理的简化假设，这极大地锻炼了我的工程判断力。我记得有一道关于管道流动阻力的习题，要求考虑温度变化引起的粘度修正，如果只是机械地套用达西-魏斯巴赫公式，是无法得到合理解的。这本书迫使我回顾了热力学基础，并将流体力学与传热学知识结合起来，这种跨学科的思维训练是课堂教学中很难获得的宝贵体验。做完这些习题后，我感觉自己对流体行为的掌控力有了质的飞跃，不再是“会算”而已，而是真正“理解”了。

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从排版和阅读体验的角度来看，这本书也达到了极高的水准，这对于长时间与教材打交道的读者来说至关重要。纸张的质感很好，即使长时间翻阅也不会有廉价感，油墨的清晰度保证了公式和图表的辨识度，这在处理那些包含大量上下标和希腊字母的公式时显得尤为重要，有效减少了因辨认不清而产生的阅读疲劳。更值得称赞的是，书中对符号的定义和使用保持了高度的一致性，几乎没有出现前后矛盾或定义模糊的情况，这在复杂的流体力学著作中是一个巨大的优点。此外，它的索引和术语表做得非常详尽，当我需要快速回顾某个特定概念或公式的出处时，查找效率极高，大大节省了我的复习时间。整体而言，这本书的设计者显然非常尊重读者的阅读感受，每一个细节都透露出对知识传播的专注和严谨。

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这本书在处理现代流体力学发展前沿时，展现出了一种积极的、面向未来的视野，这一点让我非常欣赏。它没有将流体力学知识点固化在几十年前的经典框架中，而是适当地引入了当前研究热点，比如微尺度流动、生物流体力学中的基本原理，甚至是对机器学习在CFD求解中应用的初步探讨。当然，这些前沿内容的篇幅控制得恰到好处，保持了教材的主体性和稳定性，但其价值在于为有志于继续深造的读者指明了方向，提供了进一步探索的知识线索。它成功地向我们传达了一个信息：流体力学是一门充满活力的、不断进化的学科。阅读这本书的过程，就像是登上了一个高台，不仅能看清脚下的坚实基础，还能远眺学科发展的辽阔前景，这种启发性是任何单纯的应试指南所无法比拟的。它培养的不仅仅是解题的能力，更是对科学探索的热情。

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这本书在处理进阶主题时的处理手法，简直是教科书级别的典范，体现出作者深厚的学术功底和高超的教学智慧。它并没有止步于介绍经典理论的表面，而是深入挖掘了这些理论背后的假设和局限性。举个例子，在讨论不可压缩流动的数值方法时，作者不是简单地罗列几种算法，而是细致地剖析了每种方法在处理网格畸变、边界条件等实际工程问题时的优劣势，并且引用了大量的经典文献作为支撑，这使得内容极具说服力和深度。阅读过程中，我明显感觉到作者在引导我进行批判性思考，而不是盲目接受结论。对于那些准备深入研究计算流体力学（CFD）或者非牛顿流体等领域的学生来说，这本书提供了一个坚实的理论基石，它让你知道“为什么”要这么做，而不是仅仅告诉你“该”怎么做。其章节间的逻辑衔接也处理得非常巧妙，从最基础的守恒定律到复杂的湍流模型，每一步的过渡都像是精心编排的乐章，层层递进，一气呵成，让人在不知不觉中完成了知识体系的构建。

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Thank you, Prof. Yun Wang.

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