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《流体力学与岩土工程基础：从理论到实践的桥梁》 图书简介 本书旨在为土木工程、水利工程及相关领域的学生和工程专业人士提供一个全面且深入的、聚焦于流体力学基本原理在岩土工程应用中的教材。它不仅仅是对经典流体力学理论的罗列，更是将这些理论严谨地嵌入到我们日常所面临的复杂地质环境和水土相互作用问题中，强调从基础概念到实际工程问题的解决路径。 本书结构清晰，内容涵盖了从流体静力学到湍流模型、从地下水流动的基本方程到边坡稳定分析中的渗流影响等多个关键领域。我们的目标是培养读者将抽象的物理定律转化为解决实际工程挑战的工具的能力。 --- 第一部分：流体运动的基本原理与描述 本部分奠定了整个课程的理论基础，专注于理解流体的固有特性以及描述其运动的数学框架。 第一章：流体基本概念与流体静力学 本章首先界定了流体的物理特性，包括密度、比重、粘度（牛顿流体与非牛顿流体）、表面张力与压缩性。随后，深入探讨了流体静力学。重点分析了作用在平面和曲面上的流体压力分布，这是理解水工结构、挡土墙和水下结构受力的基础。详细推导了静水压力、总压强中心和作用力的计算方法，并辅以大量涉及水库大坝和闸门设计的实例。 第二章：流体运动的描述与控制方程 本章引入了描述流体运动的两种核心方法：拉格朗日描述（追踪单个流体质点）和欧拉描述（在固定空间点上观察流场）。随后，系统地推导和阐述了流体力学的核心控制方程——质量守恒方程（连续性方程）和动量守恒方程（纳维-斯托克斯方程）。我们将方程从微分形式转化为积分形式（控制体积分析），为后续的工程应用奠定基础。特别强调了在岩土工程背景下，如何简化这些方程，例如在低速渗透流中应用达西定律。 第三章：理想流体与粘性流体的基本分析 本章区分了理想流体（忽略粘性影响）和粘性流体的流动特性。对于理想流体，重点讲解了伯努利方程的物理意义、限制条件及其在流速测量（如皮托管管）中的应用。对于粘性流体，则引入了雷诺数（Reynolds Number）的概念，用于判断流态（层流与湍流）。详细分析了粘性对边界层发展的影响，并初步探讨了管道中的能量损失。 --- 第二部分：实际流动现象与工程分析 在掌握了基本方程后，本部分将理论应用于更复杂的、具有工程意义的流动问题，特别是与水土相互作用相关的现象。 第四章：管道流动与局部水头损失 本章专注于工程中最常见的输水或排水系统——管道流动。系统分析了圆管内稳定层流（Hagen-Poiseuille定律）和湍流的特性。重点讨论了湍流边界层、摩擦因子（Moody图表的应用）以及由于阀门、弯头和突然截面变化引起的局部水头损失计算。最后，结合水泵和管网系统设计，展示了如何进行总水头损失平衡分析。 第五章：明渠水流动力学 明渠流动是水利和环境工程中的常见场景，如河流、灌溉渠道和排水沟。本章详细分析了均匀流、均匀流和明渠中的能量和动量关系。核心内容包括临界流现象、弗劳德数（Froude Number）的物理意义，以及水力跳跃（Hydraulic Jump）的发生条件、能量耗散和设计应用。本章会特别强调曼宁公式在渠道设计中的实用性。 第六章：流体量纲分析与模型相似性 在进行水工模型试验或对复杂流场进行简化时，量纲分析至关重要。本章系统介绍 Buckingham $pi$ 定理，通过构建无量纲参数群（如韦伯数、欧拉数、斯托克斯数等），帮助工程师预测原型的行为。这对于理解相似律（几何相似、运动学相似和动力学相似）在缩尺模型试验中的应用，特别是涉及泥沙运动和结构物水力作用的试验设计，提供了坚实的理论基础。 --- 第三部分：渗流理论与岩土工程应用 本部分是全书的核心，它将前述的流体力学原理直接应用于多孔介质——土壤和岩石中的水流问题，这是岩土工程水力学的基础。 第七章：土壤中的渗流理论——达西定律及渗透性 本章聚焦于地下水流动的基本规律。首先，通过宏观角度引入并详细推导了描述多孔介质中液体流动的达西定律（Darcy's Law），阐述了渗透系数的物理含义及其影响因素（颗粒级配、孔隙度、流体粘度）。随后，讲解了渗透张量，用于处理各向异性的地层。本章提供了一系列计算渗透路径、等势线和流线的方法。 第八章：地下水流场的分析与势流理论 将流体力学中的势流理论（Potential Flow）引入渗流分析。定义了水力势和流函数，推导出拉普拉斯方程在二维稳态渗流问题中的应用。重点讲解了解析法（如共轭函数法）和图形法（如渗流网法）来求解复杂边界条件下的渗流场。这些工具是分析堤坝、水工建筑物地基渗漏和管涌现象的基础。 第九章：渗流对岩土结构稳定性的影响 本章将水力学与岩土力学紧密结合。详细分析了地下水对有效应力原理的影响，特别是孔隙水压力的计算。核心内容包括管涌（Piping）现象的判据和起动条件，以及边坡稳定分析中的渗流影响，如何通过计算瞬态和稳态渗流压力来评估土体抗剪强度的变化，从而指导边坡和基坑的设计。 第十章：瞬态渗流与固结理论的初步连接 本章简要介绍了非稳态渗流问题，包括渗流时间的计算。最后，将渗流理论引向时间效应，简要概述了Terzaghi一维固结理论的背景，解释了有效应力变化与孔隙水压力消散之间的内在联系，为后续的“土力学”课程做铺垫。 --- 本书特色 本书的结构设计注重理论的严谨性与工程实践的紧密结合。每章末尾均配有“工程案例回顾”和“习题与探讨”，旨在引导读者将所学公式应用于实际工程数据。全书语言清晰，图表丰富，是土木水利工程领域不可多得的、专注于流体力学在复杂地质环境中应用的参考书。
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