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出版者:

作者:Crowe, Clayton T./ Elger, Donald F./ Roberson, John A./ Williams, Barbara C.

出品人:

页数:592

译者:

出版时间:2008-9

价格:$ 263.86

装帧:

isbn号码:9780470259771

丛书系列:

图书标签:

• 流体力学
• 工程流体力学
• 流体 mechanics
• 工程
• 物理
• 应用数学
• 机械工程
• 传热
• 流体动力学
• 计算流体力学

流体力学基础与应用：理论、模型与工程实践 内容提要 本书旨在为读者提供一套全面、深入且注重实践的流体力学知识体系，涵盖了从经典理论到现代计算方法的广泛领域。它不仅仅是一本教科书，更是一本指导工程师和研究人员理解、分析和解决实际工程问题的工具书。全书结构严谨，内容详实，旨在培养读者扎实的物理直觉和严密的数学建模能力。 第一部分：流体力学基础与基本原理 本部分奠定了整个流体力学研究的基石。首先，我们深入探讨了流体的基本概念、分类（如牛顿流体与非牛顿流体）及其本构关系。重点分析了流体的宏观特性，如密度、粘度、表面张力等，并详细阐述了它们在不同物理条件下的变化规律。 1. 连续介质假设与流场描述： 深入讨论了流体力学区别于固体力学的核心——连续介质假设的适用范围和局限性。引入了描述流体运动的物质导数（或随体导数）概念，并详细解释了拉格朗日描述和欧拉描述之间的转换关系。对于复杂的流场，我们介绍了描述流场随时间变化的矢量和张量工具，如速度梯度张量、应变率张量，为后续的守恒定律建立奠定数学基础。 2. 守恒定律的建立： 这是流体力学分析的核心。本书严格推导了质量守恒（连续性方程）、动量守恒（纳维-斯托克斯方程组的完整形式）和能量守恒（热力学第一定律在流体中的体现）的积分形式和微分形式。特别地，我们对纳维-斯托克斯方程中的压力梯度项、粘性应力项和惯性项进行了详尽的物理意义解读，并讨论了在不同坐标系（笛卡尔、圆柱、球坐标系）下的具体表达。能量方程的推导将热传导、粘性耗散和对流项清晰地分离，便于读者理解能量在流体中的传递机制。 3. 边界条件与本构关系： 详细阐述了在固体壁面（无滑移条件）、自由表面和无穷远处的物理边界条件的设定方法。针对粘性流体，重点分析了牛顿流体的线性应力-应变率关系，并对黏滞系数的温度和压力依赖性进行了讨论。对于非牛顿流体，引入了如幂律模型、宾汉塑性模型等，并分析了它们在化工、生物医学工程中的应用场景。 第二部分：分析工具与经典解 在掌握了基本方程后，本部分着重于介绍解析方法和求解简化问题的技巧，这是培养工程直觉的关键步骤。 4. 流动分类与无量纲分析： 强调了雷诺数（Reynolds Number）作为判断流动惯性力与粘性力相对大小的核心无量纲参数的重要性，并将其与边界层理论紧密结合。此外，还介绍了其他关键无量纲数，如弗劳德数（Froude Number）、韦伯数（Weber Number）和马赫数（Mach Number），并讨论了如何利用π定理（Buckingham Pi Theorem）进行物理现象的相似性分析，这对于实验设计和模型缩放至关重要。 5. 潜在流理论与环量概念： 在假设流体不可压缩且无粘性（即欧拉方程）的前提下，引入了势函数和流函数（Stream Function）的概念。通过二维势流场的叠加原理，详细求解了偶极子、源/汇、涡以及经典的库塔-儒可夫斯基定理，用于分析机翼和叶片的升力产生机理。 6. 粘性流动的解析解： 重点解析了两种最基础且重要的粘性流动模型： 恒定压力梯度下的牛顿流体流动： 详细推导了平行平板间的泊肃叶流（Poiseuille Flow）和圆管中的粘性流动（Hagen-Poiseuille Flow），分析了速度剖面、流量和压降之间的精确关系。 平行平板间的库埃特流（Couette Flow）： 探讨了由外部驱动或内部运动壁面引起的剪切流动，是理解轴承润滑和间隙流动的关键。 7. 边界层理论： 这是连接无粘流（欧拉方程）与粘性流（Navier-Stokes方程）的桥梁。详细推导了普朗特边界层方程，并应用布劳修斯（Blasius）的相似解法求解平板上附着流动的边界层厚度、摩擦阻力系数和动量损失。此外，还分析了压强梯度对边界层分离的影响，并介绍了动量积分方程在近似求解中的应用。 第三部分：工程应用与高级主题 本部分将理论知识应用于实际工程问题，并引入了更具挑战性的流动现象。 8. 管流与损失计算： 结合达西-魏斯巴赫公式，系统分析了管道中的完全发育湍流。详细区分了沿程阻力（摩擦损失）和局部阻力（阀门、弯管等附件损失）。通过穆迪图（Moody Diagram）的构建与应用，指导读者如何根据雷诺数和相对粗糙度准确预测压力损失。 9. 绕流与升阻力： 分析了流体绕过钝体和尖锐物体时的复杂流动特性，包括拖曳力（Drag）和升力（Lift）的产生机理。重点讨论了卡门涡街（Kármán Vortex Street）现象，以及如何通过物体形状设计（如翼型设计）来优化流体力学性能，降低阻力或增加升力。 10. 可压缩流基础： 在马赫数远小于0.3的流动中，流体可视为不可压缩。但当马赫数增大时，密度变化不可忽略。本章引入了等熵流动、等温流动和绝热流动的概念，重点分析了正激波（Normal Shock Wave）和斜激波（Oblique Shock Wave）的形成及其对流动参数的影响，为超音速飞行器设计提供理论基础。 11. 湍流的描述与建模： 鉴于大多数工程流动是湍流，本书将投入大量篇幅探讨湍流的统计特性（脉动速度、雷诺应力）。详细介绍了雷诺平均纳维-斯托克斯（RANS）方程的推导及其封闭性问题，并对主流的代数模型（如零阶模型）和一方程/两方程模型（如 $k-epsilon$ 模型和 $k-omega$ 模型）的工作原理进行了深入比较和批判性评估。 12. 简介：非牛顿流体与多相流： 简要介绍了剪切变稀/增稠流体的行为特征，并探讨了在化工和石油工业中常见的气-液、液-固两相流的界面输运问题，为读者了解更前沿的研究方向打下基础。 本书特色： 注重物理图像的构建： 每个数学公式的推导后，都伴随着对其背后物理意义的详尽解释。 平衡理论与实践： 理论部分严谨，习题设计上强调从物理情景到数学模型的转化能力。 现代工程导向： 整合了边界层分离、湍流建模等与现代计算流体力学（CFD）紧密相关的关键概念。 强调守恒思想： 通过统一的守恒定律框架，帮助读者建立跨越不同流动类型的统一认知。

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