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出版者:Newnes

作者:Richard Gentle

出品人:

页数:320

译者:

出版时间:2001-6-5

价格:GBP 55.00

装帧:Paperback

isbn号码:9780750652131

丛书系列:

图书标签:

• engineering
• Engineering
• 机械工程
• 机械系统
• 工程设计
• 系统分析
• 控制系统
• 热力学
• 流体力学
• 材料力学
• 制造工程
• 自动化

《流体机械的奥秘：从理论到实践的深度探索》 本书旨在为读者提供一个全面而深入的流体机械领域知识体系，涵盖了从基础理论原理到实际工程应用的全过程。本书不仅适合机械工程、能源工程、航空航天工程等相关专业的本科生和研究生，也为从事流体机械设计、制造、运行及维护的工程师们提供了宝贵的参考资料。 第一部分：流体动力学基础理论 本部分将系统梳理流体动力学的基本概念和核心定律，为理解流体机械的工作原理奠定坚实的理论基础。 第一章：流体性质与描述 1.1 流体的定义与分类： 详细阐述流体（液体和气体）的本质特征，区分牛顿流体与非牛顿流体，以及可压缩流体与不可压缩流体。 1.2 流体的宏观性质： 深入探讨密度、比重、粘度（动力粘度与运动粘度）、表面张力、压缩性、声速等关键参数，并通过实例说明其对流体行为的影响。 1.3 流体描述方法： 介绍拉格朗日和欧拉两种描述流体运动的方法，重点讲解流场的概念，以及速度场、压力场、温度场等。 1.4 流体微团分析： 引入流体微团的概念，分析其运动状态（平动、转动、变形），为后续的连续性方程和动量方程推导做准备。 1.5 速度梯度张量与流体变形： 探讨速度梯度张量的物理意义，分析流体在其中的线性变形、角变形，为理解粘性力的产生提供理论依据。 第二章：流体静力学 2.1 静压力的定义与性质： 阐述静压力在流体内部的传播方式，以及其在不同方向上的均匀性。 2.2 压强与压强梯度： 分析静流体中压强的分布规律，推导静压强梯度与重力关系，引出静压力基本方程。 2.3 压强测量： 介绍各种压强测量仪器（如U形管压差计、倾斜式压差计、弹簧管压力表等）的工作原理和应用。 2.4 作用在平面和曲面上的静压力： 详细推导作用在平面和曲面上的总静压力及其作用点，这是计算水工结构、船舶等受力情况的重要基础。 2.5 阿基米德原理与浮力： 深入阐述浮力产生的条件、大小和方向，分析物体的沉浮状态。 2.6 稳定性和不稳定性： 讨论浮体的稳定性和非浮体（如潜水器）的稳定问题，涉及重力与浮力的相对位置。 第三章：流体动力学基本方程 3.1 质量守恒定律（连续性方程）： 从物质微团和控制体两种角度推导连续性方程，分析定常流、非定常流、不可压缩流和可压缩流的连续性方程形式。 3.2 动量守恒定律（纳维-斯托克斯方程）： 详细推导纳维-斯托克斯方程，分析其中各项的物理意义（惯性力、压力梯度力、粘性力、外力等）。 3.3 能量守恒定律（伯努利方程）： 从能量角度推导伯努利方程，分析理想流体、实际流体和附加项（如摩擦损失）的影响。 3.4 动量矩定理在流体中的应用： 探讨动量矩定理在分析旋转流和涡流中的应用。 3.5 简化方程与近似方法： 介绍伯努利方程、欧拉方程等简化形式，并讨论其适用条件。 第二部分：流体机械的分类与工作原理 本部分将聚焦于各种主要类型的流体机械，深入剖析其结构特点、工作原理、性能参数以及应用领域。 第四章：叶轮机械基础 4.1 叶轮机械的定义与分类： 区分叶轮式和容积式流体机械，并进一步细分叶轮机械（如离心式、轴流式、混流式）。 4.2 理论性能参数： 定义比转速、效率（水力效率、机械效率、总效率）、扬程（或压头）、流量、功率等核心参数，并解释它们之间的关系。 4.3 相似性原理与特性曲线： 介绍叶轮机械的相似性准则，讲解如何绘制性能特性曲线（如扬程-流量曲线、效率-流量曲线、功率-流量曲线），以及其在选型和运行中的作用。 4.4 汽蚀现象： 深入分析汽蚀的产生机理、危害，以及防止汽蚀的措施（如提高安装高度、增加进口导叶等）。 第五章：泵与压缩机 5.1 离心泵： 5.1.1 结构组成与工作原理： 详细介绍叶轮、蜗壳、泵体、轴封等关键部件，讲解液体在叶轮中的加速和在蜗壳中的减速增压过程。 5.1.2 离心泵的性能特性： 分析不同叶轮结构（如开式、半闭式、闭式）对性能的影响，以及不同转速下的性能变化。 5.1.3 离心泵的选型与应用： 介绍根据流量、扬程、流体性质等选择合适离心泵的方法，并列举其在供水、排水、化工、石油等领域的广泛应用。 5.2 轴流泵与混流泵： 5.2.1 结构与原理： 阐述轴流泵叶轮的特点及其适用于大流量、低扬程工况的原理，以及混流泵结合离心泵和轴流泵特点的优势。 5.2.2 应用场景： 举例说明轴流泵在农田灌溉、排水站等，混流泵在市政给排水、发电厂冷却循环等应用。 5.3 往复泵： 5.3.1 结构与工作原理： 介绍柱塞泵、隔膜泵等往复泵的结构，分析其通过往复运动实现流体输送的原理，以及进排气阀的作用。 5.3.2 往复泵的特点与应用： 讨论往复泵的优点（如流量稳定、扬程高）和缺点（如流量脉动大、结构复杂），及其在高压、计量等领域的应用。 5.4 离心式压缩机： 5.4.1 结构与原理： 详细解析多级离心压缩机的工作流程，包括进气、压缩、中间冷却、排气等环节。 5.4.2 性能与选型： 介绍压缩机的压比、效率、功率等参数，以及根据气体性质、流量、压力需求进行选型。 5.4.3 应用领域： 阐述其在石油化工、空气分离、天然气输送等工业中的关键作用。 5.5 容积式压缩机（罗茨鼓风机、螺杆压缩机等）： 5.5.1 工作原理： 简述罗茨鼓风机（依靠叶轮啮合排气）、螺杆压缩机（依靠旋转螺杆啮合排气）的工作原理。 5.5.2 性能特点与优势： 分析容积式压缩机通常具有恒流量、效率高、结构紧凑等优点。 5.5.3 应用场景： 举例说明其在锅炉送风、气力输送、制冷等领域的应用。 第六章：风机与透平 6.1 工业风机（离心风机、轴流风机）： 6.1.1 结构与类型： 详细介绍不同风筒结构（如前向、后向、辐射式叶片）对风机性能的影响，以及各类型风机的适用工况。 6.1.2 性能参数与选型： 讲解风机的风量、静压、功率、效率等参数，以及根据风道阻力、换气需求进行选型。 6.1.3 应用： 列举风机在通风、排烟、物料输送、燃烧助燃等领域的广泛应用。 6.2 水轮机： 6.2.1 分类与原理： 详细介绍冲击式水轮机（如佩尔顿式）和反应式水轮机（如弗兰西斯式、贯流式、轴流式）的工作原理，分析水流能量转换过程。 6.2.2 性能参数与效率： 讨论水轮机的流量、水头、转速、功率、效率等，以及影响效率的因素。 6.2.3 应用： 强调水轮机在水力发电站中的核心地位，并介绍其在抽水蓄能电站中的应用。 6.3 汽轮机： 6.3.1 分类与原理： 深入讲解冲动式汽轮机（如拉瓦尔喷嘴）和反动式汽轮机的工作原理，分析蒸汽在叶片上的膨胀与加速过程。 6.3.2 结构与关键部件： 介绍汽轮机的汽缸、转子、喷嘴、隔板等关键部件，以及多级串联的优势。 6.3.3 应用： 突出汽轮机在火力发电、核能发电、联合循环发电、船舶动力等领域不可替代的作用。 6.4 燃气轮机： 6.4.1 工作原理： 阐述燃气轮机基于布雷顿循环的工作原理，包括进气、压缩、燃烧、膨胀做功、排气等过程。 6.4.2 组成与效率： 介绍压气机、燃烧室、涡轮等核心部件，并探讨影响其效率的因素（如压比、涡轮进口温度）。 6.4.3 应用： 强调燃气轮机在发电（尤其是联合循环发电）、航空发动机、工业驱动等领域的应用。 第三部分：流体机械的优化设计与现代技术 本部分将超越基本原理，深入探讨流体机械的设计优化方法、先进制造技术以及未来的发展趋势。 第七章：流体机械的计算流体动力学（CFD）分析 7.1 CFD基础理论： 介绍求解纳维-斯托克斯方程的数值方法（如有限体积法、有限元法），以及网格生成、求解器、后处理等基本流程。 7.2 湍流模型： 讲解常用的湍流模型（如RNG k-ε模型、Realizable k-ε模型、SST k-ω模型），以及选择模型的依据。 7.3 CFD在流体机械设计中的应用： 以泵、风机、涡轮等为例，展示CFD如何用于预测流场、优化叶型、分析效率、研究汽蚀和流动损失等。 7.4 CFD的局限性与发展趋势： 讨论CFD在复杂流动、多相流、化学反应等方面的挑战，以及与实验验证相结合的重要性。 第八章：流体机械的实验测试与验证 8.1 实验测试的目的与重要性： 强调实验验证在流体机械性能评估、设计修正、可靠性分析中的关键作用。 8.2 性能测试装置： 介绍流量测量（如孔板、文丘里管、涡轮流量计）、压力测量（如压力传感器）、功率测量（如扭矩传感器、功率计）等关键设备的原理和应用。 8.3 典型流体机械的测试方法： 详细介绍泵、风机、压缩机、涡轮等主要流体机械的性能测试流程和标准。 8.4 汽蚀试验与噪声测试： 探讨如何进行汽蚀试验以确定汽蚀临界值，以及噪声的测量与分析方法。 8.5 实验数据的处理与分析： 讲解如何对实验数据进行处理，包括修正、无量纲化，并与CFD结果进行对比分析。 第九章：流体机械的先进设计方法与制造技术 9.1 优化设计方法： 介绍参数化设计、响应面法、遗传算法等优化算法在叶型优化、结构优化中的应用。 9.2 增材制造（3D打印）在流体机械中的应用： 探讨3D打印技术在复杂叶轮、轻量化结构、定制化设计等方面的优势，以及材料选择和后处理。 9.3 新型材料与表面处理技术： 介绍耐磨、耐腐蚀材料，以及表面涂层、超疏水表面等技术如何提高流体机械的性能和寿命。 9.4 智能监测与故障诊断： 探讨基于传感器网络、数据分析的流体机械运行状态监测、早期故障预警和寿命预测技术。 第十章：流体机械的未来发展趋势 10.1 高效能与节能化： 进一步提升流体机械的能量转换效率，降低运行能耗，以应对全球能源挑战。 10.2 微型化与集成化： 发展微型流体机械（如微泵、微风机）在微流控、医疗器械等领域的应用，以及多功能集成化设计。 10.3 智能化与自动化： 结合人工智能、机器学习等技术，实现流体机械的自主运行、智能控制与优化。 10.4 可再生能源领域的应用： 拓展流体机械在风力发电、潮汐能发电、地热能开发等可再生能源领域的应用。 10.5 可持续性与环保： 关注流体机械的整个生命周期，包括材料选择、制造过程、运行维护以及报废处理的环保性。 本书的结构设计力求逻辑清晰，循序渐进，理论与实践相结合。丰富的图表、实例分析和数学推导将帮助读者深入理解复杂概念。通过阅读本书，读者将能够掌握流体机械的核心知识，提升分析和解决工程问题的能力，为未来的学术研究和工程实践打下坚实基础。

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坦白说，我原本期待这本书能更侧重于最新的数字化制造技术，比如增材制造在复杂结构件设计中的应用，或者更深入地探讨有限元分析（FEA）的高级算法优化。然而，《机械工程系统》似乎更偏向于经典且普适的工程原理和设计哲学，这既是它的优点，也稍微有点“保守”。它花了大量的篇幅来讲解可靠性工程和故障树分析（FTA），这在需要对高风险系统（如航空航天或核电站）进行安全评估时无疑是至关重要的基石知识。书中对FMEA（失效模式与影响分析）的讲解极其详尽，每一个步骤都配有详尽的表格和计算示例，让你能真切体会到“未雨绸缪”在工程实践中的重量。但对于我们这些年轻一代工程师来说，可能会希望看到更多关于“智能维护”和“数字孪生”如何融入传统系统设计的讨论。虽然书中提到了传感器数据的重要性，但如何将海量的实时数据转化为可操作的系统设计参数，这方面的论述略显单薄，更像是附带的脚注，而非核心章节。总体而言，这是一本奠定根基的教科书，如果你已经对这些经典方法了如指掌，可能会觉得在前沿技术探索上有所欠缺。

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这本《机械工程系统》初读下来，给我的感觉非常扎实，像是直接把一个经验丰富的工程师的知识体系摊在了你面前。我之前接触过一些工程学入门书籍，它们往往侧重于基础理论的讲解，公式推导虽然严谨，但总觉得缺少了点“实战感”。这本书则完全不同，它在讲解热力学、流体力学和材料力学这些核心概念时，立刻就将我们拉到了具体的系统层面。比如，在讨论能量转换效率时，作者没有止步于卡诺循环的理想模型，而是深入剖析了实际燃气轮机和蒸汽动力装置中的换热器布局、泵的选型偏差以及管道摩擦损失是如何一步步蚕食掉理论上的最大效率的。更令人称道的是，书中对于“系统集成”的理念贯穿始终。它不是将机械、电气、控制孤立地看待，而是将它们视为一个有机的整体。我印象特别深刻的是关于振动控制的那一章，它不仅详述了模态分析和主动/被动阻尼技术，还结合了汽车悬架和高精度机床的工作案例，清晰地展示了如何通过耦合不同的物理域（结构、控制）来优化系统的动态响应。对于希望从“理解部件”跨越到“设计系统”的工程师来说，这本书提供了绝佳的思维框架，让人明白系统的复杂性源于各个子模块之间的相互依赖和反馈回路。它需要的不仅仅是计算能力，更是对物理现实中各种约束条件的深刻洞察。

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我特别欣赏书中关于“设计优化与权衡取舍”的哲学讨论，这部分内容远远超越了一般工程书籍的范畴，更接近于工程管理和决策科学。作者反复强调，机械工程系统的设计本质上就是一场关于成本、性能、可靠性和可制造性之间的永恒博弈。书中通过几个著名的历史工程案例——比如早期飞机的结构优化过程，或者特定工业机器人的运动学限制——来具体阐释“帕累托最优”的概念。它清晰地展示了，当你试图将某个指标（比如速度）提升到极致时，必然会以牺牲其他指标（比如成本或寿命）为代价。让我印象深刻的是，书中对材料选择的讨论并没有停留在拉伸强度和硬度上，而是纳入了全生命周期的环境影响和回收成本。这种宏观的视角，让我意识到，一个优秀的机械系统设计师，必须是一个成本核算师、一个环境顾问，以及一个风险评估专家。这本书成功地将工程实践的“灰度地带”——那些没有标准答案的决策过程——清晰地呈现了出来，而不是只展示教科书式的“完美解”。

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阅读体验上，这本书的结构安排实在是一次挑战，但也确实是一次“洗礼”。它的章节逻辑并非线性推进，而是围绕几个核心的“系统案例”展开的，比如一个热力循环系统、一个流体动力传输系统，然后穿插介绍相关的理论分支。这种“案例驱动”的方式，起初让我非常困惑，因为我需要不断地在不同章节间跳跃查找背景知识。例如，当你读到一个关于泵站的优化设计时，书中会突然引用流体力学中的边界层分离理论，然后紧接着又跳到控制工程中的PID参数调优。这种非标准的编排方式，要求读者必须具备较高的自学能力和知识整合能力，否则很容易迷失在细节的汪洋大海里。它很少提供那种“一章学完一个独立模块”的舒适感。但反过来说，一旦你适应了这种节奏，你会发现它强迫你像一个真正的系统设计师那样去思考——在一个复杂问题面前，所有知识点都是相互关联、同时作用的。这本书的作者似乎坚信，只有在解决实际问题的压力下，理论知识才能真正内化，所以它几乎没有给你喘息的时间来单纯地记忆公式。

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从排版和图示的清晰度来看，这本书的编辑质量确实有待提高，这在某些章节阅读时造成了不小的障碍。虽然概念是深刻的，但很多关键图表的质量显得有些粗糙，尤其是一些三维爆炸图和复杂的流程图，线条模糊，关键组件的标注不够突出，这对于依赖视觉辅助来理解复杂机械布局的我来说，是个痛点。比如，在解释一个多级压缩机的内部气流路径时，如果没有清晰的剖面图引导，光靠文字描述和略显陈旧的线条图，理解起来十分费力，我不得不经常在网上搜索替代的、更高清的插图来辅助理解。此外，书中引用的参考文献虽然涵盖了经典文献，但很多是上世纪七八十年代的论文，缺少近年来在仿真软件（如Ansys或Abaqus）新功能和新材料属性上的引用支撑。它就像一本内容极其详尽但装帧略显过时的工具书，其知识的深度毋庸置疑，但其呈现方式和对最新行业工具的融合度，确实让它在“即时可用性”上打了折扣。这是一本需要你投入大量精力去“解码”的资源，而不是那种可以轻松翻阅获取快速答案的指南。

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