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出版者:中国水利水电

作者:丁新求 编

出品人:

页数:164

译者:

出版时间:2003-1

价格:13.90元

装帧:

isbn号码:9787508413235

丛书系列:

图书标签:

• 水力学
• 流体力学
• 工程流体
• 水工学
• 流体机械
• 计算流体力学
• 水资源
• 工程教育
• 高等教育
• 理工科

《工程流体力学导论》图书简介 内容概述： 《工程流体力学导论》是一部全面深入探讨流体运动规律及其工程应用的经典教材。本书旨在为工程技术人员、相关专业的研究生以及高年级本科生提供坚实的理论基础和实用的分析工具。全书内容涵盖了从宏观的流体静力学到复杂的湍流模型，重点突出经典理论与现代工程实践的紧密结合。 本书结构清晰，逻辑严谨，从流体力学的基本概念和守恒定律出发，逐步深入到具体问题的求解方法。我们力求在保持理论深度和严谨性的同时，注重工程背景的体现，使读者能够清晰地理解流体现象背后的物理机制，并能将所学知识应用于实际工程设计和分析之中。 --- 第一部分：基础与静力学 第一章：流体力学的基本概念与物质属性 本章首先界定了流体力学的研究范畴，明确了其在土木、机械、航空航天、化学工程等领域的关键作用。详细介绍了流体（液体和气体）与固体的主要区别，包括对剪切应力的依赖性。随后，深入探讨了流体的基本物理属性，如密度、比重、粘度（牛顿流体与非牛顿流体）、表面张力、可压缩性与体积模量等。本章特别强调了流体性质在不同温度和压力条件下的变化规律，为后续的分析奠定物质基础。 第二章：流体静力学 本章专注于流体在平衡状态下的受力分析。内容包括压力、压强（绝对压强与表压）的概念及其量纲分析。详细推导并阐述了静止流体中压强的变化规律，即基本静力学方程（$ abla p = - ho mathbf{g}$），并将其应用于不同坐标系（直角坐标系、柱坐标系、球坐标系）下的求解。 核心内容包括： 1. 平面和曲面上的总压力计算： 讲解了作用在浸没平面和曲面上的总静水压力大小、作用点（压力中心）的确定方法，特别是对于水坝、船体等结构设计至关重要的论述。 2. 浮力与阿基米德定律： 深入分析了浮力产生的原理，并引入了浮体（如潜水器、船舶）的稳定性和稳心高度的概念，这对于船舶工程具有不可替代的意义。 3. 测压仪器与流体传递： 介绍了 U 形管压力计、皮托管等基础测压仪器的原理和应用，并讨论了帕斯卡原理在液压系统中的工程体现。 --- 第二部分：流体运动学与基本方程 第三章：流体运动学的描述 本章侧重于描述流体运动的数学方法，区分了物质导数（随体导数）与偏导数，并详细介绍了拉格朗日描述法和欧拉描述法。重点阐述了如何用速度场、加速度场来描述流体运动。本章还详细解析了流线、迹线和脉线这三个关键概念的区别与联系，并引入了流线的方程求解方法。 第四章：流体运动的基本守恒定律 本章是全书理论的核心，它将流体力学建立在经典物理学的守恒定律之上。 1. 质量守恒定律（连续性方程）： 从控制体（Reynolds 输运定理）的角度推导了连续性方程在微分形式和积分形式下的表达。重点分析了定常流、不可压缩流以及二维流动下的连续性方程的简化形式，并结合实际管道、喷嘴问题进行应用。 2. 动量守恒定律（欧拉方程与 Navier-Stokes 方程的引入）： 详细推导了控制体上的动量方程，并将其应用于分析管道中的力和力矩，如弯管、扩散管中的推力计算。 3. 能量守恒定律（第一定律）： 基于热力学第一定律，推导了流体流动的能量方程，包括势能、动能和内能的转化。引入了沿流线方向的能量关系——伯努利方程（Bernoulli Equation），讨论了其适用条件、局限性，并推导了非理想流体下的广义伯努利方程（考虑了能量损失）。 --- 第三部分：管流与损失 第五章：粘性流动的基本方程——Navier-Stokes 方程 本章将静力学和理想流体假设抛开，引入粘性对动量传递的影响。详细介绍了 Navier-Stokes 方程的矢量形式及其在不同坐标系下的具体表达，揭示了动量方程的复杂性。 第六章：层流与圆管中的流动 在 Navier-Stokes 方程的基础上，本章专门分析了理想化的层流情况。 1. Poiseuille 流动： 详细推导了粘性不可压缩牛顿流体在充满管道中作定常、充分发展的层流时的速度分布、最大速度、平均速度与剪应力的关系，并计算了相应的压降。 2. 边界层理论的初步介绍： 简要引入了边界层的概念，解释了粘性效应在靠近固体壁面区域的重要性，区分了边界层内部的流态。 第七章：湍流与工程应用 本章聚焦于更普遍存在的湍流现象，其随机性和三维性使得精确解析解极其困难。 1. 雷诺数（Reynolds Number）的重要性： 解释了雷诺数作为判别层流与湍流的关键无量纲参数的作用。 2. 湍流的平均化处理： 介绍雷诺平均化（Reynolds Averaging）技术，推导出雷诺平均 Navier-Stokes 方程，引出雷诺应力（Reynolds Stresses）的概念。 3. 摩擦损失计算： 深入讲解了摩擦系数 $f$ 的确定方法。重点介绍达西-魏斯巴赫公式在计算沿程能量损失中的应用。详细阐述了 Moody 图 的使用方法，该图整合了相对粗糙度和雷诺数，是工程计算中确定摩擦系数的基石。 4. 局部水头损失： 分析了阀门、弯管、突扩、突缩等部件引起的局部水头损失（或称局部阻力），引入了 $K$ 值法和等效长度法。 --- 第四部分：流体力学进阶主题 第八章：相似性、量纲分析与模型试验 本章强调了物理建模和尺度效应的重要性。 1. 量纲分析： 介绍 Buckingham $pi$ 定理，讲解如何通过无量纲化简化复杂的物理问题，识别关键的无量纲参数（如弗劳德数、韦伯数、马赫数等）。 2. 相似性原理： 阐述了流体动力学中的相似性条件（几何相似、运动学相似、动力学相似），这是将模型试验结果外推到原型工程的理论基础。 第九章：流体与固体边界的相互作用 本章探讨了流体流过外部物体的力学问题。 1. 阻力与升力： 详细定义了阻力（Drag）和升力（Lift）的概念，并分析了它们与压力分布和剪切应力的关系。 2. 阻力系数的分析： 针对不同的几何形状（如球体、平板、翼型），分析了阻力系数如何随雷诺数变化，特别关注了尾流分离和临界雷诺数现象。 3. 翼型理论基础： 简要介绍升力产生的基本原理（如 Kutta-Joukowski 定理的初步概念），为空气动力学打下基础。 第十章：可压缩流动的初步探讨 本章将讨论流体速度接近或超过声速时流动的特殊性。 1. 声速与马赫数： 定义声速和马赫数，并推导等温、等熵流动中的基本关系。 2. 正激波与斜激波： 简要介绍在超音速流动中，由于几何突变或障碍物引起的正激波和斜激波现象，及其在熵增和动能损失方面的体现。 --- 本书特色： 本书编排力求平衡理论的深度与应用的广度。每章后均附有大量的例题和习题，旨在巩固读者对基本公式的理解和应用能力。所选取的工程实例具有典型性和代表性，涵盖了水利工程中的渠道和管道设计、航空航天中的气动布局、机械系统中的流动控制等多个领域，确保读者能够构建起完整、实用的工程流体力学知识体系。通过对经典理论的系统学习，读者将能有效地诊断和解决复杂的工程流体问题。

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这本书，我得说，简直是为那些刚踏入土木工程或者环境科学领域的学生量身定做的敲门砖。它没有那些高深莫测的数学公式堆砌，而是用一种非常直观、生活化的方式，把“水”这个看似简单的元素，背后的复杂规律讲得明明白白。记得我刚开始接触流体力学时，看到那些复杂的边界条件和纳维-斯托克斯方程就头疼，感觉自己像在啃一本天书。但是这本书的作者，高明就高明在，他似乎能洞察读者的困惑，总能在关键时刻抛出一个形象的比喻，比如把管道里的水流比作高速公路上的车流，把堰流的能量转换比作过山车从高处冲下的过程。书中的图示也做得极为精细，那些流线、等势线不再是冷冰冰的线条，而是充满了动态的美感。我尤其欣赏它对水力模型试验的介绍，不仅仅停留在理论层面，还深入到如何设计和操作一个小型试验台，这对于我们理解工程实践中的尺度效应和原型规律，无疑是提供了极好的范例。读完前几章，我对水坝、水渠的设计原理有了一种全新的、坚实的认知基础，不再是死记硬背规范条文，而是真正理解了为什么“要这样设计”。

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我对这本书的评价，必须从其对工程实践的指导性角度来审视。市面上很多水力学著作，读完后你可能考过了试，但一到现场，面对真实的湍流、复杂的河道断面、以及难以预测的泥沙输运问题时，依然会感到无从下手。然而，这本书似乎深知工程师的痛点。它在介绍水力结构物设计时，着重强调了“不确定性”和“安全储备”的概念。例如，在设计跌水堰时，它不仅提供了基本的流量公式，还详细讨论了不同材料的抗冲性以及如何通过优化结构布置来分散水流能量。我最喜欢的一点是，它没有回避工程中的“非理想”情况，比如水库泄洪道在不同水位下的脉动效应，以及渠道中出现气泡混合流时的特性变化。这些细节的处理，体现了作者深厚的现场经验，让这本书从一本理论书籍，升华为一本能够指导实际工程决策的实用工具书。

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这本书在知识的系统性和新旧知识的融合方面做得非常出色，这在快速发展的工程领域尤为可贵。它没有沉湎于过去那些经典但已不完全适用的理论，而是巧妙地将经典的伯努利方程和动量分析，与现代的水文模拟和计算机辅助设计（CAD）理念进行了有机结合。比如，在讲授河流的糙率系数时，它不仅列出了曼宁公式的传统表格，还引入了基于遥感数据和GIS分析来确定实际糙率的方法论框架，虽然没有深入到软件操作层面，但至少为我们指明了未来学习的方向。再者，对于环保水利这一新兴领域，书中专门辟出章节讨论了生态流量的概念以及如何将生态需求融入到水库调度和河道整治的设计优化中。这种对前沿领域的积极拥抱，使得这本书即便在今天来看，依然保持着极强的生命力和指导意义，确保我们学到的知识体系是面向未来的，而不是被淘汰的旧有经验。

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这本书的价值，我认为远超出了它作为一本基础教材的范畴，它更像是一本高质量的工程技术手册的理论基石。我曾将它与我购买的其他几本国内外经典的水力学著作进行对比，发现它在“地下水流”这一章节的处理上，显得尤为深刻和细致。很多教材往往草草带过，仅仅给出达西定律的表达式，但这本书花了相当大的篇幅去剖析非饱和带的影响，以及如何将这些理论应用于抽水井的设计和渗漏问题的分析中。特别是在介绍渗流场可视化时，作者使用的网格法和有限差分法的原理阐述，逻辑清晰得令人赞叹，即便我对数值模拟接触不多，也能大致领会其背后的物理意义。此外，它对“水锤现象”的讲解也极其到位，不仅计算了压力波的传播速度，还结合了阀门关闭的速率对系统压力的影响，提供了初步的减压措施建议，这对于设计压力管道系统的人来说，简直是救命的稻草。

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老实讲，我原本以为这会是一本枯燥的教科书，毕竟“水力学”这个名字听起来就带着一股子陈旧的学术气息。然而，这本书的叙事节奏和知识的组织结构，完全颠覆了我的刻板印象。它没有那种平铺直叙、拖沓冗长的开篇，而是直接切入了核心——能量原理和动量原理在水流分析中的应用。这种开门见山的方式，极大地激发了我继续阅读下去的兴趣。更妙的是，它在讲解复杂的水面曲线和明渠设计时，引入了大量的工程案例分析，这些案例并非简单的数字代入，而是深入探讨了历史上的著名水利工程是如何运用这些原理来解决实际问题的，比如某条运河的泄洪道设计如何平衡冲刷与淤积。通过这些具体的“故事”，抽象的理论一下子变得有血有肉，让我感觉自己不是在学习一门学科，而是在跟随一位经验丰富的老工程师学习他的“看家本领”。书中的习题设计也很有层次感，从基础计算到综合设计，难度梯度把握得恰到好处，确保读者在巩固知识点的同时，也得到了解决实际工程问题的能力训练。

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