具体描述
好的，这是一本名为《流体力学基础与工程应用》的图书简介，完全不涉及《离散数学》的内容，旨在提供一个详尽、专业且富有吸引力的阅读指南。 --- 《流体力学基础与工程应用》 内容概述：驾驭无形的力量，探索物质运动的奥秘 《流体力学基础与工程应用》是一部全面、深入且极具实用价值的教科书与参考手册。本书旨在为工程、物理、环境科学以及相关领域的学生、研究人员和一线工程师提供坚实的理论基础和前沿的工程应用指导。我们不仅系统地梳理了流体力学的基本原理、分析方法和计算工具，更强调如何将这些理论知识转化为解决实际工程问题的能力。 本书的结构设计遵循“理论先行，应用驱动”的原则，从宏观的现象描述过渡到微观的分子运动机制，最终聚焦于复杂工程系统中的流体行为预测与控制。全书力求在保持科学严谨性的同时，确保内容的清晰度和可读性，使读者能够平稳地跨越从初级概念到高级分析的鸿沟。 --- 第一部分：基础与静力学——流体的本质与平衡 本部分奠定了流体力学研究的基石。我们首先聚焦于流体运动的宏观描述，即场的概念，并引入流体动力学分析中不可或缺的控制体方法（Control Volume Approach）。 1. 流体的基本概念与性质： 详细讨论了流体的定义、粘性、密度、压缩性、表面张力以及流体分类（牛顿流体与非牛顿流体）。重点解析了“连续介质假设”的适用范围和物理意义。 2. 流体静力学： 深入探讨了静止流体中的压力分布规律。内容包括帕斯卡定律、静水压力公式的推导、测压计（皮托管、U型管）的工作原理与误差分析，以及浮力、阿基米德原理在船舶稳定性和浮力计算中的应用。特别设计了关于水工结构受力分析的实例，展示静力学在坝体设计中的关键作用。 3. 运动学： 分析流体运动的描述方式——欧拉观点与拉格朗日观点。引入了流线、迹线、流束的概念，并详细讲解了速度场、加速度场的梯度分析，为后续的动力学分析做好准备。 --- 第二部分：流体动力学——守恒定律的数学表达 第二部分是全书的核心，它将守恒定律与微分方程分析相结合，构建了描述流体运动的数学框架。 4. 积分形式的守恒方程： 基于控制体方法，详细推导了质量守恒（连续性方程）、动量守恒（纳维-斯托克斯方程的积分形式）和能量守恒方程。这些方程是所有宏观流体问题分析的起点。 5. 微分形式的控制方程： 深入探讨了纳维-斯托克斯方程（Navier-Stokes Equations）的完整形式，包括其在笛卡尔、柱坐标和球坐标系下的表示。重点讲解了无粘流体的欧拉方程，以及如何通过势流理论处理复杂的无粘流动问题，包括达西定律（D’Alembert’s Paradox）的讨论。 6. 粘性流动的分析： 引入了雷诺数（Reynolds Number, Re）作为无量纲参数的重要性，阐述其在判断流动状态（层流与湍流）中的决定性作用。详细分析了边界层理论，包括普兰特（Prandtl）的边界层概念、斯托克斯问题（Stokes Flow）以及平板上的摩擦阻力计算。 7. 相似性与量纲分析： 运用白金汉 $pi$ 定理，教授读者如何通过量纲分析构建无量纲参数（如马赫数、弗劳德数、韦伯数），这对于工程中的物理模型实验设计和结果外推至关重要。 --- 第三部分：流动类型与经典应用 本部分将基础理论应用于具体的流动场景，强化读者的工程直觉。 8. 管内流动分析： 聚焦于管道系统中的实际问题。详细分析了达西-魏斯巴赫摩擦因子的确定（穆迪图的应用）、沿程阻力和局部阻力（局部配件）的计算。内容涵盖了复杂管网的流量分配、泵站选型与系统水头线分析。 9. 外部流体力学： 探讨物体绕流问题，包括机翼、汽车车身和建筑结构周围的气动/水动力特性。深入讲解了升力与阻力的产生机制，以及如何通过流场可视化技术（如烟流、粒子成像测速 PIV）评估物体表面的压力分布和分离点。 10. 可压缩流动的初步： 引入了马赫数的概念，重点讨论了等熵流动、斜激波和正激波在超音速飞行器设计中的影响。对于空气动力学和燃气轮机设计领域提供必要的理论基础。 11. 开敞渠道水流： 专为水利工程设计，包括均匀流、变坡水流的分析，曼宁公式的应用，以及堰流、渠道中的水跃（Hydraulic Jump）现象的能量分析与工程控制。 --- 第四部分：计算流体力学（CFD）导论与现代工程实践 认识到解析解在复杂几何体中的局限性，本书的最后一部分全面介绍了现代工程中不可或缺的数值方法——计算流体力学。 12. CFD的基本框架： 概述了求解纳维-斯托克斯方程的主要数值方法，包括有限差分法（FDM）、有限体积法（FVM）和有限元法（FEM）的基本思想。重点介绍如何将控制方程离散化，并讨论了压力-速度耦合算法（如SIMPLE算法）的流程。 13. 湍流模型的选择与应用： 深入分析了湍流的复杂性，并详细介绍了工程中最常用的湍流模型，如零方程、一方程（如Spalart-Allmaras）、二方程（如$k-epsilon$ 和 $k-omega$ SST 模型）的适用范围、优缺点和网格无关性要求。 14. 工业案例分析： 通过多个大型案例（如热交换器的优化设计、复杂地形下的风场模拟、水泵叶轮的水力优化），演示如何利用专业CFD软件（如Ansys Fluent, OpenFOAM）建立物理模型、设置边界条件、执行求解并进行后处理，确保结果的可信度与工程实用性。 --- 本书特色 理论的深度与工程的广度完美结合： 每一章节的理论推导后，均紧接着至少两个详细的工程实例计算。 丰富的图表与算例： 包含数百张精心绘制的流场图、流程图和对比图表，辅助理解抽象概念。 批判性思维培养： 不仅教授“如何计算”，更强调“何时使用何种模型”，培养读者对模型假设局限性的识别能力。 现代计算工具集成： 提供了CFD工具的使用指导，确保读者能快速对接现代工业标准。 《流体力学基础与工程应用》旨在培养新一代能够驾驭复杂流体现象，并能利用先进工具解决能源、交通、环境和生物医学等前沿工程挑战的专业人才。阅读本书，将使您真正掌握这门“无形的力量之学”。
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