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《流体力学基础与应用》 内容简介： 本书旨在深入浅出地阐释流体力学的基本原理，并广泛介绍其在工程实践中的应用。全书结构严谨，逻辑清晰，从最基础的流体静力学出发，逐步深入到流体动力学，再到复杂的流动现象和工程应用。内容涵盖了流体性质的描述、流体运动的描述、守恒定律在流体流动中的应用、粘性流体的流动分析、非粘性流体的流动分析、相似性原理在流体流动分析中的应用，以及各种关键的工程应用案例。 第一部分：流体力学基础 第一章 流体的基本性质与描述： 1.1 流体的概念与分类： 详细定义流体，并根据其可压缩性、粘性等将其划分为理想流体、真实流体、牛顿流体、非牛顿流体、不可压缩流体和可压缩流体等。区分固态、液态和气态物质的宏观差异，并解释在工程分析中为何常常将某些物质归类为流体。 1.2 流体的物理性质： 密度 (ρ)： 定义密度，区分质量密度、比重和相对密度，探讨温度和压力对密度的影响。提供常见流体的密度数值范围。 比容 (v)： 定义比容与密度的关系，强调其在热力学分析中的意义。 粘性 (μ)： 深入阐述粘性（动力粘度）的概念，解释牛顿内摩擦定律，引入动力粘度和运动粘度的区别。讨论温度和压力对粘性的影响，例如气体和液体粘性的变化规律。 表面张力 (σ)： 定义表面张力，解释其产生的微观机理，并介绍表面张力在小尺度流动（如液滴、气泡）中的重要性。 可压缩性 (K) 与体积模量 (E)： 定义可压缩性与体积模量，分析其与流体密度变化的关系。区分等温过程和绝热过程下的可压缩性。 蒸汽压 (Pv)： 解释蒸汽压的含义，并讨论其与空化现象的关联。 1.3 流体的受力分析： 1.3.1 压强 (p)： 定义压强，阐述其各向同性。引入绝对压强、相对压强（表压）和真空压强的概念，以及它们之间的换算关系。 1.3.2 作用在平面上的静压强： 推导作用在平面上的静压强合力及合力作用点。 1.3.3 作用在曲面上上的静压强： 分析作用在曲面上静压强合力的大小和方向。 1.4 流体运动的描述方法： 1.4.1 拉格朗日描述法： 引入示踪粒子概念，阐述如何追踪单个流体粒子的运动轨迹。 1.4.2 欧拉描述法： 引入固定参考系，描述空间某一点的流体速度、压强等场量随时间的变化。这是本书后续分析的主要方法。 1.4.3 流线、迹线和涡线： 明确定义流线（瞬时速度场），迹线（单个粒子的运动轨迹）和涡线（涡旋线）。解释在定常流动中三者的关系。 1.4.4 流速场与加速度场： 定义速度梯度张量，推导流体微团的加速度。 第二章 流体静力学： 2.1 静止流体的压强分布规律： 2.1.1 压强梯度： 推导静止流体中压强随高度的变化规律（压强随深度增加而增加）。 2.1.2 连通器原理： 解释在静止的连通容器中，同一种连续的液面总是处于同一水平。 2.1.3 测压管： 介绍测压管的工作原理，如何利用其测量静止流体的压强。 2.2 作用在平面边界上的静压强： 2.2.1 力的计算： 详细讲解如何计算作用在浸没在静止流体中的平面上的总压强和合力作用点。 2.2.2 实例分析： 通过闸门、水坝面板等实际工程案例，演示平面静压强力的计算方法。 2.3 作用在曲面边界上的静压强： 2.3.1 力的分析： 讲解如何将曲面上的合力分解为水平和垂直分量，并分别计算。 2.3.2 浮力： 阐述阿基米德原理，定义浮力，并分析浮体和沉体的稳定性。 2.3.3 案例应用： 分析船体受到的浮力，以及封闭容器内流体对曲面壁面的压力。 2.4 压强计与测压仪器： 2.4.1 U形管压强计： 讲解U形管压强计的工作原理，如何测量压强差。 2.4.2 倾斜式压强计： 介绍倾斜式压强计如何提高测量精度。 2.4.3 气压计： 解释水银气压计测量大气压强的原理。 2.5 浮体与稳性： 2.5.1 稳定性条件： 分析浮体的平衡位置，引入恢复力臂和稳心概念，讨论浮体的稳定性条件（有稳性、无稳性、随遇稳性）。 2.5.2 稳性衡准： 介绍稳性衡准的概念，例如船舶的恢复力臂。 第三章 流体动力学基础——守恒定律： 3.1 流体微团的运动学分析： 3.1.1 速度梯度张量： 详细推导速度梯度张量，并将其分解为平移、转动和变形部分。 3.1.2 涡量与旋度： 定义涡量（vorticity）和旋度（curl），阐述涡量在描述流体旋转运动中的作用。 3.1.3 流体微团的形变： 分析流体微团的拉伸、剪切等形变。 3.2 质量守恒方程（连续性方程）： 3.2.1 直角坐标系下的形式： 推导连续性方程在直角坐标系下的数学表达式。 3.2.2 圆柱坐标系和球坐标系下的形式： 提供其他坐标系下的连续性方程。 3.2.3 定常流动与非定常流动： 分析定常流动和非定常流动下连续性方程的简化形式。 3.2.4 截面平均速度与流量： 定义流量（Q）和平均速度（v），并将其与连续性方程联系起来。 3.2.5 管道流动中的应用： 通过化工管道中的连续性方程，演示如何计算不同截面处的流速。 3.3 动量守恒方程（Navier-Stokes方程）： 3.3.1 欧拉方程（无粘性流体）： 3.3.1.1 推导过程： 从牛顿第二定律出发，推导不可压缩、无粘性流体的欧拉方程。 3.3.1.2 伯努利方程的导出： 沿着流线，通过积分欧拉方程，推导出伯努利方程。 3.3.1.3 伯努利方程的物理意义： 解释伯努利方程中总压强、动压强和静压强的含义，以及其在流动过程中的能量转化关系。 3.3.1.4 伯努利方程的适用条件： 明确指出伯努利方程仅适用于无粘性、不可压缩、定常流动，且能量在流线上的损失可忽略。 3.3.1.5 实际应用： 讲解伯努利方程在文丘里管、皮托管、喷雾器等装置中的应用。 3.3.2 Navier-Stokes方程（粘性流体）： 3.3.2.1 引入粘性力： 从牛顿第二定律出发，考虑粘性力的作用，推导Navier-Stokes方程。 3.3.2.2 粘性应力张量： 详细介绍粘性应力张量的形式，以及其与速度梯度的关系。 3.3.2.3 求解的复杂性： 强调Navier-Stokes方程的非线性及其求解的巨大挑战，引出数值模拟的重要性。 3.3.2.4 简化方程： 介绍某些特定情况下的Navier-Stokes方程简化形式，如斯托克斯方程（低雷诺数流）。 3.4 能量守恒方程（广义伯努利方程）： 3.4.1 能量形式： 从热力学第一定律出发，考虑流体单元的能量变化，包括内能、动能、势能和热量、功等。 3.4.2 功与热量的考虑： 详细分析机械功、体积功、轴功以及热传递对能量平衡的影响。 3.4.3 能量损失： 引入能量损失的概念，将其归因于粘性耗散和边界层效应。 3.4.4 广义伯努利方程： 导出考虑了机械能损失和外加功的广义伯努利方程，并解释各项的物理意义。 3.4.5 实际应用： 讲解广义伯努利方程在水泵、风机、水轮机等能量转换装置中的应用，以及管路系统中的沿程和局部阻力损失计算。 第二部分：粘性流体流动分析 第四章 粘性流动的流动形态与阻力： 4.1 层流与湍流： 4.1.1 雷诺数 (Re)： 定义雷诺数，解释其物理意义，并分析其作为判断流动形态的关键参数。 4.1.2 层流： 描述层流的特征（平滑、有序），以及层流流动的速度分布和剪切应力。 4.1.3 湍流： 描述湍流的特征（紊乱、随机、涡旋），以及湍流流动的混合和能量耗散。 4.1.4 过渡区： 解释层流向湍流转变的过渡区。 4.2 管道中的粘性流： 4.2.1 完全发展的层流： 4.2.1.1 Hagen-Poiseuille方程： 推导Hagen-Poiseuille方程，计算圆形管道内完全发展的层流流量和压强降。 4.2.1.2 速度分布： 分析层流速度的抛物线分布。 4.2.2 完全发展的湍流： 4.2.2.1 湍流速度剖面： 介绍湍流速度剖面的对数律和幂律。 4.2.2.2 沿程阻力系数 (λ)： 定义沿程阻力系数，并介绍其与雷诺数和管壁粗糙度的关系（如Moody图）。 4.2.2.3 压力损失计算： 利用阻力系数计算管道中的沿程压强损失。 4.3 边界层理论： 4.3.1 边界层的产生与发展： 解释粘性流体流经平板时，边界层的形成和发展过程。 4.3.2 边界层分离： 分析在流动阻力增加或发生负压梯度时，边界层发生分离的现象。 4.3.3 边界层参数： 定义边界层厚度、位移厚度、动量亏损厚度等。 4.3.4 阻力计算： 介绍如何利用边界层理论计算平板的摩擦阻力。 4.4 流体绕外体的流动与阻力： 4.4.1 流线形状： 分析流体绕球体、圆柱体、翼型等不同外形物体时的流线分布。 4.4.2 阻力组成： 详细区分摩擦阻力（粘性阻力）和压差阻力（形状阻力）。 4.4.3 阻力系数 (Cd)： 定义阻力系数，并分析其随雷诺数和物体形状的变化。 4.4.4 阻力减小措施： 讨论如何通过改变物体形状（如流线型设计）、添加附体等减小流体阻力。 第五章 粘性流动的特例与应用： 5.1 污泥、膏体等非牛顿流体流动： 5.1.1 非牛顿流体的分类： 介绍剪切变稀流体、剪切增稠流体、宾汉流体等。 5.1.2 rheological 模型： 介绍幂律模型、宾汉模型等描述非牛顿流体流变行为的数学模型。 5.1.3 管道流动分析： 讲解如何将这些模型应用于非牛顿流体在管道中的流动阻力计算。 5.2 多相流体流动： 5.2.1 气液两相流： 5.2.1.1 流型： 介绍气液两相流的泡状流、弹状流、环状流等流型。 5.2.1.2 压降计算： 探讨影响气液两相流压降的因素，以及常用的经验关联式。 5.2.2 气固两相流： 5.2.2.1 悬浮、团聚等现象： 分析颗粒在气流中的运动状态。 5.2.2.2 气力输送： 介绍气力输送原理及其在化工中的应用。 5.2.3 液固两相流： 5.2.3.1 浆体流动： 讲解浆体在管道中的流动特性，如沉降速度、堵塞临界流速等。 5.2.3.2 固液分离过程中的流体行为： 结合沉降、过滤等过程，分析流体作用。 5.3 混合与传质现象中的流体动力学： 5.3.1 宏观混合与微观混合： 区分不同尺度的混合过程。 5.3.2 传质机理： 讲解对流扩散、分子扩散在传质过程中的作用。 5.3.3 搅拌器设计与效率： 介绍不同类型搅拌器的流体动力学特性，以及搅拌效率的评估。 第三部分：相似性原理与量纲分析 第六章 相似性原理与量纲分析： 6.1 相似性原理： 6.1.1 几何相似： 定义几何相似，强调模型与原型在形状和尺寸上的比例关系。 6.1.2 运动相似： 定义运动相似，强调流场中各点的速度和方向具有比例关系。 6.1.3 动力相似： 定义动力相似，强调作用在流体微团上的力的比例关系。 6.1.4 准则数： 阐述相似性分析的核心，即通过选择合适的无量纲参数（准则数）来保证动力相似。 6.2 量纲分析（Buckingham π定理）： 6.2.1 基本量纲与导出量纲： 介绍国际单位制（SI）中的基本量纲（如长度L、质量M、时间T）以及导出量纲（如速度LT⁻¹）。 6.2.2 独立量纲的选择： 讲解如何选择独立的量纲以确定π群的数量。 6.2.3 构建π群： 详细演示如何利用 Buckingham π定理构建无量纲的准则数。 6.3 主要的无量纲准则数： 6.3.1 雷诺数 (Re)： 惯性力与粘性力之比，用于判断流动的层流或湍流。 6.3.2 弗劳德数 (Fr)： 惯性力与重力之比，适用于自由表面流（如明渠、波浪）。 6.3.3 欧拉数 (Eu)： 惯性力与压强差之比，用于表征流体的动力特性。 6.3.4 马赫数 (Ma)： 惯性力与声速之比，用于分析可压缩流体流动（高速流动）。 6.3.5 普朗特数 (Pr)： 动量扩散系数与热量扩散系数之比，用于分析传热问题。 6.3.6 韦伯数 (We)： 惯性力与表面张力之比，用于分析液滴、射流等自由表面问题。 6.4 相似性原理在工程中的应用： 6.4.1 模型试验： 讲解如何利用相似性原理进行模型试验，并用试验结果推算原型数据。 6.4.2 经验公式的归纳： 如何利用量纲分析将大量实验数据归纳成简明的无量纲关联式。 6.4.3 解决复杂工程问题： 演示如何利用相似性原理简化复杂流体问题的分析。 第四部分：流体力学在工程中的应用 第七章 流体输运设备： 7.1 泵： 7.1.1 离心泵： 介绍离心泵的工作原理，叶轮、泵壳等结构，以及泵的性能曲线（扬程-流量、效率-流量、功率-流量）。 7.1.2 容积泵： 介绍齿轮泵、螺杆泵、柱塞泵等容积泵的工作原理，特点和适用范围。 7.1.3 泵的选型与安装： 讨论如何根据流体性质、流量、扬程要求等选择合适的泵。 7.1.4 汽蚀现象： 详细讲解汽蚀的产生机理、危害，以及防止措施。 7.2 风机： 7.2.1 离心风机与轴流风机： 介绍不同类型风机的工作原理和性能特点。 7.2.2 风机的选择与应用： 结合通风、排气、气力输送等需求，讲解风机的选型。 7.3 压缩机： 7.3.1 往复式压缩机与离心式压缩机： 介绍压缩机的工作原理，重点分析其在处理可压缩流体时的热力学和动力学特性。 7.3.2 多级压缩与中间冷却： 讲解提高压缩效率的技术。 7.4 阀门与附件： 7.4.1 各种阀门（截止阀、球阀、蝶阀等）： 介绍其结构、工作原理和流体阻力特性。 7.4.2 局部阻力： 分析管路系统中的弯头、三通、阀门等引起的局部压强损失。 第八章 流体计量与测量： 8.1 流量测量： 8.1.1 差压式流量计： 详细介绍孔板、喷嘴、文丘里管等工作原理，以及流量与压差的关系。 8.1.2 涡轮流量计： 讲解基于转速测量的流量计原理。 8.1.3 电磁流量计： 介绍法拉第电磁感应原理在测量导电流体流量中的应用。 8.1.4 超声波流量计： 讲解声波传播时间或频率变化在流量测量中的应用。 8.1.5 其他流量计： 简述转子流量计、质量流量计等。 8.2 压强测量： 8.2.1 压力表与传感器： 介绍各种测量压强的仪表原理。 8.2.2 差压测量： 讨论如何通过测量压差来推算流量等参数。 8.3 速度测量： 8.3.1 皮托管： 讲解基于伯努利原理测量动压，进而计算流速。 8.3.2 热线/热膜风速仪： 介绍基于传热原理测量流速。 8.3.3 LDA (Laser Doppler Anemometry) 和 PIV (Particle Image Velocimetry)： 介绍先进的非接触式流速测量技术。 第九章 流体在化工单元操作中的应用： 9.1 过滤与分离： 9.1.1 过滤机理： 讲解滤饼形成、颗粒截留等过程。 9.1.2 过滤阻力： 分析过滤过程中流体遇到的阻力，以及滤饼阻力的形成。 9.1.3 压滤机、离心过滤机等： 介绍不同过滤设备的流体动力学基础。 9.2 沉降与离心分离： 9.2.1 沉降速率： 讲解斯托克斯定律及其在颗粒沉降中的应用。 9.2.2 离心沉降： 分析离心力在加速沉降过程中的作用。 9.2.3 沉降槽、离心机等： 介绍相关设备的流体动力学设计。 9.3 吸收与萃取： 9.3.1 气液接触： 讲解填料塔、板式塔等中的气液两相流型和传质过程。 9.3.2 液液接触： 分析萃取设备中的液滴形成、碰撞、聚并等流体动力学现象。 9.4 蒸发与结晶： 9.4.1 传热与流体流动： 分析蒸发过程中加热表面附近的流体流动和传热。 9.4.2 晶体输送： 讨论结晶过程中晶体在流体中的运动行为。 9.5 反应器设计： 9.5.1 搅拌反应器： 结合搅拌器的流体力学，分析物料混合和传质速率。 9.5.2 流化床反应器： 讲解流化床中颗粒的悬浮、混合以及气固两相流特性。 9.5.3 管式反应器： 分析流体在管内的流动行为对反应速率的影响。 附录 常用流体物性参数表 工程中常见的无量纲数取值范围 本书内容丰富，理论与实践相结合，旨在为化学工程、机械工程、环境工程等相关专业的学生、研究人员及工程技术人员提供一个系统、深入的流体力学学习平台。通过对本书的学习，读者将能深刻理解流体行为的本质，掌握分析和解决流体相关工程问题的基本方法和工具。
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这本书的排版和装帧简直让人爱不释手，拿到手上就感觉沉甸甸的，满满的知识感。封面设计简洁而不失专业性，字体选择也恰到好处，让人在阅读过程中感到非常舒适。特别是那些复杂的化学反应式和流程图，印刷得极其清晰，即便是初次接触化工原理的读者也能轻松理解其中的精妙之处。而且，这本书的纸张质量非常棒，拿在手里有一种高级感，翻阅时也不会有那种廉价的摩擦声。对于我们这些需要经常查阅和做笔记的理工科学生来说，这种细节上的用心实在太重要了，它极大地提升了学习的体验，让人愿意花更多时间沉浸在知识的海洋中。我甚至觉得，光是把这本书放在书架上，都觉得自己的书房增添了几分学术气息。
评分内容组织上，这本书的处理方式非常巧妙，它似乎有一种魔力，能将那些看似枯燥的理论知识，通过巧妙的实例串联起来，变得生动有趣。我尤其欣赏它在引入新概念时的循序渐进，每一步推导都考虑到了读者的认知过程，没有那种突然掉入深坑的感觉。书中大量引用的实际工业案例，更是让人茅塞顿开，明白了那些抽象的公式在现实世界中究竟是如何发挥作用的。这不仅仅是一本习题集，更像是一位经验丰富的老教授在手把手地指导你如何思考问题、如何构建解决问题的完整逻辑链条。读完一章，我常常会有一种“原来如此”的顿悟感，这种学习的成就感，是其他教材难以比拟的。
评分说到习题部分，我简直要为之鼓掌喝彩！它的难度梯度设计得堪称完美，从基础概念的巩固，到中等难度的综合应用，再到挑战思维极限的难题，层层递进，毫不含糊。我试着做了几道后面的综合题，发现它们不仅仅是简单地套用公式，更考验的是对原理的融会贯通能力和灵活变通的技巧。更棒的是，书后附带的详细解析，不是那种冷冰冰的答案，而是深入剖析了每一步计算背后的物理或化学意义，让你清楚地知道“为什么这么算”，而不是“照着这么算”。这种详尽到位的讲解，是我在自学过程中最需要的“拐杖”和“指明灯”。
评分就其作为一本学习辅助工具的价值来看，这本书的性价比简直高得惊人。它不仅仅涵盖了基础知识的复习和强化，更重要的是，它在潜移默化中培养了我们作为未来工程师所需的那种严谨细致的科学态度。我发现，自从开始系统地使用这本书进行学习后，我在课堂讨论和小组项目中的参与度都提高了，因为我有了一个坚实的理论后盾。它就像是我的“秘密武器”，让我面对那些看似无解的工程难题时，总能保持一份从容和自信。这本书绝不是那种读完就束之高阁的“一次性用品”，它注定会成为我专业学习生涯中，一本被反复翻阅、标注、甚至被“折磨”出汗水的宝典。
评分这本书的语言风格给我留下了非常深刻的印象，它保持了一种高度的学术严谨性，但同时又避免了过度晦涩难懂的术语堆砌。作者似乎非常懂得如何与读者“对话”，用词精准到位，逻辑链条清晰有力，读起来毫不费力。很多其他教材读起来像是在啃石头，而这本书更像是品味一杯精心酿制的威士忌，初尝可能需要适应，但回味无穷，越品越觉其醇厚。对于需要用英文原版教材作为参考资料的我们来说，这本书提供了一个绝佳的“中文解读桥梁”，它让那些复杂的工程术语变得更加本土化、更容易消化吸收。
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