Fundamentals Of Fluid Mechanics pdf epub mobi txt 電子書 下載2026

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出版者:John Wiley & Sons Inc

作者:Munson, Bruce R./ Young, Donald F./ Okiishi, Theodore H.

出品人:

頁數:344

译者:

出版時間:

價格:42.6

裝幀:Pap

isbn號碼:9780471718963

叢書系列:

圖書標籤:

• 流體力學
• 流體 mechanics
• 工程流體力學
• 傳熱
• 流體動力學
• 流體靜力學
• 工程
• 物理
• 機械工程
• 本科教材

《流體力學基礎：理論與應用前沿》 本書導言：理解流體世界的脈動 流體——無論是氣態還是液態——構成瞭我們宇宙中物質存在的最普遍形態之一。從宏觀的行星際空間中的星際介質流動，到微觀的血液在毛細血管中的輸運，再到日常生活中風的形成、水流的控製，流體運動無處不在，深刻地影響著自然現象與工程實踐。理解流動的規律，是現代科學與工程的基石。 《流體力學基礎：理論與應用前沿》旨在為讀者提供一個全麵、深入且富有洞察力的流體力學知識體係。本書不僅僅是傳統教材的簡單重述，而是聚焦於如何將嚴謹的數學框架與復雜的實際問題相結閤，探索流體運動背後的深層物理機製。我們摒棄瞭過於簡化的、脫離實際的理論模型，而是強調概念的清晰度、物理圖像的構建以及現代計算與實驗方法的融閤。 本書麵嚮具有紮實微積分、綫性代數和基礎物理學背景的本科高年級學生、研究生以及需要迴顧或深化流體力學知識的工程專業人士和研究人員。我們的目標是培養讀者分析和解決新穎流體動力學問題的能力，而不僅僅是記憶公式。 第一部分：流體力學的基礎與描述 本部分奠定整個學科的理論基石，側重於如何用數學語言精確描述流體的運動狀態。 第一章：流體力學的基本概念與物質觀 本章首先引入流體力學的基本研究對象——流體，並區分其與固體物質的本質差異，重點在於“連續介質假設”（Continuum Hypothesis）的適用性與局限性。我們詳細探討瞭描述流體運動的兩種基本視角：拉格朗日（物質導數）和歐拉（空間點）描述法，並推導齣物質導數在描述隨流體運動的物理量變化中的核心作用。空間微分、位移場、速度梯度張量等關鍵概念被引入，為後續的應力分析做準備。 第二章：流場的運動學分析 運動學關注的是流體“如何”運動，而不涉及作用於其上的力。本章深入剖析速度場的幾何特性。我們詳細分析瞭流綫的（Streamlines）、跡綫的（Pathlines）和時間綫（Streaklines）之間的區彆與聯係，特彆是在非定常流動中的辨析。速度梯度張量的分解是本章的重點，我們將其分解為鏇轉部分（渦度 $oldsymbol{omega} = abla imes mathbf{u}$）和變形部分（應變率張量 $e_{ij}$）。渦度概念被賦予深刻的物理意義，如鏇轉和平流輸運，並引入瞭環流（Circulation）的概念及其與邊界層理論的初步關聯。 第三章：流體的本構關係與應力分析 流體在變形時會産生內力，即應力。本章專注於建立描述流體內部應力與變形率之間的關係——本構方程。我們首先定義瞭壓力（靜水壓力）與法嚮應力，隨後重點討論牛頓流體（Newtonian Fluid）的綫性黏性本構關係，推導齣粘性應力張量的具體形式，並引入粘度（$mu$）和體膨脹係數（$kappa$）等流體力學參數。對於非牛頓流體，我們簡要介紹剪切速率依賴的流變學模型（如冪律流體），以拓寬應用的範圍。 第四章：控製體積分析與守恒定律 本章是工程應用的核心支柱。我們從微積分的散度定理（Divergence Theorem）齣發，推導齣一係列宏觀控製體積方程。這包括： 質量守恒（連續性方程）： 在拉格朗日和歐拉形式下的錶述，以及在不可壓縮流體中的簡化形式。 動量守恒（歐拉方程/柯西動量方程）： 建立瞭作用於流體上的力（壓力梯度力、黏性力、體積力）與流體加速度之間的關係。 能量守恒： 闡述瞭熱力學第一定律在流體運動中的應用，推導齣粘性耗散項對能量方程的影響。 這些方程的建立為後續的分析奠定瞭嚴格的數學基礎。 第二部分：理想流體與經典解 在引入黏性的復雜性之前，本部分首先考察黏性為零的理想情況，這有助於我們理解保守力場和勢流的數學特性。 第五章：歐拉方程與伯努利原理 在忽略黏性和漩渦（$oldsymbol{omega} = 0$）的情況下，動量方程簡化為歐拉方程。本章的核心是伯努利方程的推導及其應用。我們詳細闡述瞭伯努利常數（或稱總壓）的物理含義——能量守恒的體現。從外部流動的伯努利方程到穿過流管的伯努利方程，本書強調瞭其局限性，特彆是與重力項和非保守力項的處理。對文丘裏效應、動壓與靜壓的轉換進行瞭詳細的工程案例分析。 第六章：勢流理論與流綫疊加 勢流是無鏇、不可壓縮流體的一種特殊情況，其速度場可以由速度勢函數 ($phi$) 描述。本章係統地介紹瞭拉普拉斯方程在二維和三維流場中的應用。我們深入探討瞭源、匯、偶極子以及均勻流等基本流元。通過綫性疊加原理，可以構建齣復雜的翼型周圍的流場，如庫塔-茹科夫斯基定理（Kutta-Joukowski Theorem）的推導及其在升力産生中的作用。 第三部分：黏性流動的核心——納維-斯托剋斯方程 本部分是流體力學從理想化走嚮真實的轉摺點，聚焦於黏性對流動結構産生的決定性影響。 第七章：不可壓縮牛頓流體的納維-斯托剋斯方程 本章正式引入粘性項，導齣描述不可壓縮牛頓流體運動的納維-斯托剋斯（Navier-Stokes, N-S）方程。我們將N-S方程視為質量守恒和動量守恒的完整錶達，並強調其高度非綫性和耦閤性，解釋瞭為何解析解極為罕見。本章也迴顧瞭達西定律（在多孔介質中）和斯托剋斯流（極低雷諾數）的簡化形式。 第八章：相似性、量綱分析與雷諾數 在無法解析求解N-S方程時，相似性分析成為工程設計的關鍵工具。本章詳細介紹瞭雷諾數（Reynolds Number, Re）的物理意義——慣性力與黏性力之比。通過π定理（Buckingham Pi Theorem），我們係統地展示瞭如何通過無量綱化將復雜的物理問題轉化為參數空間中的相似性問題，極大地簡化瞭實驗設計和模型縮放。 第九章：邊界層理論的誕生與平闆流動 黏性效應在靠近固體錶麵的區域被急劇放大，形成瞭邊界層。本章詳細闡述瞭邊界層理論的物理基礎和普朗特（Prandtl）的簡化假設。我們重點分析瞭平闆上的定常、二維、不可壓縮流動，推導並求解瞭布拉修斯方程（Blasius Equation），得到瞭速度廓綫、邊界層厚度、以及皮拖係數（Skin Friction Coefficient）的解析結果。 第十章：流動分離、阻力與升力 流動分離是高雷諾數流動中最關鍵的非理想現象之一。本章探討瞭壓力梯度對邊界層穩定性的影響，解釋瞭流動分離點的位置及其後果，如形狀阻力（Form Drag）的産生。我們區分瞭摩擦阻力和壓差阻力，並討論瞭如何通過增加湍流或使用減阻裝置（如渦流發生器）來延遲或控製流動分離。 第四部分：特定流動類型與進階主題 本部分涵蓋瞭流體力學中具有重大理論和實際意義的進階主題。 第十一章：管流與管道中的能量損失 本章專注於固定管道中的流動。我們分析瞭層流（Poiseuille Flow）的精確解，並詳細介紹瞭從層流到湍流的轉變（臨界雷諾數）。針對湍流管流，我們引入瞭達西-韋斯巴赫公式，並利用摩阻係數圖（Moody Chart）來估算沿程摩擦損失。此外，我們也考慮瞭彎管、閥門等局部部件引起的局部能量損失。 第十二章：流動中的渦鏇動力學 渦度在流體運動中扮演著核心角色，尤其是在與物體相互作用時。本章超越瞭簡單的環流概念，深入探討瞭三維渦鏇結構，如渦絲理論（Biot-Savart Law的擴展）。我們分析瞭渦鏇與壁麵的相互作用，以及非綫性渦鏇運動（如自由剪切層中的捲麯現象）。 第十三章：可壓縮流動的導論 當流速接近音速時，流體的密度變化不再可以忽略，流體力學進入瞭可壓縮流動的範疇。本章引入瞭馬赫數（Mach Number, Ma）。我們著重分析瞭等熵流動（Isentropic Flow）的概念，特彆是通過拉伐爾噴管（De Laval Nozzle）的擴張/壓縮過程來理解跨聲速流動的基本特性。斜激波和正激波的形成與對流場的影響作為可壓縮流動中不可逆轉的現象被詳細分析。 結語：展望未來 流體力學仍在快速發展。本書的最後一部分展望瞭現代研究的前沿，包括湍流模型（RANS、LES、DNS的哲學差異）、微流控技術中液體間的界麵張力效應，以及流體結構相互作用（FSI）在生物工程和航空航天中的交叉應用。掌握本書內容，將使讀者能夠自信地進入這些前沿領域，並為解決二十一世紀的工程挑戰做好準備。

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