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《流体力学基础与应用》 内容简介 本书旨在为工程技术人员、科研工作者以及相关专业的高年级本科生和研究生提供一个全面、深入且实用的流体力学理论与工程应用指南。全书内容组织遵循从基本原理到复杂工程问题的递进结构，注重理论推导的严谨性与实际工程案例的结合，力求使读者不仅掌握流体力学的核心概念，更能熟练运用这些知识解决实际工程挑战。 第一部分：流体力学基本原理 第一章：流体力学的基本概念与物质属性 本章首先界定流体力学的研究范畴及其在现代工程中的地位，特别是与传热学、材料科学的交叉点。随后，详细阐述了流体的基本定义——连续介质假设，并深入探讨了流体的主要物性参数，包括密度（恒定密度与可压缩流体）、粘度（牛顿流体与非牛顿流体）、表面张力与表面能，以及流体在不同温度和压力下的状态方程。本章重点区分了流体力学与固体力学在描述物质运动和受力方式上的根本差异，为后续的分析奠定了理论基础。 第二章：流体静力学 本章集中讨论流体在静止状态下的受力分析。从流体静力学基本方程的推导出发，系统阐述了压强的定义、静水压力随深度的变化规律，以及皮托管原理在静压测量中的应用。内容涵盖了平面与曲面上的静压力、静水力矩的计算，特别详细分析了浮力、阿基米德原理的应用，以及船体稳定性的基本判据。本章通过大量的工程实例，如水坝设计中的侧向力计算、潜水器受力分析等，巩固了静力学分析方法的实用性。 第三章：流体运动学 流体运动学关注流体的运动描述，而不涉及作用于流体上的力。本章引入了描述流场运动的两种基本方法：拉格朗日描述（跟随质点）和欧拉描述（固定空间点）。详细讨论了流线、迹线和脉线这三种描述流场运动的几何概念及其相互关系。对流场的物质导数、速度梯度张量、应变率张量等关键概念进行了严格的数学定义，并引入了涡度、旋转率和线应变率的概念，为后续的流体动力学方程的建立做好了准备。 第四章：流体动力学——积分形式的控制方程 本章是全书的核心基础之一，主要基于雷诺输运定理（Reynolds Transport Theorem）导出流体运动的守恒定律的积分形式。首先，导出质量守恒方程（连续性方程）在控制体上的形式，并分析了层流与湍流条件下的应用。其次，导出动量守恒方程（纳维-斯托克斯方程的积分形式），即欧拉方程或柯西动量方程，重点阐述了体积力（如重力）和表面力（如压力和粘性力）在动量平衡中的作用。最后，探讨了能量守恒方程在控制体上的应用，强调了粘性耗散项在不可逆过程中的意义。 第二部分：微分形式与简化方程 第五章：纳维-斯托克斯方程与简化模型 本章将前一章的积分形式方程推广到微分形式，即著名的纳维-斯托克斯方程组，这是描述粘性流体运动的根本性方程。详细分析了牛顿流体的本构关系。随后，基于工程实际，系统推导了主要的简化模型： 1. 欧拉方程： 零粘性流体（理想流体）的运动方程，是分析非粘性流动的起点。 2. 伯努利方程： 在恒定流、无粘、无旋（等熵）流动中，能量方程的积分形式，重点讨论其适用范围和限制。 3. 沿壁面流动的简化： 边界层理论的引入，探讨了粘性效应集中在靠近固体壁面的薄层中的物理图像。 第六章：相似性、量纲分析与模型设计 本章提供了将复杂的流体力学问题简化和推广的强大工具。首先通过量纲分析（Buckingham Pi定理）确定无量纲参数（如雷诺数、弗劳德数、马赫数、欧拉数等）的物理意义及其在工程中的重要性。深入讨论了物理相似性和动态相似性的要求，详细阐述了风洞试验、水槽试验等模型试验的设计原则、尺度选择、以及如何利用相似定律将模型试验结果外推到原型上，是工程应用中节省成本和时间的必要技能。 第三部分：经典流动问题分析 第七章：外部绕流与升力/阻力 本章专注于流体与固体物体相互作用的外部流动问题。详细分析了流线分离现象，并引入了流体动力学中的核心概念——阻力（Drag）和升力（Lift）。深入研究了平板上的边界层发展、摩擦阻力系数的计算，以及形状阻力（压差阻力）的成因。针对翼型绕流，详细讲解了库塔-茹科夫斯基定理，计算翼型所产生的升力，并探讨了失速现象的物理机制。 第八章：内部管道流动 本章专门处理流体在限制性通道（管道、管网）中的流动。首先分析了圆管内层流和湍流的特征，推导了泊肃叶定律（Poiseuille flow）。对于湍流，重点引入了达西-韦斯巴赫摩擦因子、Moody图的应用，以及沿程、局部水头损失的计算方法。随后，讨论了管网的流动分析方法，包括串联、并联管网的求解，以及泵和阀门等流体机械元件对系统性能的影响。 第九章：可压缩流体基础 本章将分析流速接近或超过声速时的流动现象。首先介绍了等熵流动的基本特性，并推导了流管中可压缩流动的基本关系，如马赫数、速度与压力的关系。重点讲解了激波（Shock Waves）的物理本质、正激波和斜激波的分析（由罗伊方程/亥姆霍兹方程导出），以及它们在超音速喷管设计和气动加热中的应用。 第四部分：实验技术与进阶主题 第十章：流动测量技术 本章介绍现代流体力学研究中常用的实验测量手段，强调了数据的准确性和可靠性。内容涵盖了压力测量（皮托管、静压孔、压力传感器）、速度测量（粒子图像测速 PIV、激光多普勒测速 LDV），以及温度和组分测量技术。对流场可视化技术（如示踪剂、烟雾可视化）的原理和应用也进行了概述。 第十一章：湍流流动基础 湍流是工程中最普遍但理论上最难处理的流动形态。本章在介绍湍流的统计特性（平均流、脉动量、雷诺应力）的基础上，重点介绍了对湍流建模的几种主要方法：雷诺平均纳维-斯托克斯（RANS）方程的推导，以及简化的代数湍流模型（如零方程、一方程和二方程模型，如 $k-epsilon$ 模型）在工程软件中的应用原理。 附录： 重要的流体力学常数表、标准大气参数、常用管道粗糙度系数表。 目标读者与特色： 本书结构严谨，内容覆盖面广，尤其注重将严格的数学物理基础与实际工程计算紧密结合。每章均配有大量的例题解析和课后习题，以巩固读者的分析和计算能力。它不仅是学习流体力学理论的优秀教材，更是工程设计和问题解决中不可或缺的参考手册。
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