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《流体力学基础与应用》 内容简介： 本书系统地阐述了流体力学领域的核心理论、基本原理及其在工程实践中的广泛应用。全书内容力求兼顾理论的深度与工程应用的广度，旨在为学习者构建一个扎实、系统的流体力学知识框架。 第一部分：流体力学的基本概念与流体静力学 本部分首先引入流体力学的基本研究对象——流体，区分了牛顿流体与非牛顿流体的本构关系，并详细讨论了流体的宏观描述（如物质点概念、雷诺输运定理）和微观描述（如连续性假设）。 重点内容包括流体静力学。我们深入探讨了静止流体中的压力分布规律，推导了欧拉方程的静力学形式。对各种压力测量仪器（如U形管、皮托管、压力传感器）的工作原理进行了详尽的分析，强调了不同压力测量方法在实际工程环境中的适用性与局限性。此外，还涵盖了流体浸没曲面上的总压力、合力计算，以及浮力与稳定性的分析。 第二部分：流体运动学与流体动力学方程 本部分聚焦于流体运动的描述。首先，详细讲解了描述流场运动的两种主要方法：拉格朗日描述和欧拉描述，并阐述了它们之间的相互转换。运动学部分重点分析了流线的概念，包括流线、迹线和时间线，并给出了描述流场运动速度、加速度、涡度与应变率的矢量表示。 随后，本书的核心内容——流体动力学方程组的推导被详尽展开。我们从牛顿第二定律和质量守恒定律出发，严格推导了描述不可压缩牛顿流体运动的纳维-斯托克斯（Navier-Stokes, N-S）方程。对于可压缩流体，则推导了包含能量方程的完整控制方程组。书中特别强调了简化假设（如理想流体、粘性流体）对最终方程形式的影响。 针对简化情况，如无旋流动（势流理论）和层流，我们分别求解了拉普拉斯方程和简化的N-S方程，探讨了二维定常流动的解析解法，例如共形映射在解决复杂几何流动问题中的应用。 第三部分：管内流动与边界层理论 本部分将理论应用于工程中最为常见的管内流动问题。首先，详细分析了粘性流体在管道中的流动，包括层流和湍流。针对层流，精确求解了泊肃叶流的流速剖面、最大速度与流量，并讨论了摩擦因子的计算。 对于湍流，本书引入了雷诺平均的概念，阐述了湍流脉动、雷诺应力及其对平均流场的影响。系统介绍了湍流模型（如零阶、一阶模型），并深入分析了普朗特一玻尔兹曼速度缺陷律、壁面律等经验性规律。针对圆形管道，详细阐述了穆迪图的构建及其在确定压力损失中的应用，并讨论了管路附件（阀门、弯头）引起的局部阻力计算方法。 边界层理论是理解复杂流动分离现象的关键。本部分引入了普朗特边界层概念，推导了边界层基本方程（Prandtl方程）。重点分析了平板上流动的速度边界层厚度、摩擦阻力系数的计算，并讨论了边界层分离的条件与控制手段。 第四部分：物理相似性、量纲分析与模型实验 本部分关注如何将实验室结果推广到实际工程尺寸，以及如何通过实验手段验证理论。我们详细阐述了物理相似性的基本准则，包括几何相似、运动学相似和动力学相似。 核心内容集中在量纲分析，特别是π定理的详细应用。通过无量纲化，本书演示了如何将复杂的物理现象简化为少数几个关键的无量纲参数（如雷诺数、马赫数、福禄德数等）的函数关系。这些参数是进行模型实验和工程估算的基础。 关于相似模型实验，本书讨论了水槽实验、风洞实验的布置与数据采集方法。特别强调了在进行模型试验时，如何通过精确控制无量纲数，确保模型试验结果与原型工况的有效关联性，并讨论了由于模型与原型差异带来的限制（如表面粗糙度、重力效应等）。 第五部分：流体机械基础与特殊流动 本部分将前述理论应用于重要的工程设备。 在流体机械基础方面，详细分析了动量方程在叶轮机械中的应用。推导了欧拉涡轮方程，用于计算水泵、水轮机、风机等设备的理论功率和叶片载荷。重点讨论了叶轮机械中的气蚀现象及其对设备性能的影响。 特殊流动部分涵盖了若干重要的工程问题： 1. 可压缩流动基础： 引入了马赫数和等熵关系，讲解了等熵膨胀与压缩、激波（正激波、斜激波）的形成与特性，以及喉道限制对流动的影响。 2. 多孔介质流动： 阐述了达西定律及其适用范围，分析了地下水流和过滤过程中的渗流问题。 3. 开放水域流动： 分析了薄水面流动中的波浪理论基础，以及水面与结构物相互作用的初步模型。 本书配有丰富的工程实例、习题和图表，旨在帮助读者将抽象的物理概念转化为解决实际工程问题的能力。它不仅是流体力学专业学生的教材，也是从事航空航天、土木水利、能源动力等领域工程师的重要参考书。
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