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出版者:Dover Publications

作者:Hunter Rouse

出品人:

页数:384

译者:

出版时间:1979-02-01

价格:USD 11.95

装帧:Paperback

isbn号码:9780486636993

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流体动力学基础：概念、方程与应用 引言 流体，作为我们生活中无处不在的存在，从微观的血液流动到宏观的大气环流，从精密的工程设计到自然的壮丽景观，其行为的理解至关重要。本书旨在为读者提供流体动力学的坚实基础，深入探讨流体运动的基本原理、支配方程及其在工程和科学各个领域的广泛应用。我们将以清晰的逻辑、严谨的推导和丰富的实例，引导读者逐步掌握这一迷人而重要的学科。 第一章：流体性质与基本概念 本章将首先界定流体的概念，区分液体与气体的特性，并引入流体静力学的基础。我们将探讨流体的几个关键物理性质，包括： 密度 (ρ)： 单位体积的质量，反映了物质的紧密程度。我们将讨论密度如何随温度和压力变化，以及在不同介质中的差异。 比重 (γ)： 密度与标准物质（通常是水）密度之比，对于特定应用尤为重要。 比体积 (v)： 密度的倒数，表示单位质量的体积。 重度 (γ)： 单位体积的重量，与密度和重力加速度有关。 粘度 (μ)： 流体抵抗剪切应力的内在性质，是流体动力学中最重要的参数之一。我们将区分动力粘度与运动粘度，并探讨粘度随温度的变化规律。牛顿流体与非牛顿流体的概念也将在此介绍。 表面张力 (σ)： 液体表面因分子间吸引力而产生的收缩趋势，解释了毛细现象等现象。 压缩性 (K)： 流体体积随压强变化的程度，对于气体的分析尤其关键。我们将引入体积模量和泊松比等概念。 在此基础上，我们将深入流体静力学，探讨： 压强 (p)： 单位面积上受到的力，及其在流体中的分布规律。我们将推导静止流体中压强随深度的变化关系（p = ρgh），并讨论压强计的工作原理。 静压强梯度 (∇p)： 压强变化率的矢量，它是产生流体运动的驱动力之一。 浮力 (F_B)： 浸没在流体中的物体所受到的向上合力，由阿基米德原理精确描述。我们将通过具体例子分析浮力的大小与方向。 力的平衡： 在静止流体中，作用在流体上的力（压强力和重力）必须相互平衡。 第二章：流体运动学 本章将专注于描述流体运动的几何特性，而不考虑引起运动的力。我们将引入两种主要的描述方法： 拉格朗日描述 (Lagrangian description)： 追踪单个流体质点的运动轨迹，就像追踪一个微小的“粒子”一样。这种方法在理论推导中很有用，但在实际计算中相对复杂。 欧拉描述 (Eulerian description)： 关注空间中固定点的流体速度、压强等场变量的变化。这是更常用的方法，能够直接描述流场的空间分布和时间演化。 我们将深入分析流体运动学中的关键概念： 速度场 (v(x, y, z, t))： 描述流体在空间任意点、任意时刻的速度矢量。 加速度场 (a(x, y, z, t))： 由速度场的时间和空间变化率决定，包括物质导数。 流线 (streamline)： 任何时刻与速度矢量相切的曲线。 迹线 (pathline)： 单个流体质点在一段时间内的运动轨迹。 尘埃线 (streakline)： 在同一时刻，所有曾经过同一空间点的流体质点的轨迹。 流体变形： 流体在运动过程中发生的形状变化，包括平移、旋转和变形（伸长或压缩）。我们将引入剪切应变率和涡量等概念。 连续性方程 (Continuity Equation)： 描述质量守恒定律在流体运动中的体现。在欧拉坐标系下，它表示为 ∂ρ/∂t + ∇·(ρv) = 0。对于不可压缩流体，该方程简化为 ∇·v = 0。我们将通过具体算例解释其物理意义。 第三章：流体动力学基础方程 本章是流体动力学的核心，我们将推导和分析描述流体运动的守恒方程。 动量方程（Navier-Stokes方程）： 这是描述粘性流体运动最基本的方程，基于牛顿第二定律。我们将从牛顿第二定律出发，考虑流体受到的惯性力、压强梯度力、粘性力以及外力（如重力）。 牛顿流体粘性力： 讨论粘性力与剪切应变率成正比的线性关系。 张量形式与分量形式： 介绍Navier-Stokes方程的通用张量形式，以及在笛卡尔坐标系下的具体分量形式。 外力项： 考虑重力、电磁力等外力的影响。 不可压缩粘性流体方程： 当流体密度恒定时，Navier-Stokes方程会简化，便于分析。 能量方程： 基于热力学第一定律，描述流体中能量的传递和转化。我们将考虑内能、动能、位能的变化，以及热传导、粘性耗散等能量损耗。 伯努利方程 (Bernoulli's Equation)： 这是一个在特定条件下（如理想流体、无粘性、无能量损耗、稳态流动）动量方程的简化形式，它将压强、速度和高度联系起来。我们将推导其形式（p + 1/2 ρv² + ρgh = constant），并解释其在各种工程应用中的重要性，如文丘里管、飞机机翼升力等。我们将强调其适用范围和局限性。 第四章：流体流动类型与边界层 本章将深入探讨流体流动的不同模式，并引入至关重要的边界层概念。 雷诺数 (Reynolds Number, Re)： 这是一个无量纲参数，用于表征惯性力与粘性力之比，是判断流动状态的关键指标。Re = (ρvD)/μ。我们将解释低雷诺数下的层流（laminar flow）和高雷诺数下的湍流（turbulent flow）。 层流 (Laminar Flow)： 流体质点沿着平滑的、有序的路径流动，没有明显的混合。我们将分析圆管层流和平面层流的特点。 湍流 (Turbulent Flow)： 流体运动混乱、无序，具有随机的涡旋和剧烈的混合。我们将讨论湍流的统计特性，以及其对传质和传热的影响。 边界层理论： 由普朗特提出，描述了流体靠近固体壁面时，由于粘性作用而形成的薄层。 边界层分离 (Boundary Layer Separation)： 当流体流经曲面或压力梯度发生变化时，边界层可能与壁面脱离，导致阻力增加和流动效率降低。 边界层概念在工程中的应用： 如减小空气阻力、提高换热效率等。 流动分离与阻力： 讨论形状阻力（压差阻力）和摩擦阻力，以及流动分离对总阻力的贡献。 第五章：相似性与量纲分析 本章将介绍相似性原理和量纲分析方法，它们是解决复杂流体问题的重要工具。 相似性原理： 使得物理模型实验的结果能够可靠地推广到实际原型。我们将区分几何相似、运动相似和动力相似。 量纲分析： 通过分析物理量的量纲，找出描述某一现象的无量纲参数。 Π定理 (Buckingham Pi Theorem)： 这是一个强大的数学工具，用于确定无量纲参数的数量和形式。 常见无量纲数： 除了雷诺数，还将介绍马赫数（Ma）、弗劳德数（Fr）、韦伯数（We）等，并解释它们在不同流动现象中的意义。 模型实验设计： 如何利用量纲分析和相似性原理设计有效的模型实验，以预测实际工程问题。 第六章：流体机械与应用 本章将把流体动力学的理论应用于实际工程设备和现象。 流体机械： 泵 (Pumps)： 将机械能转化为流体势能或动能的设备，如离心泵、轴流泵。 风机 (Fans) 与压缩机 (Compressors)： 输送气体的设备，用于通风、空调、工业流程等。 涡轮机 (Turbines)： 将流体势能或动能转化为机械能的设备，如水轮机、风力涡轮机。 管道流动： 水头损失 (Head Loss)： 流体在管道中流动时，由于摩擦和局部阻碍引起的能量损失。 达西-韦斯巴赫方程 (Darcy-Weisbach Equation)： 用于计算主要水头损失（摩擦损失）。 局部水头损失： 由于阀门、弯头、收缩等引起的局部能量损失。 公开流动 (Open Channel Flow)： 河流、渠道、明渠： 流体表面与大气直接接触的流动。 均匀流、非均匀流、恒定流、非恒定流： 对不同流动状态的描述。 曼宁方程 (Manning's Equation)： 用于计算均匀流的流速和流量。 流体在实际工程中的应用： 航空航天工程： 飞行器气动设计、燃烧室流动。 水利工程： 水坝设计、渠道输水、防洪。 机械工程： 润滑系统、液压系统、冷却系统。 化工工程： 反应器设计、管道输送、分离过程。 生物医学工程： 血液循环、呼吸系统。 结论 本书通过系统性的阐述，从流体的基本性质出发，逐步深入到运动学、动力学方程，再到流动类型、相似性以及各类应用。我们希望读者能够建立起流体动力学的清晰框架，掌握分析和解决流体问题的基本方法。流体世界的奥秘无穷无尽，本书所提供的基础知识将是探索更深层次流体现象的坚实起点。 词汇表 （此处将包含本书中出现的关键术语及其简要定义，帮助读者回顾和查阅。） 参考文献 （此处将列出本书引用的主要文献和推荐的进阶阅读材料。）

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这本书的实用性和工程应用角度的侧重，是我最为赞赏的一点。它没有沉溺于纯粹的理论推导，而是非常务实地探讨了流体静力学在结构设计中的直接应用，以及如何利用边界层理论来估算气动阻力。书中的许多案例研究都直接来源于实际的工程问题，比如管道设计中的局部阻力计算，或者水泵选型中的有效功评估。这种实战导向的叙述方式，让我感觉我读的不是一本象牙塔里的理论著作，而是直接与行业经验对话。对于未来的机械、土木或者航空工程师来说，这本书提供的实用工具和思维框架是无价的财富，它教会你如何将抽象的数学模型转化为可操作的工程解决方案。

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这本书的排版和图示质量简直是灾难级的，让我阅读体验大打折扣。很多关键的示意图模糊不清，线条混杂，根本无法清晰地展示流线、涡量或者压力分布的细节。更别提公式的排版了，有些复杂的张量符号嵌套在一起，看得人眼花缭乱，根本无法快速定位到关键变量。坦白说，作为一本介绍基础力学概念的书籍，视觉传达的失败直接削弱了概念的清晰度。我不得不经常对照网络上的其他资源，才能勉强理解书中某些段落试图表达的物理图像。如果作者团队在出版前能对图文进行一次彻底的校对和优化，这本书的价值至少能提升一个档次。现在的状态，更像是一份早期的草稿未经仔细打磨就匆匆投入市场了。

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从历史和文献引用的角度来看，这本书的视野显得有些局限。虽然它全面覆盖了经典流体力学的核心内容，但对于近几十年流体力学前沿，例如计算流体力学（CFD）的早期发展，或者微尺度流体现象（如微流控）的介绍几乎是空白。这使得这本书读起来，仿佛停留在上世纪八十年代的知识体系中。一本优秀的教材，理应在提供坚实传统基础的同时，也能适当地引导读者触及现代研究的热点和趋势，让读者了解到学科是如何在不断发展的。对于希望将流体力学作为未来研究方向的学生而言，这本书在拓宽视野方面做得不够，更像是一份详尽的“历史档案”，而非“未来展望”。

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这本书的理论深度实在令人印象深刻，作者显然对流体力学的发展脉络有着极为清晰的认识。从流体力学的基本假设出发，逐步深入到纳维-斯托克斯方程的推导和解析解的探讨，整个过程逻辑严密，层次分明。尤其在处理边界条件和复杂流场分析时，书中提供的详实案例和深入剖析，让我对流体力学这门看似抽象的学科有了更直观的理解。它不仅仅是一本教科书，更像是一份详尽的工程师工具箱，涵盖了从经典的泊肃叶流到湍流模型等多个重要领域。对于那些希望打下坚实数学和物理基础，并追求学术深度的读者来说，这本书无疑提供了极佳的资源。我特别欣赏作者在介绍特定物理现象时，总是能将其与背后的数学原理紧密联系起来，这种教学方式极大地提升了学习效率。

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我本以为这是一本适合入门的新手指南，但事实证明，我的期望可能太高了。书中一开始就假设读者已经掌握了相当扎实的微积分和矢量分析基础，直接跳跃到了复杂的控制体积分析和量纲分析。对于一个初次接触流体力学，想从零开始建立概念框架的人来说，这本书的节奏显得过于仓促和陡峭。很多概念的引入缺乏足够的生活化或工程化的铺垫，使得“为什么”和“怎么用”之间的桥梁搭建得非常薄弱。它更像是一本面向研究生预备课程的参考书，而非面向本科生的基础教材。如果能增加更多循序渐进的习题解析，或者用更通俗的语言解释那些核心的物理直觉，对自学者会友好得多。

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