Problems in Heat and Mass Transfer pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:Hodder Arnold

作者:J.R. Backhurst

出品人:

页数:0

译者:

出版时间:1974-11-01

价格:0

装帧:Paperback

isbn号码:9780713133271

丛书系列:

图书标签:

• Heat Transfer
• Mass Transfer
• Fluid Mechanics
• Thermodynamics
• Engineering
• Physics
• Conduction
• Convection
• Radiation
• Problem Solving

流体力学：理论与应用 引言 流体力学是研究流体（包括液体和气体）的运动规律及其与周围环境相互作用的科学。它是一门基础性学科，在航空航天、能源、环境、生物医学、化工、海洋工程等众多领域都发挥着至关重要的作用。理解流体的行为，能够帮助我们设计更高效的飞机、预测天气变化、开发清洁能源、理解人体内的血液循环，甚至探索宇宙的奥秘。 本书《流体力学：理论与应用》旨在为读者提供一个全面而深入的流体力学知识体系。我们将从流体的基本概念和性质出发，逐步深入到流体运动的动力学理论，并结合大量实际应用案例，展示流体力学在解决工程和科学问题中的强大力量。本书的编写风格力求严谨而不失清晰，理论推导扎实，同时注重概念的直观理解和实际问题的解决能力。我们希望通过本书的学习，读者不仅能掌握流体力学的基本原理，更能培养分析和解决复杂流体问题的能力。 第一部分：流体的基本概念与性质 在深入探讨流体运动之前，理解流体的基本属性至关重要。本部分将介绍流体宏观性质的描述方式，以及它们如何影响流体的行为。 1.1 流体的定义与分类 我们将清晰界定流体的概念，区分液体和气体，并讨论它们在密度、可压缩性等方面的差异。 介绍牛顿流体和非牛顿流体，理解黏度在流体行为中的核心作用。 1.2 流体的主要性质 密度 (ρ)： 质量与体积之比，是流体的重要宏观参数。我们将讨论密度随温度和压力的变化。 比重 (γ)： 密度与参考物质密度之比，常用于工程计算。 比体积 (v)： 体积与质量之比，是密度的倒数。 比热容 (Cp, Cv)： 单位质量流体温度升高1K所需的热量。我们将区分定压比热容和定容比热容，并探讨它们在热力学过程中的意义。 压力 (p)： 单位面积上受到的力。我们将深入理解静止流体中的压力分布规律，例如静水压力随深度的线性增加。 温度 (T)： 表征流体热运动激烈程度的物理量。 黏度 (μ)： 流体内部抵抗剪切应力的性质。我们将详细阐述动力黏度与运动黏度的区别，并通过实验和理论解释黏度的产生机理。 表面张力 (σ)： 液体表面由于分子间作用力产生的张力，在小尺度流动和界面现象中尤为重要。 可压缩性 (β)： 流体体积随压力变化的程度。我们将介绍体积模量，并区分可压缩流体和不可压缩流体。 1.3 流体的力学模型 理想流体 ( inviscid fluid )： 零黏度，只受压力和体积力的作用。这是简化分析的常用模型。 实际流体 ( real fluid )： 具有黏度，流体内部会产生剪切应力。 牛顿流体 vs. 非牛顿流体： 重点分析剪应力与应变率之间的线性关系（牛顿流体）与非线性关系（非牛顿流体），并举例说明常见的非牛顿流体，如血液、聚合物溶液等。 1.4 流场与物质导数 流场 ( flow field )： 流体运动的矢量场，描述流体在空间各点的速度、压力等。 物质导数 ( material derivative )： 描述流体质点随时间变化的率，是分析流体运动动力学方程的基础。我们将详细推导物质导数的数学表达式。 第二部分：流体静力学 本部分将聚焦于静止流体（即不流动的流体）的力学特性，包括压力分布、浮力以及流体表面的受力分析。 2.1 静止流体中的压力分布 静压强公式 ( p = p0 + ρgh )： 推导并解释静止流体中压力随深度的线性增加关系。 等压面 ( isobaric surface )： 在静止流体中，同一压力下的点构成一个平面（在重力场作用下）。 帕斯卡原理 ( Pascal's principle )： 封闭液体中的压力传递原理，这是液压系统设计的基石。 2.2 浮力与阿基米德原理 ( Archimedes' principle ) 浮力的产生机理： 基于压力差分析，解释物体在流体中受到的向上合力。 阿基米德原理的表述与应用： 介绍浮力等于物体排开流体所受重力，并探讨其在船体设计、密度测量等方面的应用。 2.3 固体表面上的静压力 作用于平面和曲面上的总静压力： 学习如何计算流体对浸没在其中的固体表面产生的合力。 合力的作用点： 确定静压力合力的作用位置，这对结构设计至关重要。 2.4 连通器与虹吸管 连通器原理： 探讨在连通器中，静止液体自由液面处于同一高度的现象。 虹吸管工作原理： 解释利用大气压和液体内部压力差实现液体向上越过一定高度后流下的现象。 第三部分：流体动力学基础 本部分是流体力学的核心，我们将引入描述流体运动的基本方程，并分析流体运动的基本特征。 3.1 控制体与微分体方法 欧拉描述与拉格朗日描述： 两种描述流体运动的基本视角，理解其异同。 控制体方法： 分析流体在某一固定区域内的动量、能量变化，适用于宏观系统分析。 微分体方法： 分析流体微元体的运动，是推导流体运动基本方程的基础。 3.2 质量守恒方程（连续性方程） 推导与形式： 介绍纳维-斯托克斯方程组中的连续性方程，描述流体质量在运动过程中守恒。 不可压缩流体的连续性方程： 简化形式，在许多实际问题中应用广泛。 3.3 动量守恒方程（纳维-斯托克斯方程） 牛顿第二定律在流体中的体现： 介绍纳维-斯托克斯方程，描述流体微元体所受合力与加速度的关系。 各方程项的物理意义： 详细解释惯性力、压力梯度力、黏性力、体积力等项。 无黏流体动力学方程（欧拉方程）： 简化形式，描述理想流体运动。 3.4 能量守恒方程 热力学第一定律在流体中的应用： 建立能量在流体流动过程中的传递与转化关系。 伯努利方程 ( Bernoulli's equation )： 推导与前提条件： 在理想流体、定常流、无耗散（不计黏性）等条件下推导。 物理意义： 解释流体总能量（静压能、动压能、重力势能）在沿流线恒定的关系。 广泛应用： 飞机升力、文丘里管流量测量、喷雾器工作原理等。 3.5 流体的运动状态 层流 ( laminar flow )： 流体质点沿着平滑的流线运动，无明显混合。 湍流 ( turbulent flow )： 流体运动混乱无序，伴随剧烈的涡旋和混合。 雷诺数 ( Reynolds number, Re )： 定义与计算： 无量纲参数，表征惯性力与黏性力之比。 区分层流与湍流： 介绍雷诺数在区分流态中的作用，以及临界雷诺数。 第四部分：不可压缩流体的流动 本部分将重点研究实际流体在不同条件下的流动现象，并给出相应的分析方法。 4.1 管道中的定常流动 达西-魏斯巴赫公式 ( Darcy-Weisbach equation )： 计算管道中单位长度的沿程水头损失。 沿程水头损失 ( head loss due to friction )： 黏性作用在管道内壁产生的能量损失。 局部水头损失 ( minor losses )： 由管道附件（如弯头、阀门、截面变化）引起的能量损失。 摩擦系数 ( friction factor, f )： 描述管道粗糙度和雷诺数对沿程水头损失的影响。 4.2 边界层理论 ( boundary layer theory ) 边界层的概念： 在固体壁面附近，由于黏性作用形成的薄层流体区域。 边界层的分离 ( boundary layer separation )： 当流动遇到逆压梯度时，边界层可能脱离壁面，导致流动失稳和阻力增加。 边界层厚度与速度分布： 分析边界层内速度剖面的变化。 4.3 形阻与摩擦阻力 阻力 ( drag )： 流体流过物体时受到的阻碍力。 摩擦阻力 ( skin friction drag )： 由流体黏性作用在物体表面产生的切向力。 形阻（压差阻力，pressure drag, form drag )： 由于物体形状引起的压力分布不均匀产生的阻力，通常与边界层分离有关。 升力 ( lift )： 垂直于流动方向的力，例如机翼产生的升力。 4.4 流速测量与流量测量 皮托管 ( Pitot tube )： 测量静压和动压，从而确定流速。 文丘里管 ( Venturi meter )： 利用伯努利方程测量流量。 孔板流量计 ( orifice meter )： 类似文丘里管，通过测量节流孔两侧的压差来计算流量。 涡轮流量计 ( turbine flow meter )： 利用流体驱动涡轮转动，通过转速计算流量。 第五部分：可压缩流体流动 当流体的速度接近或超过音速时，其密度会发生显著变化，需要采用可压缩流体的理论进行分析。 5.1 可压缩流动的基本概念 音速 ( speed of sound )： 压力扰动在介质中传播的速度。 马赫数 ( Mach number, M )： 流体速度与音速之比，是判断流体可压缩性影响的关键参数。 亚声速 ( subsonic )、超声速 ( supersonic )、高超声速 ( hypersonic ) 流动： 根据马赫数划分不同的流动区域。 5.2 等熵流动 ( isentropic flow ) 等熵过程的定义： 过程是可逆且绝热的。 等熵流动的公式： 描述可压缩流体在等熵流动条件下，压力、密度、温度和速度之间的关系。 喉道 ( throat ) 和超声速喷管 ( supersonic nozzle )： 分析气体在喉道处的流速达到音速，并在后续扩张段达到超声速的过程。 5.3 激波 ( shock waves ) 激波的形成： 在超声速流动中，由于流体性质的突变而产生的薄层。 激波的种类： 直激波、斜激波。 激波对流动的影响： 压力、温度、密度的急剧升高，以及熵的增加。 激波管 ( shock tube )： 用于研究激波现象的实验装置。 5.4 可压缩流动的应用 航空发动机 ( jet engines )： 喷气式飞机的推进原理，涉及超声速流动和激波。 高超声速飞行器 ( hypersonic vehicles )： 涉及高超声速流动的复杂空气动力学。 第六部分：流体力学在工程中的应用 本部分将通过具体的工程案例，展示流体力学在解决实际问题中的重要作用。 6.1 航空航天工程 飞机翼型设计： 利用伯努利方程和升力原理设计高效翼型。 火箭发动机： 喷管设计，实现高效的推力产生。 空气动力学仿真 ( CFD )： 使用计算机模拟预测飞行器的气动性能。 6.2 能源工程 水轮机与风力发电机： 利用流体流动产生机械能。 管道输送： 石油、天然气等介质的管道设计与优化。 热交换器： 传热与流体流动紧密结合。 6.3 环境工程 河流与海洋动力学： 预测洪水、洋流等。 污染物扩散： 研究大气或水体中的污染物扩散模型。 通风系统设计： 保证室内空气流通与质量。 6.4 生物医学工程 血液循环： 研究血管内的血液流动，诊断和治疗心血管疾病。 呼吸系统： 模拟肺部气流。 生物器官建模： 模拟人工器官的流体动力学特性。 6.5 化工与机械工程 泵与风机设计： 提高效率，降低能耗。 搅拌与混合： 优化混合过程，提高反应效率。 流体机械的设计与分析： 例如涡轮机、压缩机等。 结论 流体力学是一门充满活力且极其重要的学科。通过对流体基本性质、运动规律以及方程组的深入理解，我们可以更好地认识和改造我们所处的世界。本书《流体力学：理论与应用》力求为读者构建一个坚实的理论基础，并引导大家将这些理论知识应用于解决实际工程和科学难题。我们希望读者在阅读本书后，能够对流体运动 phenomena 产生深刻的洞察，并具备独立分析和解决复杂流体问题的信心和能力。流体无处不在，对它的深入研究将持续推动人类科技的进步。

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