具体描述
好的，以下是为一本名为《流体力学在水资源工程中的应用》的书籍撰写的详细简介，旨在涵盖该领域的核心内容，但不提及您提到的具体书籍名称。 《水资源工程中的流体力学基础与应用》 书籍简介 本书旨在为水资源工程领域的学生、工程师和研究人员提供一个全面、深入的流体力学基础知识体系，并重点阐述这些基本原理如何应用于水资源系统的分析、设计与管理。在当今全球水资源日益紧张和气候变化背景下，理解水在自然与人工系统中的行为至关重要。本书通过严谨的理论推导与丰富的工程案例相结合的方式，构建起从微观到宏观的水动力学知识框架。 第一部分：流体力学基础原理 本书的开篇部分将系统地介绍流体力学的基本概念和连续介质假设。我们首先探讨流体的本构特性，包括密度、粘度、比重和表面张力，这些是理解流体运动的基础。 流体静力学： 重点分析静止流体中的压力分布、压强测量技术以及浮力、稳定性和水闸门、堤坝上的作用力计算。我们将深入讨论帕斯卡定律和阿基米德原理在水利结构设计中的实际意义。 流体运动学： 接着，本书转向流体运动的描述。我们将详细阐述拉格朗日和欧拉描述方法，以及流线、迹线和涡流线的概念。速度场、加速度场的分析是本部分的核心，特别是连续性方程的推导和应用，这对于质量守恒分析至关重要。 流体动力学与控制方程： 引入牛顿第二定律在流体中的应用，即纳维-斯托克斯方程。本书将用清晰的步骤推导出这一核心方程，并讨论其在不可压缩牛顿流体中的简化形式。此外，动量积分方程（欧拉方程）和能量方程（伯努利方程的严格推导）将被详细阐述，重点放在如何将这些理论工具应用于实际工程问题，例如管道和渠道中的能量损失计算。 第二部分：理想流与粘性流分析 流体流动可以根据其特性分为理想流和粘性流。本书将区分这两种情况，并分别探讨其工程含义。 无粘性流动（理想流）： 重点分析伯努利方程在理想情况下的精确应用，并结合势流理论，探讨绕流体运动的基本原理，尽管在水工程中粘性效应不可忽略，但了解理想流是理解复杂流动的基础。 粘性流与边界层理论： 粘性是水资源工程中不可回避的因素。本书将深入讲解牛顿内摩擦定律，并详细介绍层流和湍流的特性。雷诺数的物理意义和临界值的确定是区分这两种流态的关键。边界层理论，包括边界层分离、阻力计算以及湍流边界层内的速度剖面，将作为理解水力结构表面摩擦损失的核心内容。 量纲分析与相似性原理： 在工程设计中，缩尺模型试验是经济而有效的手段。本书专门一章介绍如何运用 Buckingham $pi$ 定理进行量纲分析，并讲解如何基于相似性原理（如弗劳德数、雷诺数相似）设计和解释物理模型试验的结果。 第三部分：水流在管道和渠道中的输送 这是本书实践性最强的一部分，直接关系到供水、排水和灌溉系统的设计。 管道水流分析： 详细分析恒定均匀流在圆形压力管道中的流动，包括沿程水头损失（Darcy-Weisbach方程的推导与应用）和局部水头损失。水锤现象作为压力管道中的瞬态流动问题，将得到深入分析，包括瞬时阀门关闭和开启情况下的压力波传播和水锤压力计算，并介绍有效的抑制措施。 明渠水流动力学： 针对地表水和灌溉渠道，本书全面介绍明渠恒定均匀流的基本方程，包括曼宁公式和谢才公式的适用性与参数确定。重点阐述临界流的概念，水面线（M1, S2, C3等）的分类与计算，以及明渠水力最优设计原则。水力跃升作为能量耗散的关键现象，将通过动量方程进行深入的量化分析，并讨论其在溢洪道和渠道交叉口的应用。 水库与水闸控制： 讨论水库泄洪、水库泥沙运动的初步概念，以及堰流和泄洪闸门控制下的复杂水流特性。 第四部分：水力结构中的渗流与地下水动力学 水资源工程不仅关乎地表水，更离不开地下水的有效利用和控制。 渗流理论基础： 本部分介绍达西定律的推导与验证，它是地下水流动的基本控制方程。我们将讨论渗透系数的测定方法及其影响因素。 地下水流动分析： 结合连续性方程，推导稳定和非稳定地下水流动的二维及简化的一维控制方程（如泰斯勒方程）。重点分析无限大含水层、有限含水层以及承压含水层中的涌水量计算。 水力结构对地下水的影响： 详细分析水坝、渠道、堤防等结构下方的渗流问题。应用拉普拉斯方程和流网法（流线与等势线）来预测渗流场，并讨论如何设计防渗墙、排水设施（如渗沟、集水井）来控制地下水和渗漏问题，以确保结构安全。 第五部分：水力瞬变与水波运动 本书最后探讨水在非恒定流动状态下的复杂行为。 水力瞬变： 除了前述的水锤现象，还将涵盖水库快速泄洪过程中的水面波传播，这对于预测洪水到达时间至关重要。 水波动力学： 介绍浅水波（如洪水波）和深水波的理论，包括波浪的生成、传播、破碎以及波浪对海岸和防洪工程的影响分析。 结论与展望： 总结流体力学在水资源工程各个分支中的核心地位，并展望计算流体力学（CFD）在解决现代复杂水动力学问题中的应用潜力。 本书的特点在于，它不仅提供了坚实的理论基础，更通过大量精选的工程实例和习题，确保读者能够将抽象的数学模型转化为解决实际水资源工程挑战的有效工具。
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