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出版者:John Wiley & Sons (2000年9月1日)

作者:Donald F. Young

出品人:

页数:544 页

译者:

出版时间:2000年09月

价格:646.10

装帧:平装

isbn号码:9780471362432

丛书系列:

图书标签:

• 流体力学
• 流体 mechanics
• 工程流体
• 流体动力学
• 流体静力学
• 物理学
• 工程学
• 教科书
• 入门
• 流体

《流体力学基础导论》 内容提要 本书旨在为工程、物理、应用数学等领域的学生和初学者提供一个全面而深入的流体力学基础知识框架。全书结构严谨，内容覆盖了流体力学的核心概念、基本方程、分析方法以及重要的应用领域。我们力求在保持理论深度与工程实用性之间找到最佳平衡点，确保读者不仅理解“是什么”，更能掌握“为什么”和“如何做”。 第一部分：流体力学的基石 本部分奠定流体力学分析所需的基本概念和数学工具。 第一章：流体力学的概述与基本概念 本章首先界定流体力学的研究范畴及其在现代科技中的重要性，从宏观到微观，介绍流体（液体和气体）的本质属性。重点探讨流体的基本物理量，如密度、比重、压力、黏度等。我们详细区分了拉格朗日和欧拉描述方法，这是后续所有流体运动分析的基础。静力学部分将引入压力的概念，推导出流体静力学基本方程，并分析其在浮力、压强测量（如皮托管、压力计）中的应用。 第二章：流体运动学 流体运动学关注不考虑作用力的情况下流体的运动描述。本章深入探讨流场的描述，包括流线、迹线和脉动线。我们详细阐述了流动的分类——稳态与瞬态、均匀与非均匀、层流与湍流。运动学分析的关键在于引入和理解速度梯度张量，并将其分解为线速度、旋转速度和变形速度。张量分析为后续的动量方程提供了必要的数学准备。 第三章：流体的守恒定律与基本方程 这是全书的核心理论基础。本章基于物理学最基本的守恒原理——质量守恒、动量守恒和能量守恒——推导出流体力学的核心方程组。 连续性方程（质量守恒）： 以微分形式详细推导，适用于任何流体和坐标系。 纳维-斯托克斯方程（动量守恒）： 详细推导牛顿第二定律在流体微团上的应用，得到纳维-斯托克斯（Navier-Stokes, N-S）方程的完整形式，涵盖了压力梯度力、黏性力、重力和外部体力。本章还将简要介绍欧拉方程（理想流体）作为N-S方程的特例。 能量方程： 基于热力学第一定律，推导适用于可压缩和不可压缩流体的能量方程。 第二部分：经典流体分析与应用 本部分将所学的基本方程应用于解决实际问题，并引入重要的无量纲数和简化模型。 第四章：无量纲分析与相似性原理 无量纲分析是工程分析中不可或缺的工具。本章介绍 Buckingham $pi$ 定理，通过系统性的降维处理，识别出影响流体运动的关键无量纲参数（如雷诺数、马赫数、傅汝德数等）。我们将详述雷诺数在区分层流和湍流中的核心作用，并讨论物理相似性和模型试验的设计原则。 第五章：不可压缩流动的分析 不可压缩流（密度恒定）是许多工程问题的理想化模型。 伯努利方程的推导与应用： 详细推导基于不可压缩、无黏、稳态流动的伯努利方程，并分析其适用范围和限制。将其应用于孔口流、管道流速测量等经典问题。 黏性流体的简化模型： 当黏性效应不可忽略时，引入泊肃叶（Poiseuille）流动（圆管层流）和库埃特（Couette）流动（平板间剪切流）等解析解，用于理解黏性对流动的基本影响。 第六章：边界层理论 对于高雷诺数流动，黏性效应主要集中在靠近固体壁面的薄层——边界层。本章系统介绍普朗特（Prandtl）的边界层概念。 物理图像与数学处理： 分析边界层的形成机制，引入平均速度剖面法（如卡门积分方程）和对流层流边界层的精确解（Blasius解），探讨动量厚度、位移厚度等边界层参数。 流动分离： 深入分析边界层在逆压梯度下的流动分离现象及其对气动外形设计的影响。 第七章：流动阻力与抬升力 本章将理论分析与工程应用紧密结合，探讨流体作用于物体上的宏观力。 摩擦阻力与压差阻力： 区分两种主要的阻力来源，并给出平板上的摩擦阻力系数估算方法。 流线体与钝体绕流： 分析流线体（如翼型）和钝体（如圆柱、平板）周围的流场特性。重点介绍机翼上的升力产生机制，推导库塔-茹科夫斯基（Kutta-Joukowski）升力定理，并讨论翼型设计中的关键参数（如迎角、弯度）。 第三部分：进阶主题与现代挑战 本部分拓展到更复杂的流动现象，包括可压缩流和湍流的初步介绍。 第八章：可压缩流基础 当流速接近或超过音速时，流体的密度变化不能被忽略。 声速与马赫数： 定义声速，引入马赫数，并分析绝热过程中的基本关系。 等熵流动： 详细推导等熵流动的基本关系，包括温度、压力和速度的分布。 正激波与斜激波： 阐述激波的物理本质，推导罗伊公式（Prandtl-Meyer Expansion Wave）及其在超音速翼型设计中的应用。 第九章：湍流导论 湍流是自然界和工程中最常见的流动形态，其随机性对分析提出了巨大挑战。本章不追求完全解析，而是建立湍流的统计学概念框架。 雷诺平均化： 引入雷诺分解，推导出雷诺平均纳维-斯托克斯（RANS）方程，解释了雷诺应力的概念。 湍流模型简介： 简要介绍零方程模型（如经验公式）和最基础的二阶矩模型（如 $k-epsilon$ 模型）的物理意义，强调湍流模型在数值模拟中的必要性。 第十章：管路流动与系统分析 本章关注工程管网中的实际流动问题。 摩擦损失计算： 详细讨论达西-威斯巴赫（Darcy-Weisbach）方程，引入摩擦因子（Moody图），并分析管道粗糙度和雷诺数对摩擦因子的影响。 局部阻力与管路系统： 分析阀门、弯头等局部构件引起的局部损失，并教授如何分析复杂的串联、并联管路系统。 总结 本书内容由浅入深，理论推导扎实，并辅以丰富的工程实例和图表，旨在为读者提供一套坚实的流体力学知识体系，使他们能够自信地处理从静止液体到高超音速气流等一系列实际工程挑战。学习完本书，读者将具备必要的理论工具，为进一步深入研究计算流体力学（CFD）或专业流体动力学分支打下坚实基础。

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这本书的章节安排非常有条理，从最基础的流体静力学（fluid statics）开始，逐步过渡到流体动力学（fluid dynamics），并最终触及了一些更高级的主题，如压缩性流体（compressible flow）和多相流（multiphase flow）的入门概念。这种循序渐进的学习路径，使得我在掌握每一项新知识的同时，都能对其与之前知识的联系有清晰的认识。在讲解流体静力学时，作者并没有仅仅停留在对液体压强随深度的增加而增大的描述，而是进一步介绍了浮力、稳定性和流体在容器中的表面形状等概念，并且都配以详细的图示和简单的数学推导。我尤其喜欢书中对“浮力中心”（center of buoyancy）和“稳心”（metacentric height）的讲解，这对于理解船舶的稳定性和漂浮物体的稳定性至关重要。在进入流体动力学部分，作者对伯努利方程的讲解，是我学习生涯中一次重要的启迪。他不仅仅是给出方程，而是从能量守恒的角度，详细解释了流体在流动过程中，其动能、势能和压能之间的转换关系。书中的许多图示，都形象地展示了在不同形状的管道中，流体速度和压力是如何变化的，这使得我能够非常直观地理解伯努利方程的物理含义。对质量守恒（连续性方程）和动量守恒（纳维-斯托克斯方程的简化形式）的讲解，也同样深刻，作者巧妙地运用了一些简单的例子，帮助我理解这些基本守恒定律在流体运动中的体现。

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这本书的语言风格非常独特，既保持了科学的严谨性，又不乏幽默和启发性。作者似乎非常清楚，对于流体力学初学者来说，理解概念比死记硬背公式更为重要。因此，在讲解每一个新概念时，他总是会先从一个非常直观、容易理解的例子开始，然后逐步深入到数学模型和理论推导。例如，在介绍“流线”（streamline）和“迹线”（pathline）的区别时，他并没有直接给出定义，而是通过想象一束光线在流体中穿行的轨迹，与一粒微尘在流体中运动的轨迹进行对比，让我在脑海中形成清晰的画面，从而轻松理解了这两个概念的本质差异。书中对“涡”（vortex）的讨论，也让我感到新奇。作者用龙卷风、漩涡浴缸甚至信用卡吞卡机中出现的涡流作为例子，展示了涡流在自然界和工程中的普遍存在。他通过简化的数学模型，向我揭示了涡流的形成机制和运动特性，这让我对流体中那些看似混乱的运动有了更深刻的认识。而且，书中对“空化”（cavitation）现象的介绍，也引起了我极大的兴趣。作者描述了在低压区域，液体中气泡的产生和破裂过程，以及这种现象对泵、螺旋桨等机械设备造成的损害。这种对具体工程问题的剖析，让我看到了流体力学理论的实际价值。

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这本书在细节的阐述上，可以说做得非常出色，并且始终保持着对初学者的友好态度。我注意到作者在介绍流体性质时，不仅仅列出了密度、黏度、表面张力等基本参数，还花了相当多的篇幅来解释这些参数是如何影响流体行为的。例如，在讲解黏性时，作者通过比较水和蜂蜜的流动速度，以及玻璃杯中液体缓慢流下的现象，来生动地说明黏性对流体运动的阻碍作用。他还进一步解释了不同温度下，液体的黏度是如何变化的，以及气体黏度随温度升高的趋势。这对于理解润滑、管道输送等问题至关重要。书中对“雷诺数”（Reynolds number）的引入，更是让我对层流和湍流的区分有了根本性的认识。作者通过直观的实验照片和图示，展示了在低雷诺数下流体平稳的层流状态，以及在高雷诺数下流体混乱的湍流状态。他还详细解释了雷诺数是如何由惯性力和黏性力之比决定的，以及它在不同工程问题中的重要性。这让我明白，流体的行为并非总是可以预测的，湍流的存在给工程设计带来了巨大的挑战。而且，书中对“流场”（flow field）的概念的介绍，也让我对流体运动有了整体性的认识。作者通过描述不同位置的流体速度和压力，来刻画整个流场的分布情况，并提供了许多流线图、速度矢量图等可视化工具，帮助我理解复杂的流体运动。

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作为一名对航空航天领域充满好奇的学生，我一直渴望能够理解那些让飞机翱翔于蓝天的基本原理。而这本“A Brief Introduction to Fluid Mechanics”正是满足了我这一渴望的绝佳入门读物。它并没有止步于对流体基本属性的介绍，而是将这些概念巧妙地融入到实际应用场景的分析中。例如，在讲解翼型（airfoil）的升力产生机制时，书中并没有简单地给出升力公式，而是深入剖析了流体在翼型上方和下方流动速度差异所带来的压力分布变化，并清晰地阐述了如何通过流线图来可视化这一过程。这种从微观流体行为到宏观力学效应的逐步递进，让我对飞机起飞的原理有了更深层次的理解。书中对边界层（boundary layer）概念的引入，也让我大开眼界。作者通过描述流体在固体表面附近流动时，速度逐渐从零变化到自由流速的过程，详细解释了边界层内流体行为的独特性，以及它对阻力产生的影响。这对于理解飞行器在空气中飞行时所受到的各种阻力，比如摩擦阻力和压差阻力，至关重要。而且，书中还涉及了湍流（turbulence）这一看似混乱但又普遍存在的现象。作者通过各种图表和简化的模型，向我展示了湍流的特点，以及它在工程应用中带来的挑战和机遇。这种对复杂现象的简化处理，使得我在初期学习时，能够把握住关键的物理概念，而不被细节所淹没。

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在我看来，这本“A Brief Introduction to Fluid Mechanics”最大的优点之一在于其对流体测量方法的介绍。它不仅仅停留在理论层面，而是花了相当大的篇幅来介绍实际测量技术，这对于一个希望将流体力学知识应用于实际工程的学生来说，是极其宝贵的。作者详细介绍了各种流速测量仪器，如皮托管（pitot tube）、文丘里管（Venturi meter）以及更现代的激光多普勒测速仪（LDV）。他对每种仪器的原理、优缺点以及适用范围都进行了清晰的阐述，并辅以精美的插图。例如，在讲解皮托管的工作原理时，书中详细展示了它如何测量总压和静压，以及如何通过两者之差来计算流速。这让我对于如何定量地研究流体运动有了更具体的认识。此外，书中对压力测量技术，如压力计（manometer）和压力传感器（pressure transducer）的介绍，也同样详尽。我尤其欣赏作者对不同类型压力计的工作原理的细致描述，以及它们在测量不同压力范围时的优缺点分析。这让我明白，测量不仅仅是读出一个数字，背后蕴含着深刻的物理原理和工程考量。对量纲分析的深入讲解，更是让我眼前一亮。作者通过列举许多著名的无量纲数，如傅汝德数（Froude number）、斯托克斯数（Stokes number）等，向我展示了如何通过组合物理量来构建无量纲参数，从而简化复杂的流体问题，并在模型试验中实现动力学相似性。这是一种非常强大的解决工程问题的思维方式，让我受益匪浅。

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这本书的知识体系构建得非常完善，每一个概念的引入都是经过深思熟虑的。作者在讲解流体流动时，首先从最基本的“流体元”（fluid element）的受力分析入手，逐步推导出流体的运动方程。他并没有直接给出复杂的纳维-斯托克斯方程，而是从欧拉方程（Eulerian equations）和拉格朗日方程（Lagrangian equations）这两个基本描述方式入手，帮助我理解不同视角下的流体运动。我尤其欣赏作者在介绍“守恒律”（conservation laws）时，所采用的“睁眼看世界”（control volume approach）的方法。通过选择一个固定的控制体，然后分析进入和离开该控制体的质量、动量和能量，来推导出守恒方程。这种方法非常直观，而且在实际工程应用中也十分常用。书中对“边界条件”（boundary conditions）的强调，也让我认识到物理问题求解的严谨性。作者详细解释了在求解流体运动方程时，如何根据实际情况设定不同的边界条件，例如无滑移边界条件（no-slip boundary condition）、自由表面边界条件（free surface boundary condition）等。这对于准确地预测流体行为至关重要。此外，书中对“压强”（pressure）的讲解也十分透彻。作者不仅仅将其视为一个标量，而是从微小流体元的受力分析入手，推导出了压强随深度的变化规律，以及在静止流体中的各向同性。这让我对压力的本质有了更深刻的理解。

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这本书的封面设计就吸引了我，一种简洁而专业的风格，没有过多的花哨装饰，正如其名“A Brief Introduction to Fluid Mechanics”，它传递出一种可靠、严谨的感觉。当我第一次翻开它时，并没有被复杂的数学公式和晦涩的术语所压倒，而是被它清晰的逻辑和由浅入深的讲解方式所吸引。作者显然非常理解初学者可能会遇到的困境，因此在章节的安排上，循序渐进，从最基本的流体性质，如密度、黏度，到更复杂的概念，如层流与湍流、伯努利原理，都进行了详尽的阐述。每一个概念的引入都伴随着直观的类比和生活中的实例，比如用蜂蜜的流动来解释黏度，用水龙头的水流变化来讲解流速。这使得我能够轻松地将书本上的知识与现实世界联系起来，从而加深了理解。更令我印象深刻的是，书中大量的图示和插图，它们不仅仅是装饰，而是真正起到了辅助理解的关键作用。流体在管道中的流动模式，不同形状物体在流体中的受力情况，这些复杂的三维运动在二维图示中被清晰地展现出来，仿佛我能亲眼看到流体的运动轨迹。这种视觉化的学习方式，极大地弥补了纯文字描述的不足，让抽象的理论变得生动具体。而且，我特别喜欢书中对于每一个重要公式的推导过程，作者并没有直接给出结论，而是耐心地一步步展示了推导的逻辑链条，让我不仅记住了公式，更理解了它背后的物理意义和适用条件。这种严谨又不失友好的教学态度，使得学习过程充满了探索的乐趣，而不是枯燥的记忆。

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我一直对我们生活周围的各种自然现象充满好奇，而流体力学正是解释其中许多现象的关键。这本“A Brief Introduction to Fluid Mechanics”以其卓越的可读性和直观性，成为了我探索流体世界的一扇明亮之窗。这本书并非一本枯燥的教科书，它更像是一次引人入胜的科学之旅。作者在讲解每一个概念时，都善于从生活中的实际案例出发，将抽象的物理原理与我们熟悉的场景巧妙地联系起来。例如，在讲解液体表面张力时，他不仅解释了水滴为什么会形成球形，还通过描述蜘蛛如何在水面上行走，以及小昆虫如何利用表面张力来滑行，生动地展现了表面张力的重要性和趣味性。这种“从生活到科学”的引导方式，让我觉得学习流体力学并不困难，反而充满了探索的乐趣。书中对于浮力的讲解，也同样精彩。作者不仅清晰地阐述了阿基米德原理，还通过一些有趣的实验设想，比如“为什么一艘巨大的铁船不会沉没？”，来引导读者思考和理解这一原理的应用。而且，书中关于流体阻力的讨论，也让我对交通工具的设计有了新的认识。作者详细分析了空气动力学和水动力学中的阻力来源，例如形状阻力、摩擦阻力等，并通过图示展示了如何优化物体的形状来减小阻力，这让我对汽车、船舶甚至飞机的设计有了更直观的理解。

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这本“A Brief Introduction to Fluid Mechanics”在我学习流体力学知识的道路上，扮演了一个至关重要的角色。它并没有试图涵盖流体力学的所有分支和高深理论，而是精准地聚焦于那些对于初学者建立坚实基础最为关键的方面。我尤其欣赏作者在介绍各种流体现象时，所采用的“由现象到理论”的教学方法。例如，在讲解浮力时，作者首先描述了物体在水中漂浮或下沉的普遍现象，然后才引出阿基米德原理，并通过实验数据和清晰的图示来解释这一原理的由来。这种方式让我能够从已知的经验出发，逐步构建起新的科学认知，而不是被动地接受一套全新的理论体系。书中对伯努利方程的讲解，是我学习过程中一个重要的里程碑。作者没有简单地罗列方程，而是通过一个生动的例子，比如风吹过屋顶的现象，来解释压力、速度和高度之间的关系。他详细分析了在不同流速下，流体对物体表面产生的压力变化，并巧妙地将这些变化与实际生活中的应用，例如飞机的升力产生，联系起来。这让我茅塞顿开，理解了许多原本看似神秘的物理现象。此外，书中对于粘性流体的讨论，也十分到位。作者通过区分牛顿流体和非牛顿流体，并用生活中常见的例子，如水和番茄酱，来生动地说明它们的区别，这大大提升了学习的趣味性和有效性。每一个章节的末尾，通常都会附带一些精选的习题，这些习题的难度梯度适中，既能帮助我巩固当天所学，又能为我提供进一步思考和探索的空间。

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在接触“A Brief Introduction to Fluid Mechanics”之前，我对流体动力学的印象是极其抽象和令人望而生畏的。然而，这本书以其出色的组织结构和极其友好的语言风格，彻底改变了我的看法。它就像一位耐心的导师，循序渐进地引导我进入流体世界的奥秘。我特别赞赏作者对于概念引入的逻辑严谨性。例如，在介绍流体的守恒定律时，他从最基本的质量守恒（连续性方程）开始，然后逐步引出动量守恒（纳维-斯托克斯方程的简化形式）和能量守恒。每一步的推导都清晰明了，并且配以大量的图示来帮助理解。这些图示不仅仅是理论的补充，更是理解复杂方程背后物理含义的关键。书中的案例分析也十分丰富，涵盖了从管道流、明渠流到外边界层流等多种场景。例如，在讲解管道流时，作者不仅仅介绍了层流和湍流的区分，还详细分析了不同管道粗糙度和雷诺数对压降的影响，并提供了图表来帮助估算。这对于理解水力工程、石油输送等领域都具有非常直接的指导意义。我尤其喜欢书中对“相似性”（similarity）和“量纲分析”（dimensional analysis）的介绍。作者通过列举一些 dimensionless numbers，如雷诺数（Reynolds number）、马赫数（MachNumber）等，向我展示了如何通过无量纲化来简化复杂的物理问题，并在模型试验中预测真实情况的行为。这是一种非常强大的工程思维方式。

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