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出版者:McGraw-Hill Science/Engineering/Math

作者:E. John Finnemore

出品人:

页数:816

译者:

出版时间:2001-10-25

价格:USD 150.00

装帧:Hardcover

isbn号码:9780072432022

丛书系列:McGraw-Hill Series in Mechanical Engineering

图书标签:

• 水力学的经典之作
• 1
• 流体力学
• 工程应用
• 流体动力学
• 流体静力学
• 传热
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• 物理
• 机械工程
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《流体力学与工程应用》图书简介 本书是一部全面深入探讨流体力学基础理论及其在各类工程领域中实际应用的权威著作。 旨在为工程技术人员、研究生以及高年级本科生提供一个坚实而系统的知识框架，涵盖从流体静力学到复杂湍流现象的全部核心内容。 本书的叙述风格严谨、逻辑清晰，强调理论推导的严密性与工程实例的贴切性。不同于传统的教科书，我们着重于建立物理直觉与数学模型之间的桥梁，确保读者不仅能掌握计算方法，更能理解背后的物理机制。 --- 第一部分：流体力学基础与静力学（Fundamentals and Statics） 第一章：流体导论与基本概念 本章首先界定了流体的范畴（液体与气体），并引入了流体力学与其他力学学科的区别与联系。重点阐述了流体的基本性质，如密度、比重、粘性（牛顿流体与非牛顿流体）、表面张力与气体压缩性。我们详细分析了粘度在流体运动中的核心作用，并通过实验数据展示了温度对液态与气态粘度的显著影响。本章为后续的动力学分析奠定了必要的物质基础。 第二章：流体静力学 本章专注于流体处于平衡状态下的受力分析。详细推导了静水压力随深度变化的线性关系，并引入了压力梯度的概念。内容覆盖了绝对压力、表压、真空度和绝对零压的概念辨析。重点探讨了平面与曲面上的总压力和作用点（压力中心）的计算方法，特别是针对船体、水坝和储罐等工程结构的设计要求。此外，本章还引入了浮力（阿基米德原理）以及流体静力学中的基本工具——测压计（包括U形管和倾斜管测压计）的工作原理与应用。 --- 第二部分：流体运动学与控制体积分析（Kinematics and Control Volume Analysis） 第三章：流体运动学 本章从描述性的角度分析流体运动，引入了描述流体的两种基本方法：拉格朗日描述（跟踪单个流体质点）和欧拉描述（观察空间中固定点上的流体特性）。详细阐述了流线、迹线和偏迹线之间的区别。在速度场分析方面，引入了速度矢量场、流线方程，并对流场进行了分类：稳态/非稳态、均匀/非均匀、层流/湍流。本章的关键是引入了流体运动的“变形”概念，包括线性和角速度，并推导了流体应变率张量，为后续的动量方程的建立奠定了必要的几何基础。 第四章：流体动力学：控制体积分析 本章是连接宏观物理定律与工程实际的关键。本章的核心是雷诺输运定理（Reynolds Transport Theorem, RTT）的详细推导及其在质量、动量和能量守恒定律中的应用。 质量守恒（连续性方程）： 在微分形式和积分（控制体积）形式下推导，并讨论其在管道流、喷嘴和扩散器中的应用。 动量守恒（牛顿第二定律的推广）： 推导控制体积上的动量方程，并应用于力矩分析，如水轮机叶片上的作用力、管道弯头和喷射器中流体施加的力矩计算。 能量守恒（第一热力学定律）： 推导适用于流体的能量方程，考虑了热量、功和内能的变化，为热传递与流体机械设计奠定基础。 --- 第三部分：微分形式与基本流动（Differential Analysis and Fundamental Flows） 第五章：流体动力学的微分形式——纳维-斯托克斯方程 本章将分析提升至微分层面。通过对无限小流体微团进行动量平衡，严格推导出纳维-斯托克斯（Navier-Stokes, N-S）方程——流体力学中的核心方程。详细讨论了粘性应力张量的构建，并将其应用于牛顿流体。本章还推导了不可压缩流体的简化 N-S 方程，并引入了势流的概念。 第六章：基本解析解与相似性 本章利用 N-S 方程的简化形式，求解一些具有重要工程意义的典型流动问题： 1. 库埃特流（Couette Flow）： 粘性剪切流动的基本模型，用于理解平行板之间的流动，对润滑理论有指导意义。 2. 泊肃叶流（Poiseuille Flow）： 定常、层流在圆管中的精确解，是管道输送和血液流变学的基础。 3. 平板边界层理论导论： 简要介绍普兰特（Prandtl）关于边界层分离理论的革命性思想，以及如何使用积分方法（如普朗特-卡门动量积分方程）求解。 --- 第四部分：量纲分析与相似性（Dimensional Analysis and Similarity） 第七章：量纲分析与模型设计 本章强调工程实践中实验研究的重要性。详细讲解了π定理（Buckingham $pi$ Theorem），指导读者如何从复杂的物理关系中提取出无量纲参数。重点分析了以下关键无量纲数及其物理意义： 雷诺数（Re）： 惯性力与粘性力的比值，是区分层流与湍流的决定性参数。 弗劳德数（Fr）： 惯性力与重力的比值，用于分析自由液面流（如船舶和水流）。 欧拉数（Eu）和韦伯数（We）： 压力/惯性力比值和表面张力/惯性力比值。 本章通过大量的工程案例（如风洞实验、水池试验）展示了如何利用相似性原理，通过小尺寸模型预测全尺寸原型的性能，极大地降低了实验成本和风险。 --- 第五部分：管流与边界层（Pipe Flow and Boundary Layers） 第八章：内部流动：管流 本章专注于工程中最常见的流动形式——管道内的流动。系统分析了完全发展层流与湍流的特性。深入探讨了湍流的本质，包括平均流场、脉动速度和雷诺应力。 达西-韦斯巴赫方程： 推导并应用该方程计算摩擦损失。 摩擦因子图（Moody Diagram）： 详细解释了莫迪图的使用方法，涵盖光滑管、粗糙管以及过渡区的情况。 沿程与局部阻力： 讨论阀门、弯头和突然扩缩等引起的局部损失的计算方法。 第九章：外部流动与边界层 本章研究流体绕过物体表面的流动，如机翼、汽车和结构件。重点关注边界层内外的流场分离： 边界层概念： 详细分析了由粘性效应主导的薄层区域，并确定了速度剖面（如一阶近似）。 阻力与升力： 分析了压力阻力（形状阻力）和摩擦阻力（粘性阻力）的来源，并探讨了如何通过控制边界层（如使用襟翼或吹气）来优化气动外形。 --- 第六部分：可压缩流体流动（Compressible Flow） 第十章：一维可压缩流动基础 当流体速度接近音速时，密度变化不再可以忽略，需要引入气体动力学。本章聚焦于等熵流动，并详细分析了激波的产生和特性。 马赫数（Ma）： 作为速度与声速比值的关键参数，用于区分亚音速、跨音速、超音速和高超音速流动。 等熵关系： 推导了静温、静压、密度与总温、总压之间的等熵关系式。 临界流与堵塞现象： 详细分析了在喷管中，当流动达到音速时发生的临界现象。 正激波与斜激波： 讲解了斜激波的几何特性和普兰特-迈耶（Prandtl-Meyer）函数在超音速流偏转中的应用。 --- 第七部分：流体机械与应用（Turbomachinery and Applications） 第十一章：流体机械的原理 本章将理论知识应用于工程实践的核心领域——流体机械。 旋转机械基础： 引入欧拉涡轮方程，该方程是所有旋转机械（泵、压缩机、涡轮机）能量传递的核心。 水泵与风机： 讨论离心泵和轴流泵的工作原理，重点分析叶轮设计、比转速（Specific Speed）的概念及其对选择合适类型泵的重要性。 性能曲线与系统匹配： 分析了泵的性能曲线（扬程-流量、效率-流量）与管道系统曲线的匹配问题，确保系统能够稳定运行在最佳点。 第十二章：非牛顿流体与特殊流动 本章拓展了对传统牛顿流体假设的突破： 非牛顿流体模型： 介绍剪切增稠、剪切稀化流体（如聚合物溶液、浆料）的基本本构关系。 流变学在工程中的意义： 探讨这些流体在挤压、混合和管道输送中的特殊挑战。 多相流简介： 简要概述气液、气固两相流动的基本概念，强调其在反应器和化工过程中的重要性。 本书通过对以上十二个章节的深入剖析，力求使读者在掌握流体力学基本原理的同时，能够熟练运用这些知识解决跨越结构力学、热力学、化学工程及航空航天等多个工程领域中的实际问题。内容深度适中，理论严谨，实例丰富，是理解和应用流体力学不可或缺的参考资料。

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说实话，我刚拿到这本书的时候，本以为它会是另一本充斥着高等数学和偏微分方程的“劝退指南”，毕竟流体力学这门学科的难度向来不是盖的。然而，这本书在处理复杂数学模型时，展现出了一种令人惊叹的平衡感。它没有回避数学的严谨性，但同时又巧妙地运用了大量的图示和直观的物理图像来辅助理解。最让我欣赏的是，作者在引入 Navier-Stokes 方程组之后，并没有立刻陷入纯粹的解析求解的泥潭，而是花了大量的篇幅来解释这些方程背后的物理意义，以及它们在不同简化条件（如雷诺数极小或极大）下所代表的实际物理现象。这种由果溯因的讲解方式，极大地降低了初学者的理解门槛。此外，书中对数值计算方法的介绍也相当到位，它没有停留在算法的描述层面，而是深入到网格划分、收敛判据这些决定工程计算成败的关键点上。这本书的结构设计，体现了作者对教学难点的深刻洞察，它既能满足理论研究者的需求，也绝对能让工程学生顺利地跨越那道“数学之墙”。

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我必须说，这本书的排版和图表质量是顶级的，这对于一本技术手册来说至关重要。很多旧版的流体力学教材，图注模糊不清，公式堆砌得让人眼花缭乱，阅读体验极差。但这本书在这方面做得非常出色，它的插图清晰、比例准确，很多重要的流线图和压力分布图都采用了精美的三维渲染效果，使得那些原本抽象的流场结构变得栩栩如生。比如，在解释伯努利原理的扩展应用时，书中配有的翼型绕流图，不仅展示了压力云图，还巧妙地叠加了流速矢量场，让读者可以直观地感受到动量守恒的内在逻辑。这种对视觉呈现的极致追求，极大地提升了学习效率，也减少了阅读时的疲劳感。可以说，这本书从装帧到内容呈现，都体现了一种对知识传播的专业尊重，让人在阅读过程中感到非常愉悦和高效，这对于需要反复查阅的工程书籍而言，绝对是一个巨大的加分项。

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这本书的强大之处，还在于它能够将流体力学的基本原理与现代工程技术的前沿发展紧密结合起来，而不是停留在经典理论的重复上。我特别留意了它对“计算流体力学”（CFD）历史演变和未来趋势的介绍。作者并没有将CFD视为一个独立的学科，而是将其定位为流体力学分析的有力工具，并探讨了如何将更先进的控制理论和优化算法融入到流体问题的求解过程中。这种前瞻性的视野，让这本书的价值超越了一般的教材范畴，更像是一份行业发展蓝图的导读。此外，它在无量纲化和相似性原理的讨论上极为深刻，这对于进行实验设计和工程放大至关重要。通过对这些基础原理的重新审视，我发现在进行风洞实验或水池模型试验时，可以更科学地设定缩尺比和边界条件，避免了以往那种凭经验摸索的弊端。这本书的深度和广度，确保了它不仅在当前是权威参考，在未来很长一段时间内，依然会是流体力学与工程应用领域不可或缺的基石。

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作为一名长期从事水利工程规划的专业人士，我对流体力学书籍的要求一向苛刻，需要的是那种既有深度又有广度的权威参考。这本书在涉及非牛顿流体和多相流方面的论述，尤其让我眼前一亮。在水工结构设计中，我们经常需要处理泥沙输运或气蚀现象，这些都属于典型的复杂流体范畴。很多教科书对这些高级主题往往是浅尝辄止，或者干脆将其束之高阁。但这本书则不然，它用扎实的理论框架，系统地梳理了湍流模型在实际工程中的应用局限与修正方法。特别是关于湍流模型选择的讨论，作者非常坦诚地指出了不同模型的优缺点及其适用范围，这种务实的态度在学术著作中是相当宝贵的。阅读这些章节时，我常常会对照我手头正在处理的实际案例进行思考，发现书中的理论模型与现场观测结果有着惊人的吻合度，这无疑极大地增强了我对该书作为参考手册的信心。它不仅仅是传授知识，更是在培养读者解决非常规工程问题的思维模式。

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这本书简直是流体力学领域的宝藏，尤其是对于那些在工程领域摸爬滚打多年的前辈们来说，它就像一本老友重逢的信。我记得我刚开始接触流体力学的时候，那些抽象的理论公式看得我头大，总觉得和实际应用之间隔着一层厚厚的玻璃。但是这本书，它的叙事方式非常接地气，仿佛一位经验老到的工程师在手把手地教你。它不仅仅是枯燥地罗列公式，而是将每一个概念都置于具体的工程背景下进行阐述。比如，在讲到边界层理论时，它会详细分析管道流动中的阻力问题，以及如何通过流线分离来优化结构设计，这些都是书本上很少深入探讨的实际操作细节。读起来感觉就像在听一个资深项目经理分享他的“踩坑”经验，每一个案例分析都充满了真知灼见，让人茅塞顿开。特别是关于复杂流场模拟和实验测量技术的章节，简直是工程实践者的福音，提供了大量可供参考的指导方针，让我对如何将理论转化为可行的工程方案有了更清晰的认识。这本书的价值，就在于它成功地架起了理论与工程实践之间的鸿沟，让流体力学不再是高悬的理论，而是触手可及的工具。

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与国内严谨的数学逻辑教材不同

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