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出版者:John Wiley & Sons Inc

作者:Adrian Bejan

出品人:

页数:920

译者:

出版时间:2006-8

价格:1274.00 元

装帧:HRD

isbn号码:9780471677635

丛书系列:

图书标签:

• 热力学
• 工程热力学
• 高级热力学
• 传热
• 流体力学
• 能源
• 热机
• 热力学性质
• 热力学过程
• 工程应用

《流体动力学基础与应用》 内容简介 本书旨在为工程学、物理学及相关领域的研究人员、工程师和高年级本科生提供一个全面而深入的流体力学基础知识体系。全书内容围绕流体的基本性质、控制方程的推导、分析方法的应用以及在工程实际中的重要应用展开，力求在理论深度与工程实践之间取得完美平衡。 本书结构清晰，逻辑严谨，从最基础的流体静力学概念入手，逐步过渡到复杂的流体动力学问题。我们相信，对流体运动的精确描述是理解几乎所有工程系统的关键，无论是航空航天中的气动布局、水利工程中的水流输送，还是化工过程中的混合与分离。 第一部分：流体力学的基石 本部分着重于建立流体运动的数学和物理基础。 第一章：流体的基本概念与性质 本章首先界定了流体的范畴，明确区分了牛顿流体与非牛顿流体。详细阐述了流体静力学中的关键概念，包括压力、压强分布（静水压力方程）、浮力与浮心。重点讨论了流体的本构特性，如粘度（动力粘度和运动粘度）的温度和压力依赖性。此外，引入了表面张力和毛细现象在微观尺度工程中的重要性。内容涵盖了流体密度、比重、压缩性等宏观参数的精确测量方法和理论模型。 第二章：流体运动的描述 本章引入了描述流体运动的两种核心观点：拉格朗日描述（追踪单个流体质点）和欧拉描述（在空间固定点观测）。详细推导了流线、迹线和本次线之间的区别及其物理意义。着重于速度场、加速度场的矢量表示，以及物质导数（随体导数）的严格定义，这是后续所有守恒定律应用的基础。本章还探讨了流场的拓扑结构分析，为理解复杂流动中的涡旋和分离现象做好铺垫。 第三章：流体动力学的基本守恒方程 这是全书的核心理论部分。本章严格推导了控制流体运动的三大基本守恒定律在流体中的具体形式： 1. 质量守恒（连续性方程）： 针对可压缩和不可压缩流体，分别给出其在任意坐标系下的微分形式。特别讨论了二维、轴对称流场下的简化形式。 2. 动量守恒（纳维-斯托克斯方程）： 详细推导了牛顿第二定律在流体单元上的应用，导出了完整的纳维-斯托克斯方程组，并清晰解释了其中各项（惯性力、压力梯度力、粘性力、外力）的物理来源和数学表达。 3. 能量守恒： 基于热力学第一定律，推导了流体控制体上的能量方程，包括热传导项、粘性耗散项以及压力功项，为热力学与流体力学的交叉问题奠定基础。 第二部分：分析方法与简化模型 本部分侧重于如何应用和简化上述复杂方程组以求解实际工程问题。 第四章：无粘流动的分析——欧拉方程与伯努利方程 本章讨论忽略粘性影响（$mu=0$）时的流动特性。严格推导了欧拉方程，并基于对流场的特定假设（如定常、无旋、等熵），推导出了著名的伯努利方程及其应用限制。详细分析了伯努利原理在流量测量（皮托管、文丘里管）中的应用，以及在静压与动压相互转换过程中的能量损失分析。 第五章：粘性流动的基本解与边界层理论 本章转向考虑粘性效应的分析。首先引入了流函数和速度势函数，用于求解二维不可压缩无旋流动（势流理论）。接着，本书将重点放在边界层理论的建立上。详细分析了平板上的粘性流——普兰特尔边界层方程的推导。通过积分形式的动量方程（卡门方程），求解了定常、等温的平板边界层厚度、摩擦阻力系数，并讨论了压力梯度对边界层的影响，特别是流动分离现象的预测。 第六章：相似性、量纲分析与实验方法 为了将实验室数据推广到工程规模，本章讲解了相似性理论。详细介绍了量纲分析的基本工具——π定理，并识别了流体力学中关键的无量纲数（如雷诺数、马赫数、傅汝叶数等）及其物理意义。本章还简要介绍了重要的实验技术，包括风洞、水槽的使用，以及粒子图像测速（PIV）和热线风速仪等现代测量技术的基本原理。 第三部分：特殊流动现象与应用 本部分将所学知识应用于具有特定物理特征的工程问题。 第七章：不可压缩流动的外部与内部流动 内部流动部分深入分析了管道中的摩擦损失（达西-韦斯巴赫公式的推导与应用），并讨论了管网系统中的能量损失与优化设计。外部流动部分则侧重于阻力（Drag）和升力（Lift）的产生机理，基于绕流体分析了理想翼型和实际翼型的气动特性，并引入了阻力极小化设计的基本原则。 第八章：可压缩流动基础 本章将流体力学与热力学紧密结合，处理高马赫数下的流动问题。核心内容包括：等熵流动、声速的定义、绝热和等温压缩。重点讲解了激波（Shock Waves）的物理本质，推导了正激波和斜激波的马赫数关系（“ পদার্থের”关系）。分析了喉道效应以及在喷气推进系统中不可或缺的拉瓦尔喷管设计原理。 第九章：湍流与紊流的特性 湍流是现代工程中普遍存在的流动状态。本章首先描述了湍流的统计特性，如瞬时速度脉动和雷诺应力。详细介绍了雷诺平均纳维-斯托克斯（RANS）方程，并讨论了主要的湍流模型（如零方程模型、$k-epsilon$ 模型和 $k-omega$ 模型）的基本思想和适用范围，强调了这些模型在计算流体力学（CFD）中的核心地位。 第十章：多相流与非牛顿流动的简介 本章对复杂介质的流动进行了初步探讨。讨论了气液、气固等两相流动的基本建模方法，如欧拉-欧拉模型和欧拉-拉格朗日模型。针对非牛顿流体（如剪切变稀、剪切增稠流体），分析了其特殊的应力-应变率关系，并简要讨论了它们在生物工程和食品加工中的初步应用。 本书配备了大量精选的工程实例和习题，旨在培养读者分析和解决复杂流体力学问题的能力，是深入学习流体动力学领域不可或缺的参考教材。

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从工程应用的角度来看，这本书的案例分析部分虽然篇幅占比不如理论推导，但其选取的典型性和前瞻性却令人眼前一亮。书中不仅仅是停留在对蒸汽轮机或制冷循环的传统分析上，而是将重点放在了现代能源系统的优化上，例如，对燃料电池的热力学效率极限分析，以及在超临界CO2发电循环中熵增的详细分解，这些内容紧密贴合了当前绿色能源和高效热能转换的前沿研究热点。我尤其关注了其中关于“最大理论功”的章节，作者没有直接给出标准答案，而是引导读者去思考在实际工况限制下，如何通过多级耦合和热梯级利用来最大限度地榨取能量，这种启发式的教学方法远比直接提供公式更具指导价值。此外，书中对于“热力学势”的讨论也颇为深刻，它将“做功潜力”这一抽象概念具象化，为设计复杂的能源转换系统提供了一个强有力的分析工具。这本书真正做到了将枯燥的理论与尖端的工程实践紧密结合，展现了高级热力学在解决实际工程难题中的强大生命力。

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我接触过几本不同流派的高级热力学教材，但这本书在处理统计力学与经典热力学衔接上的叙事流畅性，是其他作品难以比拟的。作者没有将统计力学视为一个孤立的、纯粹基于概率的理论，而是将其定位为经典热力学宏观规律的微观根源。书中对“微观状态数”的引入，没有采用过于复杂的数学工具先行铺垫，而是从玻尔兹曼的熵公式入手，巧妙地揭示了“无序性”如何量化为热力学熵。这种处理方式，让读者在理解熵增原理时，不再仅仅停留在“热量从高温传到低温”的现象描述上，而是能够深入到粒子运动和微观分布的层面去把握其必然性。此外，书中对吉布斯自由能和亥姆霍兹自由能在非恒温恒压、非恒温恒容等混合条件下的推广和应用进行了细致的推导，这些超越标准本科教学范围的延展，为我的后续研究工作提供了坚实的理论基础。这本书的视野广阔，不仅教你“如何计算”，更教你“为何如此”，是真正意义上的深度学术著作。

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这本书的行文风格充满了严谨的学术气息和一种近乎于偏执的逻辑连贯性，它并不满足于停留在公式的罗列上，而是深入挖掘了每一个热力学定律背后的哲学基础和物理意义。作者在开篇就对热力学第二定律的熵增原理进行了深入的探讨，用了一种近乎辩证的方式去阐述了宏观不可逆性与微观统计力学之间的联系，这使得我对“过程的方向性”有了全新的认识。在推导过程中，作者展现了极强的数学驾驭能力，每一步的转换都清晰可循，绝无半点跳跃，这对于需要进行深度研究或准备专业考试的读者来说，是莫大的福音。我特别欣赏作者在引入新概念时，总是会先回顾相关的经典热力学框架，然后才引入更高级的统计力学视角进行补充和深化，这种层层递进的结构，有效地避免了知识体系的碎片化。这本书的深度绝非市面上许多“入门”或“速成”类教材可比，它要求读者投入大量精力去咀嚼和消化每一个论断，但回报是坚实且无可动摇的理论基础，这才是真正的高等工程教育所追求的品质。

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这本书的排版和印刷质量，坦白地说，已经达到了收藏级别的标准。纸张的选择非常考究，细腻却不反光，长时间阅读下来眼睛的疲劳感明显减轻。装帧坚固，即使经常翻阅查找特定公式，书脊依然保持完好，这对于一本需要反复查阅的工具书而言至关重要。更值得称赞的是，书中的符号系统建立得极其规范和一致，作者在首次引入一个变量时，都会用脚注或专门的符号表清晰界定其物理含义和单位，这极大地减少了阅读中因符号混淆而导致的停顿。例如，对于自由能的各种表示法，书中都进行了详细的区分和对比。索引部分也做得非常详尽，能够迅速定位到涉及特定热力学函数或特定循环分析的页面，极大地提高了查阅效率。在如今许多教材为追求低成本而牺牲制作工艺的时代，能看到这样一本在物理实体上都如此精良的作品，实在是一种享受，它本身就传递出一种对知识的尊重和对读者的体贴。

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这本书的插图和图表设计简直是一场视觉盛宴，对于理解那些抽象的热力学概念起到了至关重要的作用。作者在处理复杂的能量传递过程时，总是能用精妙的图示来辅以严谨的数学推导，使得原本晦涩难懂的章节变得豁然开朗。比如，在讨论朗肯循环的优化时，那张清晰的T-s图不仅精确地标示出了各个关键点和等熵过程，还巧妙地通过阴影区域展示了热力学效率的潜力，这种直观性是单纯文字描述难以企及的。再比如，在介绍相变和临界现象的部分，那些详细的压力-体积-温度（P-V-T）图谱，配合着清晰的相平衡曲线，让读者能够清晰地把握物质在极端条件下的行为模式，这对于从事化工或材料科学领域的工程师来说，无疑是极具价值的参考资料。此外，书中对等温膨胀和绝热压缩过程的示意图也处理得极为到位，不仅仅是画出曲线，还细致地标注了功和热的交换方向，这种对细节的关注，体现了编者在教学设计上的深厚功力，确保即便是初次接触高级热力学概念的学习者，也能迅速建立起正确的物理图像和工程直觉。整体而言，这是一本将理论深度与视觉清晰度完美结合的典范之作，极大地提升了学习体验。

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