具体描述
This book discusses hydrodynamic lubrication in detail, based on the author's own researches. Although this subject plays an important role in mechanical engineering, few books have been published on the subject. The first four chapters of this book are preparations for the following five. This book was written with graduate students, researchers and designers in view.
《流体力学基础与应用》 内容简介 本书旨在为读者提供一个全面且深入的流体力学基础知识体系，并辅以丰富的工程应用实例，以期帮助读者建立扎实的理论基础和解决实际问题的能力。全书结构严谨，内容覆盖从基本概念到前沿进展的多个层面，力求在理论深度与工程实用性之间取得完美的平衡。 第一部分：流体力学的基本原理与流体静力学 本书伊始，我们首先聚焦于流体力学的基本概念和描述方法。我们将详细介绍流体、流场、流线、迹线等核心术语的物理意义和数学表达。拉格朗日和欧拉描述方法作为分析流体运动的两种基本视角，将被深入探讨，并阐述它们之间的相互联系。 随后，我们将进入流体静力学领域。这一部分是理解流体在平衡状态下行为的关键。我们将推导并详细解释流体压力随深度变化的规律，即静压强原理。书中将重点阐述帕斯卡定律，并将其应用于理解各种压力测量仪器的工作原理，如压强计、皮托管和压力传感器等。浮力、阿基米德原理及其在船舶稳定性和浮力计算中的应用，也是本章的重要组成部分。此外，我们将探讨作用在平面和曲面上流体总静水压力和合力的计算方法，包括压力中心的概念及其确定。对于不规则曲面，我们将采用积分方法结合压力分布进行详细分析。 第二部分：流体动力学基础 本部分是全书的核心，专注于描述流体运动的规律。我们将从流体运动的连续性方程（质量守恒）开始，详细探讨其在不同坐标系下的表达形式，并引入不可压缩流体和可压缩流体的特殊情况。 随后，我们将深入探讨牛顿第二定律在流体运动中的体现——动量方程，即著名的纳维-斯托克斯（Navier-Stokes, N-S）方程。我们将详细分解各项的物理含义，包括惯性力、压力梯度力、粘性力以及外力项。求解N-S方程的复杂性将引导我们讨论简化模型，如欧拉方程（理想流体）和伯努利方程。伯努利方程作为能量守恒在流体中的体现，将被赋予极大的篇幅，并辅以大量实例，如管道中的流量测量、文丘里管效应等。 粘性流体的概念及其对流动的实质性影响是不可或缺的讨论点。我们将引入雷诺数（Reynolds number）这一无量纲参数，并阐释其在区分层流和湍流中的决定性作用。层流的精确解，如平行板间 Couette 流和 Poiseuille 流，将被完整推导，以展示粘性效应如何决定速度剖面和压降。 第三部分：流动分析与相似性原理 为了将实验室数据和理论结果推广到实际工程规模，相似性原理至关重要。本章将详细介绍量纲分析，重点讲解 Buckingham Pi 定理的应用，用于构建无量纲参数群。我们将阐述动量相似性、几何相似性和运动学相似性的概念，并讨论如何利用模型试验（如风洞试验）来预测全尺寸结构（原型）的性能。 此外，我们将探讨边界层理论。边界层是流体与固体表面相互作用的薄区域，其内部的粘性效应占据主导地位。我们将介绍边界层方程（Prandtl方程）的建立过程，并使用积分法（如薄板边界层方程的求解）和微分法来分析平板上的附着流动，包括层流到湍流的转捩现象。我们将讨论边界层分离的机制、影响因素，以及如何通过气动外形设计来延迟或避免不利的分离。 第四部分：可压缩流体动力学导论 对于高速流动（如航空航天和高速管道输送），气体的可压缩性变得不可忽略。本章将从热力学基本关系出发，介绍等熵流动理论，推导声速和马赫数（Mach number）的定义。 我们将重点分析一个维的速度变化——斜激波和正激波。激波的物理结构、厚度极小但内部性质发生剧烈变化的特征将被剖析。利用冲激关系式（Rankine-Hugoniot方程），我们将计算激波前后的压力、密度和速度变化，并讨论马赫数对激波强度的影响。等熵膨胀和绝热流动的概念也将被用于分析喷管和扩散器的设计，特别是定常等熵流动的基本计算表格和方法。 第五部分：湍流与工程应用 湍流流动是自然界和工程中最普遍存在的流动状态，其随机性和不可预测性对分析提出了巨大挑战。本章将从统计学的角度描述湍流的特性，如平均速度、脉动速度和 Reynolds 应力。我们将讨论湍流建模的必要性，并介绍雷诺平均 Navier-Stokes (RANS) 方程的推导。 湍流模型，特别是零方程模型（如经验公式）、单方程模型（如 Spalart-Allmaras 模型）和双方程模型（如 $k-epsilon$ 和 $k-omega$ 模型）将被详细介绍，阐明它们各自的适用范围和局限性。湍流边界层内的速度剖面（如 Law of the Wall）和摩擦阻力的计算方法将作为关键的工程工具被教授。 本书的最后部分将收录一系列实际工程案例，涵盖水利工程中的管路损失计算、飞机机翼上的升力和阻力分析、泵和涡轮机内部流场分析等，以期将理论知识无缝衔接到实际工程问题的解决过程中。 通过对本书内容的系统学习，读者将能够熟练掌握流体力学的基本定律，能够分析和预测各种工程系统中的流体行为，并为进一步深入研究更专业领域的流体力学（如多相流、非牛顿流体或计算流体力学）打下坚实的基础。本书内容严谨，图文并茂，特别适合作为高等院校流体力学课程的教材，同时也适合从事机械、土木、航空航天及化学工程的工程师和研究人员作为参考手册。
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