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《流体力学基础与工程应用》 内容简介 本书是一本系统阐述流体力学基本原理、分析方法及其在现代工程领域广泛应用的综合性教材。全书结构严谨，内容详实，旨在为读者建立扎实的理论基础，并培养解决实际工程问题的能力。 第一部分：流体力学基础理论 第一章：流体力学概论 本章首先界定流体力学的研究范畴，阐述其在航空航天、水利、能源、环境等多个工程学科中的核心地位。重点介绍流体（液体和气体）的本构特性，如粘性、密度、可压缩性等宏观物理性质。详细讨论流体微团的运动描述方法，包括拉格朗日（物质）描述和欧拉（空间）描述，并阐明两者之间的关系。引入流线、迹线和时间线等概念，用于可视化和分析流场结构。 第二章：流体静力学 本章深入研究流体处于静止状态时的力学规律。核心内容包括压力在流体内部的分布规律（静力学基本方程），推导出压强随深度变化的线性关系。详细分析作用在平面和曲面上的静水总压力及其作用点（压力中心）的计算方法。探讨浮力原理、阿基米德定律，并结合浮标、船体稳定性和液位测量等工程实例进行说明。 第三章：流体动力学基础方程 本章是全书的理论核心。从质量守恒、动量守恒和能量守恒三大基本定律出发，推导和阐述流体力学中最基本的控制方程： 连续性方程（质量守恒）： 针对不可压缩流体和可压缩流体的具体形式及其物理意义。 纳维-斯托克斯方程（动量守恒）： 详细推导牛顿内摩擦流体的运动方程，这是描述粘性流体运动的关键。讨论定常与非定常、无旋流等理想化假设下的简化形式。 能量方程： 阐述流体热力学过程中的能量转换和传递规律，引入了比热、热传导和粘性耗散等热力学参数。 第四章：无粘流体动力学 本章着眼于理想流体（忽略粘性影响）的运动规律，便于对复杂问题进行初步分析。重点介绍欧拉方程的积分形式——伯努利方程，详细解析其在不同参考系下的适用条件和物理含义。通过速度势函数和流函数，引入二维无旋流动的复变函数解法，并讲解基本流型（点源、汇、偶极子和匀速流）的叠加原理，用于构建复杂的翼型绕流场。 第五章：粘性流体流动 本章回归现实，研究粘性对流场的影响。详细讨论雷诺数（Reynolds Number）的物理意义及其在判断流动状态（层流与湍流）中的决定性作用。 边界层理论： 阐述粘性流体在固体壁面附近形成的薄层区域，这是摩擦阻力的主要来源。推导普朗特边界层方程，并利用普朗特-卡门积分方程求解平板上的摩擦阻力。 流动分离： 讨论压强梯度对边界层稳定性的影响，解释流动分离现象及其对物体（如机翼、管道弯头）气动/水动性能的负面效应。 管道内流动： 深入分析圆管中的层流（泊肃叶流）和湍流（达西-威斯巴赫公式、摩阻系数图），并讨论局部阻力。 第二部分：工程应用与分析方法 第六章：量纲分析与相似原理 本章介绍进行物理建模和实验设计的重要工具。通过π定理（Buckingham Pi Theorem），阐述如何利用量纲分析法，将复杂的物理问题简化为由无量纲参数控制的方程组。重点讲解相似准则（如雷诺数相似、傅汝德数相似），指导风洞试验、水池试验的模型设计与结果外推。 第七章：可压缩流体流动 本章专注于高马赫数（$Ma > 0.3$）流体，即气体流动，此时密度变化显著。 等熵流动： 分析气流通过收缩喷管的理想等熵膨胀/压缩过程，推导马赫数、静温、静压与总温、总压之间的关系。 激波与膨胀波： 深入研究斜激波（Oblique Shock Wave）和正激波（Normal Shock Wave）的形成机理和Hugoniot关系。讲解诺曼-叶模型（Prandtl-Meyer Expansion Wave）在描述超音速流体转角时的应用。 喷管设计基础： 结合实际，介绍拉瓦尔喷管的工作原理及其在火箭发动机和超音速风洞中的应用。 第八章：流场测量技术与数值方法 本章介绍现代流体力学研究和工程实践中常用的分析和实验手段。 实验测量： 介绍压力测量（皮托管、静压孔）、速度测量（皮托管、皮托管阵列、热线风速仪）以及流场可视化技术（示踪粒子、烟流显示、纹影法、全息干涉技术）。 计算流体力学（CFD）导论： 概述将偏微分方程转化为代数方程的数值方法基础，如有限差分法、有限体积法。简要介绍离散化过程、网格生成以及求解器（如SIMPLE算法）的基本概念，强调CFD在复杂几何流动分析中的不可替代性。 第九章：工程流体力学专题 本章选取若干具有广泛工程背景的流动问题进行深入分析： 机翼上的升力和阻力： 详细分析翼型绕流的复杂性，介绍翼型理论（如薄翼型理论）和机翼的升力线理论，并讨论高升阻比的设计要素。 水轮机与泵的初步设计： 结合动量方程，分析叶轮与流体交换能量的原理，介绍叶片反作用度、流量系数和比转速等关键设计参数。 多孔介质中的流动： 研究液体或气体通过土壤、过滤层等介质时的流动特性，引入达西定律及其在地下水文工程中的应用。 全书配有大量的图表、算例和习题，旨在帮助读者从定性理解过渡到定量计算，最终达到能够独立分析和解决复杂工程流体力学问题的目标。本书适合作为高等院校机械工程、土木工程、航空航天工程、能源与动力工程等专业本科高年级及研究生的教材或参考书。