Numerische Strömungsmechanik pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:Vieweg+Teubner

作者:Eckart Laurien

出品人:

页数:0

译者:

出版时间:2009-04-28

价格:EUR 27.90

装帧:Broschiert

isbn号码:9783834805331

丛书系列:

图书标签:

• Maschinenbau
• 数值流体力学
• 计算流体力学
• 流体动力学
• 传热学
• 有限体积法
• 有限元法
• CFD
• 数值模拟
• 工程流体力学
• 流体数值计算

《流体动力学基础：理论与应用》 引言 流体，无论是看得见的液体还是无处不在的气体，都以其独特的运动规律深刻地影响着我们周围的世界。从宏观的航空航天、天气预报，到微观的血液循环、微机电系统，流体的行为无处不在，其研究构成了科学与工程领域不可或缺的一环。而理解流体运动的本质，离不开一套严谨的数学工具和物理模型。本书《流体动力学基础：理论与应用》旨在系统地阐述流体力学中最核心的理论框架，并结合实际工程中的典型应用，为读者提供一个坚实的知识基础。本书的目标读者包括但不限于大学本科生、研究生，以及从事相关工程技术工作的专业人士，希望能通过本书的学习，读者能够建立起对流体运动的深刻洞察，并能够将其应用于解决实际问题。 第一章：流体的基本概念与性质 流体力学研究的是宏观流体的运动，因此，首先需要清晰地定义什么是流体，并理解其基本属性。本章将从宏观和微观两个层面介绍流体。宏观上，我们将探讨流体的连续性假设，即在宏观尺度下，流体被视为连续介质，从而可以应用微积分等工具进行描述。我们将深入讨论流体的两个基本状态——液体和气体，以及它们在密度、可压缩性等方面的显著差异。 微观层面，我们将简要介绍流体的分子结构，并解释宏观性质如何源于微观粒子的集体行为。黏性是流体运动中一个至关重要的性质，本章将详细阐述牛顿黏性定律，区分牛顿流体和非牛顿流体，并介绍运动黏度与动力黏度之间的关系。此外，表面张力、毛细现象等界面效应也将被提及，它们在许多微尺度应用中扮演着关键角色。 第二章：流体静力学 尽管本章的主题是“静力学”，即流体处于静止状态，但这却是理解更复杂流体动力学现象的基石。流体在静止时，其内部的压强分布规律是十分简单的，但其应用却极为广泛。本章将从流体静力学的基本原理——帕斯卡定律出发，推导出流体静压强的基本方程：压强随深度的增加而线性增大。 我们将详细讨论静止流体中的压强分布，并引入“液柱压强”的概念。重心和浮力是流体静力学的核心内容。我们将学习如何确定流体中物体的重心，以及阿基米德原理，解释物体在流体中受到的浮力大小及其方向。这对于理解船舶的浮沉、潜艇的设计，以及测量物体密度等都有着至关重要的意义。此外，本章还将探讨密闭容器中静止流体压强的传递，为理解液压系统奠定基础。 第三章：流体动力学基本方程——连续性方程 从本章开始，我们将正式进入流体动力学的范畴，即研究流体的运动。流体动力学的核心在于建立描述流体运动的数学方程组。本章将聚焦于描述质量守恒的连续性方程。我们将从两种主要的流体描述方法——欧拉法（物质点法）和拉格朗日法（跟随流体质点法）——引入，并重点阐述欧拉法在宏观描述中的优势。 连续性方程的推导将基于质量守恒原理，通过分析一个任意控制体内的质量变化率来得出。我们将介绍两种形式的连续性方程：微分形式和积分形式。微分形式的连续性方程揭示了流体速度场与密度场之间的局部关系，而积分形式的方程则描述了在整个控制体内的质量平衡。本章还将讨论几种特殊情况下的连续性方程，例如不可压缩流体，以及定常流和非定常流的连续性方程。这些方程是后续讨论动量守恒和能量守恒方程的基础。 第四章：流体动力学基本方程——动量方程（纳维-斯托克斯方程） 如果说连续性方程描述了流体的“有”与“无”（质量守恒），那么动量方程则描述了流体的“动”与“静”（动量守恒）。本章将是本书的核心内容之一，我们将深入探讨描述牛顿流体动量的纳维-斯托克斯方程。 纳维-斯托克斯方程是流体力学的灵魂，它包含了流体所受到的所有力（惯性力、压力梯度力、黏性力、体力等）与流体动量的变化之间的关系。本章将从牛顿第二定律出发，结合流体微元体进行受力分析，逐步推导出纳维-斯托克斯方程。我们将详细解释方程中各项的物理意义：惯性项、压力梯度项、黏性项和体力项。 由于纳维-斯托克斯方程的复杂性，在大多数情况下，它无法获得解析解。因此，本章将介绍一些简化形式的纳维-斯托克斯方程，例如欧拉方程（忽略黏性力）、普朗特边界层方程（适用于高雷诺数流动）等。我们还将探讨几种典型的、可以求解的纳维-斯托克斯方程的解析解，例如泊肃叶流（管道中的层流）和库埃特流（平行板间的层流），这些例子将帮助读者理解方程的应用。 第五章：伯努利方程及其应用 伯努利方程是流体力学中最著名、也最广泛应用的方程之一。它是在纳维-斯托克斯方程的某些简化条件下推导出来的，描述了理想流体（无黏性、不可压缩）在稳定流动中，流体质点的能量守恒关系。本章将详细推导伯努利方程，并解释其各项的物理意义，包括动能项、势能项和压力能项。 伯努利方程的应用范围极其广泛。本章将通过一系列实际例子进行说明：例如，如何利用伯努利方程解释喷气式飞机机翼的升力产生原理；如何分析文丘里管和皮托管的工作原理；以及如何计算流体通过孔口或喷嘴的流速。我们还将讨论伯努利方程在水力学、航空学、生物医学等领域中的应用，展示其强大的解决问题能力。本章也会提及伯努利方程的局限性，例如其对理想流体的假设，以及在实际应用中如何进行修正。 第六章：相似性原理与量纲分析 在复杂的流体流动问题中，直接进行实验或数值模拟可能成本高昂且耗时。相似性原理和量纲分析为我们提供了一种有效的方法，能够从几何相似、运动相似和动力相似的角度，将复杂问题转化为更易于处理的模型。本章将深入探讨这些概念。 我们将介绍相似准则，例如雷诺数（描述惯性力和黏性力的比值）、马赫数（描述惯性力和声速的比值）、弗劳德数（描述惯性力和重力的比值）等。通过量纲分析，我们可以识别出影响流体流动过程的关键无量纲参数，并利用这些参数在模型上进行的实验结果，来预测全尺寸结构上的流动行为。本章将通过具体例子，例如风洞实验的设计，模型水槽实验的比例选择，来说明如何运用相似性原理和量纲分析来解决实际工程问题，从而节省资源并提高效率。 第七章：不可压缩流体的流动 本章将聚焦于不可压缩流体的流动，这是许多实际工程中最常见的情况（例如水流、低速空气流动）。我们将在连续性方程和动量方程的基础上，深入探讨不可压缩流体特有的流动现象。 我们将首先分析层流和湍流的区别。层流是一种有序、平滑的流动，其流动规律相对容易分析；而湍流则是一种无序、剧烈变化的流动，其统计特性是研究的重点。本章将介绍层流在管道内的泊肃叶流动，以及层流在平板上的边界层流动。 随后，我们将转向更具挑战性的湍流。我们将介绍湍流的统计平均概念，以及雷诺平均纳维-斯托克斯方程（RANS）的推导。RANS方程是描述平均流动的方程，但由于需要对湍流的脉动项进行模型化（即“封闭问题”），引入了各种湍流模型，例如雷诺应力模型（RSM）和各种涡粘性模型（如K-ε模型、K-ω模型）。本章将简要介绍这些模型的基本思想，并为读者后续深入学习湍流建模打下基础。 第八章：可压缩流体的流动 与不可压缩流体不同，可压缩流体的密度会随着压强和温度的变化而显著改变。这使得可压缩流体的流动变得更为复杂，尤其是在高速流动的情况下。本章将探讨可压缩流体的基本概念和流动方程。 我们将介绍可压缩流体的基本热力学关系，例如理想气体状态方程，以及比热容、声速等重要概念。随后，我们将推导可压缩流体的连续性方程和动量方程，这些方程将包含密度项。 本章的重点将放在可压缩流体中的几个关键现象。例如，我们将分析等熵流动，它是许多绝热、无黏性流动过程的理想化模型，并介绍其在喷管和喉道流中的应用。我们还将讨论激波（shock waves）的产生和传播，这是超声速流动中非常重要的现象，并解释其对流场的影响。此外，膨胀波（expansion waves）也将被介绍。 第九章：边界层理论 边界层理论是流体力学中的一个重要分支，它将流体流动问题分解为两个区域：紧邻固体表面的薄边界层区域，以及远离边界层的外部流区域。这个理论极大地简化了许多高雷诺数流动的分析。本章将详细阐述边界层理论。 我们将从普朗特边界层概念的提出讲起，解释在粘性流体中，为什么在固体表面附近会形成一个粘性影响显著的薄层。本章将推导并讨论边界层方程，它们是在纳维-斯托克斯方程在边界层区域的简化形式。 我们还将分析不同类型的边界层，例如层流边界层和湍流边界层。对于层流边界层，我们将介绍其特性，例如边界层厚度的增长，以及分离现象的发生。对于湍流边界层，我们将探讨其与层流边界层的区别，以及其在航空器和管道流动中的重要性。本章还将提及如何利用边界层理论来预测流动分离，以及如何通过改变流场来推迟或避免分离。 第十章：流体机械与应用实例 流体力学的理论最终是为了解决实际问题。本章将通过流体机械和具体的工程应用案例，来展示流体力学理论的威力。 我们将介绍几种典型的流体机械，包括泵（用于输送液体）、压缩机（用于压缩气体）、风扇（用于产生气流）和涡轮机（用于从流体中提取能量）。对于这些机械，我们将分析其基本工作原理，并解释流体力学原理如何在其中得到应用，例如叶轮的设计、流道的优化等。 此外，本章还将列举一系列广泛的流体力学应用案例，例如： 航空航天工程： 飞机机翼的升力和阻力分析，火箭发动机的喷管设计，航天器在稀薄大气中的运动。 环境工程： 大气环流和天气预报，海洋洋流模拟，水污染扩散模型。 生物医学工程： 血液在血管中的流动，呼吸系统的气流，微流控芯片的设计。 能源工程： 水力发电，风力发电，燃气轮机设计。 交通工程： 汽车和火车外形的空气动力学优化，船舶的流体阻力分析。 通过这些丰富多彩的应用案例，读者将能够更直观地感受到流体力学在现代社会中的重要地位和广泛影响。 结语 流体力学是一门既古老又充满活力的学科。本书《流体动力学基础：理论与应用》所涵盖的内容，只是这个宏大领域的冰山一角。然而，通过对基本概念、核心方程、关键理论和典型应用的深入学习，读者将能够建立起对流体运动的坚实理解，并为其进一步深入研究打下坚实的基础。希望本书能激发读者对流体力学的兴趣，并在未来的学习和工作中，能够运用所学知识，解决更多具有挑战性的实际问题，为科学与工程的发展做出贡献。

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