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出版者:

作者:Soutas-Little, Robert; Inman, Daniel J.

出品人:

页数:250

译者:

出版时间:2007-1

价格:0

装帧:

isbn号码:9780495244837

丛书系列:

图书标签:

• 工程力学
• 力学
• 工程
• 物理学
• 大学教材
• 高等教育
• 静力学
• 动力学
• 材料力学
• 结构力学

《流体力学基础与应用》图书简介 导言：探索物质世界的流动之谜 本书旨在为读者提供一个全面且深入的流体力学基础理论框架，并辅以大量实际工程应用案例。流体力学作为物理学的一个重要分支，是理解自然界中诸多现象——从天气模式的形成到航空器的飞行，再到管道中液体的输送——的关键。本书立足于经典力学和热力学原理，系统阐述了流体的基本性质、运动规律以及控制方程的建立与求解方法。我们力求构建一座坚实的理论桥梁，连接抽象的数学模型与复杂的现实工程问题。 第一部分：流体力学的基石与流体本构 本书的开篇聚焦于流体这一特殊介质的本质特性。我们首先界定了流体与固体的区别，重点探讨了黏性、密度、压力、温度等基本参数的物理意义及其在工程计算中的重要性。 第一章：流体的基本概念与性质 本章详细剖析了流体的连续介质假设，并引入了流体的分类，包括牛顿流体和非牛顿流体。黏性是流体力学中的核心概念，我们不仅给出了牛顿黏性定律的微观解释，还深入探讨了流体静力学——即流体在平衡状态下的受力分析。静力学部分详细推导了压力的梯度关系、帕斯卡定律以及在不同几何形状容器中的浮力计算。对于复杂结构的浮力与稳定性分析，本书提供了详尽的图示和计算步骤。 第二章：流动的描述与运动学 流体运动的描述方法是掌握流体力学的关键。本章区分了欧拉观点（控制体积）和拉格朗日观点（追踪质点）的描述方式，并重点介绍了流线、迹线和涡线等概念，这些是可视化和定性分析流场的基础工具。运动学分析中，我们详细阐述了流体微团的运动与变形，包括线应变率、角速度和旋度，为后续的动力学分析奠定数学基础。特别地，本章对不可压缩流体和可压缩流体的运动特征进行了初步区分。 第二章的延伸：控制体分析法 本书采用经典的控制体方法，将复杂的流体系统简化为可分析的边界。我们推导了流量、动量和能量的守恒方程在控制体上的积分形式。动量方程的推导尤为细致，它直接联系了流体作用在壁面上的力（如推力、阻力）与流场内部的动量变化，是解决喷射流、管道弯管受力等问题的核心工具。 第二部分：流动的动力学方程与分析 动力学部分是全书的核心，它涉及流体运动的控制方程——纳维-斯托克斯方程（N-S方程）的建立、简化及求解。 第三章：纳维-斯托克斯方程的推导与简化 本章基于牛顿第二定律和物质导数概念，严格推导了粘性流动的通用控制方程——N-S方程。我们系统地介绍了张量分析在流体力学中的应用，将方程表示为分量形式。随后，本书着重于工程实践中常用的简化情况： 1. 欧拉方程： 理想（无黏）流动的控制方程，用于分析高雷诺数或远离壁面的流动。 2. 层流简化： 在特定几何形状下（如平行平板、圆形管道）的简化，使得N-S方程可积化。 第四章：量纲分析与相似性原理 在实验和工程设计中，量纲分析是不可或缺的工具。本章详细介绍π定理，教授读者如何通过识别无量纲参数（如雷诺数、马赫数、弗劳德数）来简化问题、关联物理现象。相似性原理的讨论，使得实验室模型实验的结果能够可靠地外推到实际工程尺寸，这对风洞试验、水槽实验至关重要。 第五章：粘性流动的经典解 本章将前述理论应用于具体的、可解析的流动问题，加深读者对黏性影响的理解： 泊肃叶流动（Poiseuille Flow）： 深入分析了层流在圆管中的速度剖面、最大速度与平均速度的关系，以及沿程的压力损失计算。 库埃特流动（Couette Flow）： 探讨了在两平板间相对运动时流体的剪切流动，对于理解轴承润滑和间隙流动的物理机制具有指导意义。 边界层理论基础： 引入了普朗特边界层概念，解释了流体与固体壁面相互作用的区域特性，并简要介绍了边界层分离的现象及其对气动外形设计的影响。 第三部分：特殊流动问题与应用拓展 本书的后半部分转向更复杂或更具应用价值的流动类型。 第六章：不可压缩流动：伯努利方程的深化应用 伯努利方程是流体力学中最广为人知的关系式，本章不仅回顾了其推导过程（基于势流和等熵流），更强调了其适用条件和局限性。我们将伯努利方程应用于： 1. 皮托管测速仪： 精确测量流速的原理与操作。 2. 文丘里管与流量测量： 在管道中进行非侵入式流量测量的设计与校准。 3. 空化现象： 讨论了流体局部压力过低导致的汽化现象及其对水轮机和泵系统的破坏性影响。 第七章：可压缩流动基础 对于马赫数显著大于零的流动，密度变化不可忽略。本章引入了等熵流动概念，推导了可压缩流动的基本关系式。重点分析了正激波和斜激波，这些是超音速飞行器设计中的关键挑战。通过等熵关系和激波关系，读者将能掌握计算超音速喷管和扩张膨胀过程的基础方法。 第八章：流体阻力、升力与流动损失 本章将理论成果转化为工程设计参数。 摩擦阻力与压差阻力： 详细分析了沿壁流动中的摩擦系数（$f$）与糙率的关系，以及在非流线型物体上因流动分离导致的压差阻力。 升力与阻力计算： 从流体力学角度解释了机翼产生升力的机理（基于动量变化和压力分布），并介绍了阻力系数（$C_D$）和升力系数（$C_L$）在空气动力学中的应用。 管路系统损失： 分为沿程损失（基于达西-魏斯巴赫公式）和局部损失（如阀门、弯头），为复杂的工业管网水力计算提供了实用工具。 第九章：流体机械的初步介绍 作为工程应用的收尾，本书简要介绍了流体机械的基本工作原理。重点阐述了动量交换的概念在泵（增加流体能量）和涡轮（提取流体能量）中的体现。通过比转速等参数，展示了如何根据流体性质和所需能量，初步选择合适的机械类型。 结语：展望与持续学习 流体力学是一门不断发展的学科。本书提供的理论框架是应对工程实践挑战的坚实基础。我们鼓励读者将所学知识与计算流体力学（CFD）软件的应用相结合，进一步探索非定常、湍流等更高级的主题。 本书特色： 理论严谨性： 从基本假设到最终方程的推导逻辑清晰，确保读者理解“为什么”而不是仅仅记住“是什么”。 例题丰富性： 每章后附有大量精心设计的计算例题，覆盖了从静力学平衡到复杂管路系统的全范围应用。 工程关联性： 紧密结合水利工程、航空航天、机械设计等领域的实际问题，突出理论指导实践的价值。 本书适合作为大学工科专业（如机械工程、土木工程、航空航天工程、化学工程等）的流体力学入门或核心教材，也可供相关领域的工程师和技术人员作为深入学习和参考的工具书。

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