工程流体力学

第1章 流体的性质 1
1.1 流体的基本概念 1
1.2 密度、 比容和饱和蒸汽压力 2
1.3 流体的压缩性 5
1.4 流体的黏性 6
1.5 液体的表面张力 11
1.6 作用在流体上的力 13
1.7 阅读材料：工程流体力学学习导论 14
思考题 17
习题 17

第2章 流体静力学 19
2.1 流体静压力及其特性 19
2.2 静止流体平衡方程 21
2.2.1 流体平衡微分方程式的建立 21
2.2.2 等压面 22
2.2.3 静力学基本方程式 22
2.2.4 静力学基本方程式的意义 24
2.3 流体静力学基本公式及其应用 24
2.3.1 流体静力学基本公式 25
2.3.2 流体静压力的表示方法和计量单位 26
2.3.3 液柱式测压计 27
2.4 其他质量力作用下的流体平衡 29
2.4.1 等加速水平运动容器中流体的相对平衡 29
2.4.2 等角速旋转容器中流体的相对平衡 30
2.4.3 工程应用 33
2.5 平衡液体对壁面的作用力 35
2.5.1 作用在平面上液体的总压力 35
2.5.2 作用在曲面上液体的总压力 40
2.5.3 压力体 42
2.6 浮力与浮体的稳定性 45
2.6.1 浮力 46
2.6.2 浮体的稳定性 48
思考题 50
习题 50

第3章 流体运动的基本方程 55
3.1 描述流体运动的基本概念 55
3.1.1 描述流体运动的方法 55
3.1.2 描述流场的基本概念 56
3.2 连续性方程 62
3.2.1 一元定常流动的连续性方程 62
3.2.2 空间流动的连续性方程 65
3.3 理想流体的运动微分方程 66
3.3.1 欧拉运动方程 66
3.3.2 理想流体的伯努利方程 69
3.3.3 伯努利方程的意义 70
3.4 总流的伯努利方程及其应用 70
3.4.1 总流的伯努利方程 70
3.4.2 伯努利方程的应用 74
3.4.3 水力坡度与水头线 80
3.5 伯努利方程的扩展 82
3.5.1 重力、离心力联合场的伯努利方程 82
3.5.2 分流量或合流量的伯努利方程 84
3.5.3 过流断面间有能量的输入和输出的伯努利方程 85
3.6 动量和动量矩方程 87
3.6.1 定常流动量方程 88
3.6.2 动量矩方程及应用 93
3.7 流体微团运动分析 95
3.7.1 流体微团运动分解 95
3.7.2 流体微团变形和旋转的特征量 95
3.8 流体的有旋流动 98
3.8.1 强制涡流 99
3.8.2 自由涡流 100
3.8.3 组合涡流 101
3.8.4 放射流和自由涡流的组合 102
3.9 黏性流体的运动微分方程 103
3.9.1 纳维-斯托克斯方程的建立 103
3.9.2 在简单边界条件下纳维-斯托克斯方程的精确解 106
3.10 欧拉运动方程与平面势流 109
3.10.1 空间欧拉运动方程 109
3.10.2 平面势流模型 110
3.10.3 平面势流的应用 116
思考题 117
习题 117

第4章 量纲分析与相似理论 123
4.1 量纲分析 123
4.2 相似理论 127
4.3 模型实验 131
思考题 132
习题 132

第5章 黏性流体的管内流动 133
5.1 流体流动的两种流动状态 133
5.2 圆管中的层流流动 136
5.3 圆管中的紊流流动 139
5.3.1 紊流的产生和脉动性 139
5.3.2 紊流附加应力和混合长度理论 140
5.3.3 圆管紊流的速度分布和紊流的结构 143
5.3.4 紊流速度分布的对数定律 144
5.3.5 紊流速度分布的指数定律 146
5.4 管路紊流的沿程水头损失 146
5.4.1 尼古拉兹实验 147
5.4.2 莫迪图 149
5.4.3 非圆形截面管流动沿程水头损失 152
5.5 局部水头损失 153
5.5.1 断面积急速变化的水头损失 153
5.5.2 断面渐扩管的水头损失 155
5.5.3 弯管的水头损失 157
5.5.4 阀门的水头损失 159
5.5.5 分支管、合流管的水头损失 161
5.6 管路的水力计算 163
5.6.1 管路工程计算简介 163
5.6.2 简单长管的水力计算 165
5.6.3 复杂管路的水力计算 167
5.6.4 短管的水力计算 171
5.7 气穴和汽蚀 174
5.8 有压管中的水击现象 176
5.9 管路的流体动力 180
思考题 181
习题 182

第6章 明渠流动 186
6.1 明渠 186
6.2 均匀流的平均速度公式 188
6.3 缓流、急流和临界水深 191
6.4 水跃和水跌 193
6.4.1 水跃 193
6.4.2 水跃 196
6.5 堰流 197
思考题 199
习题 199

第7章 黏性流体的绕流流动 201
7.1 绕流的阻力和升力 201
7.2 边界层 203
7.2.1 边界层分析 203
7.2.2 边界层的分离和压力阻力的产生 205
7.3 平板的摩擦阻力 207
7.3.1 层流边界层的摩擦阻力计算 208
7.3.2 紊流边界层的摩擦阻力计算 210
7.4 压力阻力 213
7.5 翼型及叶栅 218
*7.6 翼型绕流中环量和升力的产生 222
7.7 射流 224
7.7.1 射流的分类和形成 224
7.7.2 射流的特征和计算 225
7.7.3 温差（浓差）射流 229
思考题 229
习题 229

第8章 孔口、管嘴和缝隙的水力计算 234
8.1 孔口出流 234
8.1.1 定常水头下薄壁圆形小孔的稳定自由出流 234
8.1.2 定常水头下薄壁圆形小孔的稳定淹没出流 236
8.1.3 变水头孔口出流 237
8.2 管嘴出流 238
8.2.1 圆柱形管嘴定常出流 238
8.2.2 其他形状管嘴出流 239
8.3 缝隙流动 241
8.3.1 平行平板间的缝隙流动 241
8.3.2 圆环的缝隙流动 244
8.3.3 平行圆盘端面缝隙流动 245
思考题 247
习题 247

第9章 气体动力学基础 249
9.1 气体的状态参数 249
9.2 一元定常可压缩流动的基本方程 251
9.2.1 连续性方程 251
9.2.2 运动方程 251
9.2.3 能量方程 251
9.3 完全气体的过程方程 255
9.4 声速和马赫数 262
9.4.1 声速 262
9.4.2 马赫数 263
9.4.3 弱扰动在气流中的传播 264
9.5 一元定常等熵气流参数 265
9.5.1 滞止状态参数 265
9.5.2 极限速度和滞止声速 267
9.5.3 临界状态参数 267
9.6 气流参数与通道面积的关系 268
9.6.1 截面积的变化对气流参数的影响 268
9.6.2 收缩形喷管 270
9.6.3 缩扩形喷管——拉伐尔喷管 273
9.7 激波简介 274
9.8 等截面摩擦管流 276
9.9 等截面换热管流 279
思考题 283
习题 284

附录A 压力的测量 285
附录B 流速和流量的测量 288
附录C 工程流体力学常用量及单位换算表 293
习题答案 295
参考文献 300
第1章 流体的性质 1
1.1 流体的基本概念 1
1.2 密度、 比容和饱和蒸汽压力 2
1.3 流体的压缩性 5
1.4 流体的黏性 6
1.5 液体的表面张力 11
1.6 作用在流体上的力 13
1.7 阅读材料：工程流体力学学习导论 14
思考题 17
习题 17

第2章 流体静力学 19
2.1 流体静压力及其特性 19
2.2 静止流体平衡方程 21
2.2.1 流体平衡微分方程式的建立 21
2.2.2 等压面 22
2.2.3 静力学基本方程式 22
2.2.4 静力学基本方程式的意义 24
2.3 流体静力学基本公式及其应用 24
2.3.1 流体静力学基本公式 25
2.3.2 流体静压力的表示方法和计量单位 26
2.3.3 液柱式测压计 27
2.4 其他质量力作用下的流体平衡 29
2.4.1 等加速水平运动容器中流体的相对平衡 29
2.4.2 等角速旋转容器中流体的相对平衡 30
2.4.3 工程应用 33
2.5 平衡液体对壁面的作用力 35
2.5.1 作用在平面上液体的总压力 35
2.5.2 作用在曲面上液体的总压力 40
2.5.3 压力体 42
2.6 浮力与浮体的稳定性 45
2.6.1 浮力 46
2.6.2 浮体的稳定性 48
思考题 50
习题 50

第3章 流体运动的基本方程 55
3.1 描述流体运动的基本概念 55
3.1.1 描述流体运动的方法 55
3.1.2 描述流场的基本概念 56
3.2 连续性方程 62
3.2.1 一元定常流动的连续性方程 62
3.2.2 空间流动的连续性方程 65
3.3 理想流体的运动微分方程 66
3.3.1 欧拉运动方程 66
3.3.2 理想流体的伯努利方程 69
3.3.3 伯努利方程的意义 70
3.4 总流的伯努利方程及其应用 70
3.4.1 总流的伯努利方程 70
3.4.2 伯努利方程的应用 74
3.4.3 水力坡度与水头线 80
3.5 伯努利方程的扩展 82
3.5.1 重力、离心力联合场的伯努利方程 82
3.5.2 分流量或合流量的伯努利方程 84
3.5.3 过流断面间有能量的输入和输出的伯努利方程 85
3.6 动量和动量矩方程 87
3.6.1 定常流动量方程 88
3.6.2 动量矩方程及应用 93
3.7 流体微团运动分析 95
3.7.1 流体微团运动分解 95
3.7.2 流体微团变形和旋转的特征量 95
3.8 流体的有旋流动 98
3.8.1 强制涡流 99
3.8.2 自由涡流 100
3.8.3 组合涡流 101
3.8.4 放射流和自由涡流的组合 102
3.9 黏性流体的运动微分方程 103
3.9.1 纳维-斯托克斯方程的建立 103
3.9.2 在简单边界条件下纳维-斯托克斯方程的精确解 106
3.10 欧拉运动方程与平面势流 109
3.10.1 空间欧拉运动方程 109
3.10.2 平面势流模型 110
3.10.3 平面势流的应用 116
思考题 117
习题 117

第4章 量纲分析与相似理论 123
4.1 量纲分析 123
4.2 相似理论 127
4.3 模型实验 131
思考题 132
习题 132

第5章 黏性流体的管内流动 133
5.1 流体流动的两种流动状态 133
5.2 圆管中的层流流动 136
5.3 圆管中的紊流流动 139
5.3.1 紊流的产生和脉动性 139
5.3.2 紊流附加应力和混合长度理论 140
5.3.3 圆管紊流的速度分布和紊流的结构 143
5.3.4 紊流速度分布的对数定律 144
5.3.5 紊流速度分布的指数定律 146
5.4 管路紊流的沿程水头损失 146
5.4.1 尼古拉兹实验 147
5.4.2 莫迪图 149
5.4.3 非圆形截面管流动沿程水头损失 152
5.5 局部水头损失 153
5.5.1 断面积急速变化的水头损失 153
5.5.2 断面渐扩管的水头损失 155
5.5.3 弯管的水头损失 157
5.5.4 阀门的水头损失 159
5.5.5 分支管、合流管的水头损失 161
5.6 管路的水力计算 163
5.6.1 管路工程计算简介 163
5.6.2 简单长管的水力计算 165
5.6.3 复杂管路的水力计算 167
5.6.4 短管的水力计算 171
5.7 气穴和汽蚀 174
5.8 有压管中的水击现象 176
5.9 管路的流体动力 180
思考题 181
习题 182

第6章 明渠流动 186
6.1 明渠 186
6.2 均匀流的平均速度公式 188
6.3 缓流、急流和临界水深 191
6.4 水跃和水跌 193
6.4.1 水跃 193
6.4.2 水跃 196
6.5 堰流 197
思考题 199
习题 199

第7章 黏性流体的绕流流动 201
7.1 绕流的阻力和升力 201
7.2 边界层 203
7.2.1 边界层分析 203
7.2.2 边界层的分离和压力阻力的产生 205
7.3 平板的摩擦阻力 207
7.3.1 层流边界层的摩擦阻力计算 208
7.3.2 紊流边界层的摩擦阻力计算 210
7.4 压力阻力 213
7.5 翼型及叶栅 218
*7.6 翼型绕流中环量和升力的产生 222
7.7 射流 224
7.7.1 射流的分类和形成 224
7.7.2 射流的特征和计算 225
7.7.3 温差（浓差）射流 229
思考题 229
习题 229

第8章 孔口、管嘴和缝隙的水力计算 234
8.1 孔口出流 234
8.1.1 定常水头下薄壁圆形小孔的稳定自由出流 234
8.1.2 定常水头下薄壁圆形小孔的稳定淹没出流 236
8.1.3 变水头孔口出流 237
8.2 管嘴出流 238
8.2.1 圆柱形管嘴定常出流 238
8.2.2 其他形状管嘴出流 239
8.3 缝隙流动 241
8.3.1 平行平板间的缝隙流动 241
8.3.2 圆环的缝隙流动 244
8.3.3 平行圆盘端面缝隙流动 245
思考题 247
习题 247

第9章 气体动力学基础 249
9.1 气体的状态参数 249
9.2 一元定常可压缩流动的基本方程 251
9.2.1 连续性方程 251
9.2.2 运动方程 251
9.2.3 能量方程 251
9.3 完全气体的过程方程 255
9.4 声速和马赫数 262
9.4.1 声速 262
9.4.2 马赫数 263
9.4.3 弱扰动在气流中的传播 264
9.5 一元定常等熵气流参数 265
9.5.1 滞止状态参数 265
9.5.2 极限速度和滞止声速 267
9.5.3 临界状态参数 267
9.6 气流参数与通道面积的关系 268
9.6.1 截面积的变化对气流参数的影响 268
9.6.2 收缩形喷管 270
9.6.3 缩扩形喷管——拉伐尔喷管 273
9.7 激波简介 274
9.8 等截面摩擦管流 276
9.9 等截面换热管流 279
思考题 283
习题 284

附录A 压力的测量 285
附录B 流速和流量的测量 288
附录C 工程流体力学常用量及单位换算表 293
习题答案 295
参考文献 300