工程流体力学-第3版

第1章流体的力学性质1

1.1流体的连续介质模型1

1.1.1流体质点的概念1

1.1.2流体连续介质模型2

1.2流体的力学特性2

1.2.1流动性3

1.2.2可压缩性3

1.2.3黏滞性4

1.2.4表面张力特性8

1.3牛顿流体和非牛顿流体12

1.3.1牛顿流体与非牛顿流体12

1.3.2非牛顿流体及其黏度特性12

习题13

第2章流体流动的基本概念17

2.1流场及流动分类17

2.1.1流场的概念17

2.1.2流动分类17

2.2描述流体运动的两种方法19

2.2.1拉格朗日法19

2.2.2欧拉法20

2.2.3两种方法的关系20

2.2.4质点导数21

2.3迹线和流线24

2.3.1迹线24

2.3.2流线24

2.3.3流管与管流连续性方程26

2.4流体的运动与变形27

2.4.1微元流体线的变形速率27

2.4.2微元流体团的变形速率29

2.4.3有旋流动与无旋流动30

2.5流体的流动与阻力32

2.5.1流体流动的推动力32

2.5.2层流与湍流32

2.5.3固壁边界对流动的影响34

2.5.4流动阻力与阻力系数36

习题39

第3章流体静力学42

3.1作用在流体上的力42

3.1.1质量力42

3.1.2表面力——应力与压力43

3.1.3静止流场中的表面力43

3.1.4压力的表示方法及单位44

3.2流体静力学基本方程45

3.2.1流体静力平衡方程45

3.2.2静止流场的压力微分方程46

3.3重力场液体静力学47

3.3.1重力场中静止液体的压力分布48

3.3.2U形管测压原理48

3.3.3静止液体中固体壁面的受力50

3.3.4静止液体中物体的浮力与浮力矩55

3.4非惯性坐标系液体静力学57

3.4.1重力场非惯性坐标系中的质量力57

3.4.2直线匀加速运动中的静止液体58

3.4.3匀速旋转容器中的静止液体59

3.4.4高速回转圆筒内液体的压力分布62

习题63

第4章流体流动的守恒原理68

4.1概述68

4.1.1系统与控制体68

4.1.2守恒定律与输运公式69

4.2质量守恒方程70

4.2.1控制面上的质量流量70

4.2.2控制体质量守恒方程71

4.2.3多组分系统的质量守恒方程73

4.3动量守恒方程75

4.3.1控制体动量守恒方程75

4.3.2以平均速度表示的动量方程76

4.4动量矩守恒方程80

4.4.1控制体动量矩守恒方程80

4.4.2稳态平面系统的动量矩方程81

4.5能量守恒方程85

4.5.1运动流体的能量85

4.5.2控制体能量守恒方程88

4.5.3化工流动系统的能量方程90

4.5.4机械能守恒方程——伯努利方程93

4.6守恒方程综合应用分析98

4.6.1小孔流动问题98

4.6.2管流中的液体汽化问题101

4.6.3驻点压力与皮托管测速102

4.6.4管道局部阻力问题104

习题108

第5章不可压缩流体的一维层流流动117

5.1概述117

5.1.1建立流动微分方程的基本方法117

5.1.2不可压缩一维稳态层流及其特点118

5.1.3常见边界条件120

5.2狭缝流动分析120

5.2.1平壁层流的微分方程121

5.2.2典型狭缝流动问题分析123

5.3管内流动分析126

5.3.1管状层流的微分方程126

5.3.2圆管及圆形套管内的层流流动128

5.4降膜流动分析132

5.4.1倾斜平壁上充分发展的降膜流动132

5.4.2竖直圆管外壁的降膜流动134

5.4.3变厚度降膜流动问题分析135

习题137

第6章流体流动微分方程141

6.1连续性方程141

6.1.1直角坐标系中的连续性方程141

6.1.2柱坐标和球坐标系中的连续性方程142

6.2以应力表示的运动方程143

6.2.1作用于微元体上的力143

6.2.2动量流量及动量变化率145

6.2.3以应力表示的运动方程146

6.3黏性流体运动微分方程147

6.3.1牛顿流体的本构方程147

6.3.2流体运动微分方程——Navier-Stokes方程149

6.3.3柱坐标和球坐标系中的N-S方程151

6.4流体流动微分方程的应用153

6.4.1N-S方程应用概述153

6.4.2N-S方程应用举例153

习题160

第7章理想不可压缩流体的平面运动163

7.1流体平面运动的速度分解163

7.2有旋流场与无旋流场164

7.2.1速度环量与线流量164

7.2.2有旋流场的运动学特性165

7.2.3无旋流场的运动学特性167

7.3不可压缩平面流动的流函数168

7.4理想不可压缩平面势流及分析方法170

7.4.1不可压缩平面势流基本特性170

7.4.2拉普拉斯方程和全微分方程172

7.4.3理想不可压缩平面势流的伯努利方程173

7.5理想不可压缩平面势流典型问题173

7.5.1平行直线等速流动174

7.5.2点源与点汇流动174

7.5.3点涡流动175

7.5.4角形区域内的流动176

7.5.5复合流动177

7.5.6理想流体绕固定圆柱体的流动180

7.5.7理想流体绕转动圆柱体的流动182

习题184

思考题185

第8章流体流动模型实验方法186

8.1流动相似原理186

8.1.1几何相似186

8.1.2运动相似187

8.1.3动力相似187

8.2相似准则及其分析方法187

8.2.1微分方程分析法——N-S方程的相似分析188

8.2.2相似数的物理意义及典型应用条件189

8.2.3相似准则在模型实验中的应用191

8.2.4量纲分析法194

8.3模型实验198

8.3.1模型实验设计199

8.3.2模型实验设计应用举例199

8.3.3实验数据的整理及应用说明206

习题207

思考题209

第9章不可压缩流体管内流动210

9.1层流与湍流210

9.1.1雷诺实验210

9.1.2圆管内充分发展的层流流动211

9.1.3湍流及其基本特性212

9.1.4湍流理论简介213

9.2湍流的半经验理论214

9.2.1雷诺方程214

9.2.2湍流假说——普朗特混合长度理论216

9.2.3通用速度分布——壁面律217

9.3圆管内充分发展的湍流流动219

9.3.1光滑管内的湍流速度分布与切应力219

9.3.2粗糙管内的湍流速度分布220

9.4圆管内流动的阻力损失221

9.4.1圆管阻力损失与阻力系数定义221

9.4.2光滑圆管的阻力系数222

9.4.3粗糙圆管的阻力系数223

9.4.4局部阻力系数226

9.5圆管进口段流动分析229

9.5.1进口段流动状态与进口段长度229

9.5.2进口段阻力230

9.6非圆形截面管内的流体流动230

9.7弯曲管道内的流体流动233

9.7.1弯曲管道内的流动特点233

9.7.2弯曲管道的阻力系数234

习题235

思考题236

第10章流体绕物流动238

10.1边界层基本概念238

10.1.1边界层理论238

10.1.2边界层的厚度与流态238

10.1.3平壁表面摩擦阻力与摩擦阻力系数240

10.2平壁边界层流动241

10.2.1普朗特边界层方程241

10.2.2平壁层流边界层的精确解242

10.2.3冯·卡门边界层动量积分方程245

10.2.4平壁层流边界层的近似解246

10.2.5平壁湍流边界层的近似解248

10.3边界层分离及绕流总阻力252

10.3.1边界层分离现象252

10.3.2绕流总阻力253

10.4绕圆柱体的流动分析255

10.4.1绕圆柱体的流动256

10.4.2圆柱绕流总阻力257

10.5绕球体的流动分析258

10.5.1绕球体的流动258

10.5.2球体绕流总阻力258

10.5.3颗粒的沉降速度259

习题261

思考题262

第11章可压缩流动基础与管内流动263

11.1可压缩流动基本过程与方程263

11.1.1热力学基本过程263

11.1.2热力学基本方程263

11.1.3质量及能量守恒方程264

11.2声波传播速度及马赫数265

11.2.1小扰动压力波（声波）的传播速度265

11.2.2声速与马赫数267

11.3滞止状态及参数268

11.3.1滞止状态268

11.3.2滞止温度268

11.3.3滞止压力与滞止密度269

11.4正激波及其前后参数的变化270

11.4.1激波及其形成过程270

11.4.2正激波前后参数的变化271

11.5变截面管道内可压缩流体的等熵流动273

11.5.1速度与管道截面变化的关系273

11.5.2临界状态及参数275

11.5.3拉伐尔喷管276

11.5.4渐缩管内的等熵流动281

11.6等截面管道内可压缩流体的摩擦流动282

11.6.1有摩擦的绝热流动282

11.6.2有摩擦的等温流动288

11.7可压缩流体的速度与流量测试289

11.7.1亚声速气流中的皮托管289

11.7.2超声速气流中的皮托管290

11.7.3可压缩流动流量测量291

习题291

思考题294

第12章过程设备内流体的停留时间分布295

12.1停留时间的基本概念与关系295

12.1.1返混与停留时间分布295

12.1.2流体停留时间与进口时间的关系296

12.2停留时间分布函数及密度函数297

12.2.1停留时间分布函数F(t)297

12.2.2停留时间分布密度函数E(t)298

12.2.3分布函数F(t)与密度函数E(t)的应用298

12.2.4内部年龄密度函数I(t)及其与F(t)、E(t)的关系301

12.2.5无因次停留时间函数302

12.3停留时间分布的测量及其数字特征303

12.3.1脉冲示踪法 (pulse signal)303

12.3.2阶跃示踪法 (step change)304

12.3.3停留时间分布的数字特征305

12.4几种典型的停留时间分布模型306

12.4.1平推流模型 (plug flow)306

12.4.2全混流模型 (perfect mixing)307

12.4.3多釜串联模型308

12.4.4轴向扩散模型310

12.5停留时间分布曲线的应用312

12.5.1设备内流动情况的定性推断312

12.5.2设备内流动情况的定量分析312

12.5.3流动模型的模型参数求取313

习题314

附录318

附录A矢量与场论的基本定义和公式318

附录B流体力学常见物理量量纲、单位换算及特征数321

附录C流体的物性参数323

附录D习题参考答案326

参考文献336