工程流体力学(第三版)

1章 绪论 １
１．１ 流体力学的范畴及其发展简史 １
１．１．１ 流体力学的范畴 １
１．１．２ 流体力学的发展简史 ２
１．２ 作用在流体上的力 ４
１．２．１ 质量力 ４
１．２．２ 表面力 ５
１．３ 流体的物理属性和力学特性 ５
１．３．１ 易变形性 ５
１．３．２ 密度和可压缩性 ６
１．３．３ 黏性 ６
１．３．４ 非牛顿流体 ９
１．３．５ 表面张力 １１
１．４ 流体力学模型 １５
１．４．１ 连续介质模型 １５
１．４．２ 理想流体模型 １６
１．４．３ 不可压缩流体模型 １６
１．５ 研究流体运动的基本方法 １７
１．５．１ 理论分析法 １７
１．５．２ 实验研究法 １７
１．５．３ 数值计算法 １８
１．６ 流体力学的新兴领域 １８
１．６．１ 超临界流体 １８
１．６．２ 超流体 １９
１．６．３ 磁流体 １９
习题 ２０
第二章 流体静力学 ２１
２．１ 压强及其性质 ２１
２．２ 压强的单位和计算 ２２
２．２．１ 压强的计算基准 ２２
２．２．２ 压强的单位 ２３
２．２．３ 液体静压强的计算 ２３
２．３ 作用于平面和曲面的液体压力 ２５
２．３．１ 作用于平面的液体压力 ２５
１工程流体力学（第三版）
２．３．２ 作用于曲面的液体压力 ２７
２．４ 压强的测量 ３０
２．４．１ 液柱式测压计 ３０
２．４．２ 金属弹簧压力表 ３２
２．４．３ 压力传感器 ３２
习题 ３３
第三章 流体动力学基础 ３５
３．１ 流体运动的基本概念 ３５
３．１．１ 定常流动和非定常流动 ３５
３．１．２ 迹线和流线 ３６
３．１．３ 流管、流束和总流 ３６
３．１．４ 过流断面及水力半径 ３７
３．１．５ 过流断面的压强分布 ３７
３．２ 质量守恒 ３８
３．３ 动量守恒 ３９
３．４ 机械能守恒 ４０
３．４．１ 理想流体的机械能守恒 ４０
３．４．２ 实际流体管流的机械能衡算 ４３
习题 ４５
第四章 阻力损失及其计算 ４７
４．１ 沿程阻力损失和局部阻力损失 ４７
４．２ 流体流动形态 ４８
４．２．１ 层流和湍流 ４８
４．２．２ 雷诺数 ４９
４．２．３ 湍流研究进展简介 ５０
４．３ 湍流的基本特征 ５１
４．３．１ 脉动速度和时均速度 ５１
４．３．２ 湍流强度 ５２
４．３．３ 湍流尺度 ５２
４．３．４ 湍流黏度 ５３
４．４ 黏性流体在圆管中的层流运动 ５３
４．５ 黏性流体在圆管中的湍流流动 ５６
４．５．１ 边界层和黏性底层 ５６
４．５．２ 圆管湍流的速度分布 ５７
４．６ 沿程摩擦阻力系数计算 ５８
４．６．１ 沿程摩擦阻力系数计算公式 ５８
４．６．２ 摩擦系数曲线图 ５９
４．６．３ 非圆形管的当量直径 ５９
４．７ 局部阻力损失 ６１
４．７．１ 局部阻力损失的计算 ６１
４．７．２ 突然扩大与突然缩小 ６１
４．８ 管路计算 ６４
４．８．１ 简单管路 ６４
４．８．２ 复杂管路 ６７
４．８．３ 可压缩流体的管路计算 ７０
习题 ７４
第五章 不可压缩流体流动 ７７
５．１ 流体微团运动 ７７
５．１．１ 描述流体流动的两种方法 ７７
５．１．２ 流体微团运动 ７８
５．２ 连续性方程 ８２
５．３ 无旋流动 ８３
５．４ 有旋流动 ８８
５．５ 黏性流体的运动方程 ８９
５．５．１ Ｎ Ｓ方程的建立 ８９
５．５．２ 欧拉方程 ９４
５．５．３ 运动方程的定解条件 ９４
５．５．４ Ｎ Ｓ方程的求解 ９５
习题 ９９
第六章 典型流体流动 １０１
６．１ 绕流 １０１
６．１．１ 曲面边界层分离 １０１
６．１．２ 绕流阻力 １０２
６．１．３ 绕球体的流动 １０３
６．１．４ 圆柱绕流 １０６
６．１．５ 理想流体绕圆柱流动 １０７
６．２ 射流 １１０
６．２．１ 自由射流 １１１
６．２．２ 受限射流 １１６
６．２．３ 同轴射流 １１７
６．３ 撞击流 １１９
６．３．１ 撞击流基本原理 １１９
６．３．２ 撞击流的分类 １２０
６．３．３ 撞击流的工业应用 １２３
习题 １２７
第七章 流体输送机械 １２８
７．１ 泵与风机的类型 １２８
７．１．１ 叶片式泵与风机 １２８
７．１．２ 容积式泵与风机 １２９
７．２ 离心泵的主要构件及性能参数 １２９
７．２．１ 离心泵的主要构件 １２９
７．２．２ 离心泵的性能参数 １３０
７．３ 泵与风机的理论和实际特性曲线 １３１
７．３．１ 泵与风机的理论特性曲线 １３１
７．３．２ 泵与风机的损失与效率 １３３
７．３．３ 泵与风机的实际特性曲线 １３４
７．４ 泵的扬程与安装高度 １３５
７．４．１ 泵的扬程计算 １３５
７．４．２ 离心泵的安装高度 １３７
７．５ 离心泵的流量调节和组合操作 １４１
７．５．１ 离心泵的管路特性曲线 １４１
７．５．２ 离心泵的工作点 １４２
７．５．３ 流量调节 １４２
７．６ 泵的选择与安装 １４４
７．６．１ 泵的选型原则 １４４
７．６．２ 泵的选型 １４５
７．７ 气体输送机械 １４７
７．７．１ 通风机 １４７
７．７．２ 鼓风机 １４９
７．７．３ 压缩机 １４９
７．７．４ 真空泵 １５２
习题 １５３
第八章 流体力学实验研究和测试方法 １５５
８．１ 流动相似准则及其分析方法 １５５
８．１．１ 流动相似原理 １５５
８．１．２ 相似准则及其分析方法 １５６
８．２ 流动可视化技术 １５９
８．２．１ 氢气泡技术 １５９
８．２．２ 空气泡技术 １６０
８．２．３ 烟线技术 １６１
８．２．４ 高速摄像技术 １６１
８．３ 流量测量技术 １６４
８．３．１ 孔板流量计 １６４
８．３．２ 文丘里流量计 １６５
８．３．３ 转子流量计 １６６
８．３．４ 涡街流量计 １６７
８．４ 流速测量技术 １６８
８．４．１ 皮托管 １６８
８．４．２ 热线风速仪 １６９
８．４．３ 激光多普勒测速技术 １７１
４目 录
８．４．４ 粒子图像测速技术 １７１
８．４．５ 激光诱导荧光技术 １７３
习题 １７５
第九章 数值模拟方法及软件简介 １７６
９．１ 计算流体力学概述 １７６
９．２ 数值计算方法 １７７
９．３ 湍流数值模拟 １７８
９．３．１ 湍流理论简介 １７８
９．３．２ 湍流模式理论 １７９
９．４ ＣＦＤ的求解过程 １８２
９．５ 常用的ＣＦＤ商业软件应用示例 １８４
９．５．１ 冷热水混合案例 １８４
９．５．２ 煤气化湍流多相反应案例 １８７
习题 １９０
附录 １９１
Ⅰ 水的物理性质 １９１
Ⅱ 干空气的物理性质 １９２
Ⅲ 压强国际单位与工程单位换算关系 １９３
Ⅳ 工业管道的当量粗糙度 １９３
Ⅴ 管件和阀件的局部阻力系数 １９３
Ⅵ 某些流体在管道中的常用流速范围 １９４
Ⅶ ＩＳ型单级单吸离心泵性能表 １９４
Ⅷ 饱和水蒸气（以温度为准） １９８
Ⅸ 饱和水蒸气（以压强为准） １９９
Ⅹ 犚犲≈１０５时二元物体的总阻力系数 ２０１
Ⅺ 三维物体的总阻力系数 ２０２
Ⅻ 量纲分析方法 ２０２
 习题简要参考答案 ２０４
参考文献 ２０７
1章 绪论 １
１．１ 流体力学的范畴及其发展简史 １
１．１．１ 流体力学的范畴 １
１．１．２ 流体力学的发展简史 ２
１．２ 作用在流体上的力 ４
１．２．１ 质量力 ４
１．２．２ 表面力 ５
１．３ 流体的物理属性和力学特性 ５
１．３．１ 易变形性 ５
１．３．２ 密度和可压缩性 ６
１．３．３ 黏性 ６
１．３．４ 非牛顿流体 ９
１．３．５ 表面张力 １１
１．４ 流体力学模型 １５
１．４．１ 连续介质模型 １５
１．４．２ 理想流体模型 １６
１．４．３ 不可压缩流体模型 １６
１．５ 研究流体运动的基本方法 １７
１．５．１ 理论分析法 １７
１．５．２ 实验研究法 １７
１．５．３ 数值计算法 １８
１．６ 流体力学的新兴领域 １８
１．６．１ 超临界流体 １８
１．６．２ 超流体 １９
１．６．３ 磁流体 １９
习题 ２０
第二章 流体静力学 ２１
２．１ 压强及其性质 ２１
２．２ 压强的单位和计算 ２２
２．２．１ 压强的计算基准 ２２
２．２．２ 压强的单位 ２３
２．２．３ 液体静压强的计算 ２３
２．３ 作用于平面和曲面的液体压力 ２５
２．３．１ 作用于平面的液体压力 ２５
１工程流体力学（第三版）
２．３．２ 作用于曲面的液体压力 ２７
２．４ 压强的测量 ３０
２．４．１ 液柱式测压计 ３０
２．４．２ 金属弹簧压力表 ３２
２．４．３ 压力传感器 ３２
习题 ３３
第三章 流体动力学基础 ３５
３．１ 流体运动的基本概念 ３５
３．１．１ 定常流动和非定常流动 ３５
３．１．２ 迹线和流线 ３６
３．１．３ 流管、流束和总流 ３６
３．１．４ 过流断面及水力半径 ３７
３．１．５ 过流断面的压强分布 ３７
３．２ 质量守恒 ３８
３．３ 动量守恒 ３９
３．４ 机械能守恒 ４０
３．４．１ 理想流体的机械能守恒 ４０
３．４．２ 实际流体管流的机械能衡算 ４３
习题 ４５
第四章 阻力损失及其计算 ４７
４．１ 沿程阻力损失和局部阻力损失 ４７
４．２ 流体流动形态 ４８
４．２．１ 层流和湍流 ４８
４．２．２ 雷诺数 ４９
４．２．３ 湍流研究进展简介 ５０
４．３ 湍流的基本特征 ５１
４．３．１ 脉动速度和时均速度 ５１
４．３．２ 湍流强度 ５２
４．３．３ 湍流尺度 ５２
４．３．４ 湍流黏度 ５３
４．４ 黏性流体在圆管中的层流运动 ５３
４．５ 黏性流体在圆管中的湍流流动 ５６
４．５．１ 边界层和黏性底层 ５６
４．５．２ 圆管湍流的速度分布 ５７
４．６ 沿程摩擦阻力系数计算 ５８
４．６．１ 沿程摩擦阻力系数计算公式 ５８
４．６．２ 摩擦系数曲线图 ５９
４．６．３ 非圆形管的当量直径 ５９
４．７ 局部阻力损失 ６１
４．７．１ 局部阻力损失的计算 ６１
４．７．２ 突然扩大与突然缩小 ６１
４．８ 管路计算 ６４
４．８．１ 简单管路 ６４
４．８．２ 复杂管路 ６７
４．８．３ 可压缩流体的管路计算 ７０
习题 ７４
第五章 不可压缩流体流动 ７７
５．１ 流体微团运动 ７７
５．１．１ 描述流体流动的两种方法 ７７
５．１．２ 流体微团运动 ７８
５．２ 连续性方程 ８２
５．３ 无旋流动 ８３
５．４ 有旋流动 ８８
５．５ 黏性流体的运动方程 ８９
５．５．１ Ｎ Ｓ方程的建立 ８９
５．５．２ 欧拉方程 ９４
５．５．３ 运动方程的定解条件 ９４
５．５．４ Ｎ Ｓ方程的求解 ９５
习题 ９９
第六章 典型流体流动 １０１
６．１ 绕流 １０１
６．１．１ 曲面边界层分离 １０１
６．１．２ 绕流阻力 １０２
６．１．３ 绕球体的流动 １０３
６．１．４ 圆柱绕流 １０６
６．１．５ 理想流体绕圆柱流动 １０７
６．２ 射流 １１０
６．２．１ 自由射流 １１１
６．２．２ 受限射流 １１６
６．２．３ 同轴射流 １１７
６．３ 撞击流 １１９
６．３．１ 撞击流基本原理 １１９
６．３．２ 撞击流的分类 １２０
６．３．３ 撞击流的工业应用 １２３
习题 １２７
第七章 流体输送机械 １２８
７．１ 泵与风机的类型 １２８
７．１．１ 叶片式泵与风机 １２８
７．１．２ 容积式泵与风机 １２９
７．２ 离心泵的主要构件及性能参数 １２９
７．２．１ 离心泵的主要构件 １２９
７．２．２ 离心泵的性能参数 １３０
７．３ 泵与风机的理论和实际特性曲线 １３１
７．３．１ 泵与风机的理论特性曲线 １３１
７．３．２ 泵与风机的损失与效率 １３３
７．３．３ 泵与风机的实际特性曲线 １３４
７．４ 泵的扬程与安装高度 １３５
７．４．１ 泵的扬程计算 １３５
７．４．２ 离心泵的安装高度 １３７
７．５ 离心泵的流量调节和组合操作 １４１
７．５．１ 离心泵的管路特性曲线 １４１
７．５．２ 离心泵的工作点 １４２
７．５．３ 流量调节 １４２
７．６ 泵的选择与安装 １４４
７．６．１ 泵的选型原则 １４４
７．６．２ 泵的选型 １４５
７．７ 气体输送机械 １４７
７．７．１ 通风机 １４７
７．７．２ 鼓风机 １４９
７．７．３ 压缩机 １４９
７．７．４ 真空泵 １５２
习题 １５３
第八章 流体力学实验研究和测试方法 １５５
８．１ 流动相似准则及其分析方法 １５５
８．１．１ 流动相似原理 １５５
８．１．２ 相似准则及其分析方法 １５６
８．２ 流动可视化技术 １５９
８．２．１ 氢气泡技术 １５９
８．２．２ 空气泡技术 １６０
８．２．３ 烟线技术 １６１
８．２．４ 高速摄像技术 １６１
８．３ 流量测量技术 １６４
８．３．１ 孔板流量计 １６４
８．３．２ 文丘里流量计 １６５
８．３．３ 转子流量计 １６６
８．３．４ 涡街流量计 １６７
８．４ 流速测量技术 １６８
８．４．１ 皮托管 １６８
８．４．２ 热线风速仪 １６９
８．４．３ 激光多普勒测速技术 １７１
４目 录
８．４．４ 粒子图像测速技术 １７１
８．４．５ 激光诱导荧光技术 １７３
习题 １７５
第九章 数值模拟方法及软件简介 １７６
９．１ 计算流体力学概述 １７６
９．２ 数值计算方法 １７７
９．３ 湍流数值模拟 １７８
９．３．１ 湍流理论简介 １７８
９．３．２ 湍流模式理论 １７９
９．４ ＣＦＤ的求解过程 １８２
９．５ 常用的ＣＦＤ商业软件应用示例 １８４
９．５．１ 冷热水混合案例 １８４
９．５．２ 煤气化湍流多相反应案例 １８７
习题 １９０
附录 １９１
Ⅰ 水的物理性质 １９１
Ⅱ 干空气的物理性质 １９２
Ⅲ 压强国际单位与工程单位换算关系 １９３
Ⅳ 工业管道的当量粗糙度 １９３
Ⅴ 管件和阀件的局部阻力系数 １９３
Ⅵ 某些流体在管道中的常用流速范围 １９４
Ⅶ ＩＳ型单级单吸离心泵性能表 １９４
Ⅷ 饱和水蒸气（以温度为准） １９８
Ⅸ 饱和水蒸气（以压强为准） １９９
Ⅹ 犚犲≈１０５时二元物体的总阻力系数 ２０１
Ⅺ 三维物体的总阻力系数 ２０２
Ⅻ 量纲分析方法 ２０２
 习题简要参考答案 ２０４
参考文献 ２０７