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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 2

1.2.2可压缩性 2

1.2.3黏滞性 3

1.2.4表面张力特性 6

1.3牛顿流体和非牛顿流体 10

1.3.1牛顿流体与非牛顿流体 10

1.3.2非牛顿流体及其黏度特性 10

习题 11

第2章 流体流动的基本概念 14

2.1流场及流动分类 14

2.1.1流场的概念 14

2.1.2流动分类 14

2.2描述流体运动的两种方法 16

2.2.1拉格朗日法 16

2.2.2欧拉法 17

2.2.3两种方法的关系 17

2.2.4质点导数 18

2.3迹线和流线 21

2.3.1迹线 21

2.3.2流线 21

2.3.3流管与管流连续性方程 23

2.4流体的运动与变形 24

2.4.1微元流体线的变形速率 24

2.4.2微元流体团的变形速率 26

2.4.3涡量与有旋流动 27

2.4.4无旋流动——势流 28

2.5流体的流动与阻力 29

2.5.1流体流动的推动力 30

2.5.2层流与湍流 30

2.5.3流场边界的对流动的影响 32

2.5.4流动阻力与阻力系数 33

习题 35

第3章 流体静力学 38

3.1作用在流体上的力 38

3.1.1质量力 38

3.1.2表面力——应力与压力 39

3.1.3静止流场中的表面力 39

3.1.4压力的表示方法及单位 40

3.2流体静力学基本方程 41

3.2.1流体静力学基本方程 41

3.2.2静止流场基本特性 41

3.3重力场中的静止液体 43

3.3.1重力场中静止流体的压力分布 43

3.3.2 U形管测压原理 44

3.3.3静止液体中固体壁面的受力 46

3.3.4静止液体中物体的浮力与浮力矩 51

3.4非惯性坐标系中的静止液体 53

3.4.1非惯性坐标系中的质量力 53

3.4.2直线匀加速运动中的静止液体 53

3.4.3匀速旋转容器中的静止液体 54

3.4.4高速回转圆筒内流体的压力分布 56

习题 57

第4章 流体流动的守恒原理 62

4.1概述 62

4.1.1系统与控制体 62

4.1.2输运公式 63

4.2质量守恒方程 64

4.2.1控制面上的质量流量 64

4.2.2控制体质量守恒方程 65

4.2.3多组分系统的质量守恒方程 67

4.3动量守恒方程 69

4.3.1控制体动量守恒方程 69

4.3.2动量守恒方程的简化形式 71

4.4动量矩守恒方程 75

4.4.1动量矩定律 75

4.4.2控制体动量矩守恒方程 75

4.5能量守恒方程 79

4.5.1运动流体的能量 79

4.5.2控制体能量守恒方程 82

4.5.3化工流动系统的能量方程 84

4.5.4伯努利方程及其应用说明 87

4.6守恒方程综合应用分析 92

4.6.1小孔流动问题 92

4.6.2管流中的液体汽化问题 94

4.6.3驻点压力与皮托管 95

4.6.4管道局部阻力损失分析 97

习题 101

第5章 不可压缩流体的一维层流流动 108

5.1概述 108

5.1.1建立流动微分方程的基本方法 108

5.1.2常见边界条件 109

5.1.3流动条件说明 109

5.2狭缝流动分析 109

5.2.1狭缝流动的微分方程 110

5.2.2狭缝流动的切应力与速度分布 112

5.2.3水平狭缝压差流的流动阻力 112

5.3管内流动分析 114

5.3.1圆管内的层流流动 114

5.3.2圆形套管内的层流流动 118

5.4降膜流动分析 120

5.4.1倾斜平板上的降膜流动 120

5.4.2竖直圆管外壁的降膜流动 122

习题 124

第6章 流体流动微分方程 127

6.1连续性方程 127

6.1.1直角坐标系中的连续性方程 127

6.1.2柱坐标和球坐标系中的连续性方程 129

6.2以应力表示的运动方程 130

6.2.1作用于微元体上的力 130

6.2.2动量流量及动量变化率 132

6.2.3以应力表示的运动方程 133

6.3黏性流体运动微分方程 134

6.3.1牛顿流体的本构方程 134

6.3.2流体运动微分方程——Navier-Stokes方程 136

6.3.3柱坐标和球坐标系中的N-S方程 138

6.4流体流动微分方程的应用 140

6.4.1 N-S方程应用概述 140

6.4.2 N-S方程应用举例 140

习题 146

第7章 不可压缩理想流体的平面运动 149

7.1流体微团的运动 149

7.1.1流体微团平面运动的分解 149

7.1.2有旋流动与无旋流动 150

7.1.3线流量与速度环量 151

7.2速度势函数与流函数 152

7.2.1速度势函数、势流 152

7.2.2流函数及其性质 152

7.2.3速度势函数与流函数的关系 154

7.3不可压缩理想流体平面流动的基本方程 155

7.3.1连续性方程与运动微分方程 155

7.3.2不可压缩平面势流的基本方程——拉普拉斯方程 156

7.3.3速度势函数与流函数的全微分方程 156

7.4简单有势流动及其组合流动 157

7.4.1平行直线等速流 157

7.4.2角形区域内的流动 158

7.4.3点源与点汇 158

7.4.4点涡 159

7.4.5复合流动 159

7.4.6理想流体绕固定圆柱体的流动 162

7.4.7理想流体绕转动圆柱体的流动 164

习题 166

思考题 166

第8章 流体力学的实验研究方法 167

8.1流动相似原理 167

8.1.1几何相似 167

8.1.2运动相似 168

8.1.3动力相似 168

8.2相似准则及其分析方法 168

8.2.1微分方程分析法 169

8.2.2量纲分析法 173

8.3工程模型研究 176

8.3.1模型与原型的相似 176

8.3.2参数测试及实验结果整理 177

8.3.3模型研究应用举例 178

8.4流场测试技术 181

8.4.1速度场的测量 181

8.4.2压力场的测量 185

习题 185

思考题 186

第9章 管内流体流动 187

9.1层流与湍流 187

9.1.1雷诺实验 187

9.1.2圆管内充分发展的层流流动 188

9.1.3湍流及其基本特性 189

9.1.4湍流理论简介 190

9.2湍流的半经验理论 191

9.2.1雷诺方程 191

9.2.2湍流假说——普朗特混合长度理论 192

9.2.3通用速度分布——壁面律 194

9.3圆管内充分发展的湍流流动 196

9.3.1光滑管内的湍流速度与切应力 196

9.3.2粗糙管内的湍流速度分布 197

9.4圆管内流动的阻力损失 198

9.4.1圆管阻力损失与阻力系数定义 198

9.4.2光滑圆管的阻力系数 199

9.4.3粗糙圆管的阻力系数 200

9.4.4局部阻力系数 203

9.5圆管进口段流动分析 206

9.5.1进口段流动状态与进口段长度 206

9.5.2进口段阻力 206

9.6非圆形截面管内的流体流动 207

9.7弯曲管道内的流体流动 208

习题 209

思考题 209

第10章 流体绕物流动 210

10.1边界层基本概念 210

10.1.1边界层理论 210

10.1.2边界层的厚度与流态 210

10.1.3平壁表面摩擦阻力与摩擦阻力系数 212

10.2平壁边界层流动 213

10.2.1普朗特边界层方程 213

10.2.2平壁层流边界层的精确解 214

10.2.3冯·卡门边界层动量积分方程 216

10.2.4平壁层流边界层的近似解 218

10.2.5平壁湍流边界层的近似解 220

10.3边界层分离及绕流总阻力 223

10.3.1边界层分离现象 223

10.3.2绕流总阻力 224

10.4绕圆柱体的流动分析 226

10.4.1绕圆柱体的流动 227

10.4.2圆柱绕流总阻力 228

10.5绕球体的流动分析 229

10.5.1绕球体的流动 229

10.5.2球体绕流总阻力 229

10.5.3颗粒的沉降速度 230

习题 232

思考题 233

第11章 化工机械中的典型流动分析 234

11.1 叶轮机械中的流体流动 234

11.1.1叶轮机械工作原理 234

11.1.2轴流式叶轮机械中的流体流动 236

11.1.3径流式叶轮机械中的流体流动 237

11.2旋流器中的流体流动 239

11.2.1概述 239

11.2.2旋流器中的流体流动 240

11.2.3旋流器中的压力分布 241

11.3通过滤饼层的流体流动 242

11.3.1达西公式及其修正 242

11.3.2不可压缩滤饼和可压缩滤饼 244

11.3.3过滤基本方程的积分 245

11.3.4离心过滤 247

11.4沉降离心机中的流体流动 248

11.4.1转鼓内的流体流动形式 249

11.4.2颗粒的运动 250

思考题 250

本章符号说明 251

第12章 流体流动的数值模拟 252

12.1概述 252

12.1.1研究流体流动的三种基本方法 252

12.1.2数值模拟基本方法与过程 253

12.2模型方程的建立 254

12.2.1化工设备中的流动分析与简化 254

12.2.2模型方程及其规范化 255

12.2.3求解N-S方程的原始变量法和涡量-流函数法 257

12.2.4以涡量-流函数表示的模型方程 257

12.2.5涡量-流函数模型方程的边界条件 258

12.3流动区域及模型方程的离散 259

12.3.1流动区域的离散 259

12.3.2基本差分公式 261

12.3.3模型方程与边界条件的离散 263

12.4代数方程的求解方法 265

12.4.1迭代法基本公式及收敛判别 265

12.4.2加速迭代收敛的基本方法和思想 267

12.5模型方程计算程序及结果讨论 269

12.5.1计算程序及过程说明 269

12.5.2计算结果讨论 271

思考题 273

本章符号说明 274

附录A 矢量与场论的基本定义和公式 275

附录B 流体力学常见物理量量纲、单位换算及特征数 279

附录C 流体的物性参数 281

附录D 习题参考答案 284

参考文献 292