工程流体力学 第3版PDF电子书下载

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

3.3.2 U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

6.4.1 N-S方程应用概述 153

6.4.2 N-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