流体力学PDF电子书下载

第1章 流体物理性质与运动的描述 1

1.1 流体质点与连续介质假设 1

1.1.1 流体的定义和特征 1

1.1.2 流体力学的研究内容和方法 2

1.1.3 流体质点与连续介质假设 2

目录 3

符号表 3

1.2.1 流体的密度与比体积 4

1.2 流体的可压缩性与热膨胀性 4

1.1.4 流体物理量 4

1.2.2 流体的可压缩性与热膨胀性 5

1.2.3 不可压缩流体假设 6

1.3 流体的粘性与导热性 7

1.3.1 流体的粘性 7

1.3.2 牛顿粘性定律 7

1.3.3 流体的粘度 8

1.3.4 牛顿流体与非牛顿流体 9

1.3.6 流体的导热性 10

1.3.5 无粘性流体的假设 10

1.4 流体运动的两种描述方法及互相转换 11

1.4.1 拉格朗日描述法 11

1.4.2 欧拉描述法 12

1.4.3 拉格朗日描述法与欧拉描述法之间的联系 12

1.5 质点的随体导数 13

1.5.1 拉格朗日描述中的随体导数 13

1.5.2 欧拉描述中的随体导数 13

1.5.3 拉格朗日描述法与欧拉描述法的互相转换 15

1.6.1 迹线 18

1.6 迹线与流线、流管与流量 18

1.6.2 流线 19

1.6.3 脉线 21

1.6.4 流管与流束 22

1.7 运动流体的应变率张量 23

1.7.1 亥姆霍兹速度分解定理 24

1.7.2 流体微团的运动分析 26

1.7.3 流体运动的分类 29

1.8 流体中的作用力与应力张量 31

1.8.1 体积力 31

1.8.2 表面力与应力 32

1.8.3 流场中任一点上的应力状态——应力张量 33

1.8.4 静止流体与运动的无粘性流体中的应力张量 34

附录Ⅰ 笛卡儿张量简介 35

习题 41

第2章 流体静力学 47

2.1 流体静压强及其特性 47

2.2 静止流体的平衡微分方程 49

2.3 重力场中静止流体内的压力分布 52

2.4 静压力的计量 53

2.5 流体的相对平衡 54

2.6 静止流体作用在物面上的总压力计算 57

2.6.1 平面和曲面上的总压力 57

2.6.2 浮力 60

2.7 大气的平衡 61

习题 66

第3章 流体运动基本方程 72

3.1 流体的系统与控制体 72

3.1.1 流体的系统 72

3.1.3 流体运动应遵循的基本定律 73

3.1.2 流场中的控制体 73

3.1.4 体积分的随体导数 74

3.1.5 基本方程表达形式的选择 76

3.2 流体运动的连续性方程 76

3.2.1 积分形式的连续性方程 76

3.2.2 微分形式的连续性方程 78

3.2.3 体积分随体导数的另一种表达式 81

3.3 流体的运动方程 82

3.3.1 积分形式的运动方程 82

3.3.2 微分形式的运动方程 83

3.3.3 粘性流体的运动微分方程 85

3.3.4 无粘性流体的运动微分方程 88

3.4 流体运动的能量方程 89

3.4.1 积分形式的能量方程 89

3.4.2 微分形式的能量方程 90

3.4.3 牛顿流体的内能方程 91

3.5 流体的热力学状态方程 93

3.5.1 流体的热动平衡假设 93

3.5.2 流体的状态方程 94

3.5.4 正压流体与斜压流体 95

3.5.3 常比热容完全气体的热力学关系式 95

3.6.1 流体力学分析方法的一般过程 96

3.6 流体动力学基本方程组的封闭性及定解条件 96

3.6.2 流体力学的理论模型 97

3.6.3 几种常用模型的封闭方程组 97

3.6.4 初始条件与边界条件 103

附录Ⅱ 正交曲线坐标系中流体运动的基本方程组 108

习题 114

4.1 流体运动的一维模型及基本方程 119

4.1.1 一维流动模型 119

第4章 无粘性流体的一维流动 119

4.1.2 无粘性流体一维流动的基本方程 120

4.2 不可压缩流体的伯努利方程及其应用 126

4.2.1 无粘性流体运动方程的简化 126

4.2.2 定常流动的伯努利积分 127

4.2.3 伯努利方程的物理意义和几何意义 129

4.2.4 伯努利方程的基本应用 130

4.2.5 伯努利方程的推广应用 135

4.2.6 非定常流动中的伯努利方程 139

4.2.7 非惯性坐标系中的伯努利方程 141

4.3.1 动量方程及其简化 144

4.3 动量定理及其应用 144

4.3.2 动量方程的应用 145

4.3.3 轴流式涡轮机的欧拉方程 147

4.3.4 非惯性坐标系中的动量定理 150

4.4 动量矩定理及其应用 152

4.4.1 积分形式的动量矩方程 152

4.4.2 径流式涡轮机的欧拉方程 153

4.4.3 非惯性坐标系中的动量矩定理及其应用 154

习题 156

5.1 流体的有旋运动和无旋运动 163

第5章 无粘性流体的平面二维流动 163

5.2 涡线、涡管、涡束、涡通量 166

5.3 速度环量、斯托克斯定理 168

5.4 无粘性流体兰姆-葛罗米柯型微分方程及应用 171

5.5 欧拉积分式和伯努利积分、伯努利方程 173

5.6 汤姆孙定理、亥姆霍兹旋涡定理 176

5.6.1 汤姆孙定理 176

5.6.2 亥姆霍兹旋涡定理 178

5.7.1 有势流动和速度势函数 179

5.7 有势流动、速度势函数、流函数、流网 179

5.7.2 流函数与流网 183

5.8 不可压缩平面二维无旋基本流动 187

5.8.1 均匀直线流动（平行流） 188

5.8.2 点源和点汇 189

5.8.3 涡流和点涡 190

5.9 简单的平面无旋流动的叠加 194

5.10 无环量绕圆柱体的不可压缩二维无旋流动 201

5.11 有环量绕圆柱体的不可压缩二维无旋流动 205

5.12 不可压缩流体绕流平面叶型的库塔-儒可夫斯基升力定理 209

习题 212

第6章 粘性不可压缩流体的一维流动 215

6.1 量纲数为1的N-S方程及流动相似律 215

6.1.1 量纲数为1的N-S方程 215

6.1.2 量纲为1的参数 216

6.1.3 流动相似律 217

6.2 粘性流体运动的两种流态——层流和湍流 218

6.2.1 雷诺实验 218

6.2.3 湍流的统计平均 220

6.2.2 湍流的一般定义和描述 220

6.2.4 不可压缩湍流平均运动的基本方程 222

6.3 圆管中的充分发展层流与湍流 223

6.3.1 圆管中的层流 223

6.3.2 圆管中的湍流 227

6.4 管流的沿程压力损失和局部阻力损失 235

6.4.1 沿程压力损失 235

6.4.2 局部阻力损失 239

6.5.1 粘性总流的伯努利方程 244

6.5 粘性总流的伯努利方程及其应用 244

6.5.2 伯努利方程的应用 247

6.5.3 沿程有能量输入或输出的伯努利方程 249

6.6 管路的水力计算 250

6.6.1 短管 251

6.6.2 长管 255

6.7 缝隙中的流动 262

6.7.1 平行平板间缝隙流动 262

6.7.2 圆柱环形缝隙流动 265

6.7.3 倾斜平板间缝隙流动 267

6.7.4 圆锥缝隙流动 270

6.7.5 平行圆盘缝隙流动 271

6.8 孔口出流 274

6.8.1 孔口出流的分类和基本特征 274

6.8.2 薄壁孔口自由出流 276

6.8.3 薄壁孔口淹没出流 278

6.8.4 厚壁孔口自由出流 280

6.8.5 节流气穴与汽蚀 283

习题 284

7.1.1 斯托克斯方程 291

第7章 粘性流体层流的基本运动 291

7.1 N-S方程的小雷诺数近似解 291

7.1.2 绕圆球小雷诺数流动的斯托克斯解 292

7.1.3 绕圆球小雷诺数流动的奥辛解 295

7.2 两平行平板间的二维流动 297

7.2.1 二维泊肃叶流 297

7.2.2 纯剪切流 298

7.2.3 二维库特流 298

7.3 附壁面流动边界层的基本概念与特征量 299

7.4 不可压缩二维层流边界层微分方程 300

7.5 不可压缩二维边界层的动量积分关系式 302

7.5.1 位移厚度 302

7.5.2 动量损失厚度 303

7.5.3 能量损失厚度 304

7.5.4 卡门动量积分方程 304

7.6 定常不可压缩二维层流边界层的布拉修斯相似性解 306

7.7 可压缩层流边界层 310

7.7.1 可压缩二维层流边界层方程 310

7.7.2 完全气体定常可压缩二维层流边界层的相似性解 311

7.7.3 可压缩二维边界层的积分关系式 312

习题 314

第8章 粘性流体湍流的基本运动 316

8.1 湍流的模式理论 316

8.1.1 湍流模式建立的依据 317

8.1.2 一阶封闭模式 318

8.1.3 雷诺应力模式 321

8.1.4 代数应力模式 323

8.1.5 二方程模式 324

8.1.7 一方程模式 325

8.1.6 双尺度模式 325

8.1.8 各种模式的比较 326

8.2 二维边界层 326

8.2.1 湍流边界层的结构 326

8.2.2 二维湍流边界层方程 329

8.2.3 边界层的转捩过程 330

8.2.4 影响边界层转捩的几个因素 332

8.2.5 转捩位置的预测 333

8.2.6 层流边界层分离 334

8.2.7 湍流边界层分离 335

8.2.8 边界层分离后的再附 337

8.3 平板不可压缩二维湍流和混合边界层的近似计算 338

8.3.1 定常不可压缩二维湍流边界层的动量积分关系式解法 338

8.3.2 平板不可压缩二维层流-湍流混合边界层的近似计算 343

8.4 绕圆柱体的不可压缩二维流动 344

8.4.1 绕圆柱体不可压二维边界层 344

8.4.2 绕圆柱流场与Re数的关系 347

8.5 湍尾流场 348

8.6 可压缩二维湍流边界层方程 352

8.7.1 绕流阻力 353

8.7 绕流阻力与边界层控制 353

8.7.2 边界层控制 354

习题 355

第9章 气体动力学基础 357

9.1 压力波的传播、声速 357

9.2 运动点扰源产生的扰动场、马赫数与马赫角 360

9.3 可压缩流体运动的三种参考状态 361

9.4 可压缩流体一维定常等熵流动的伯努利方程及其应用 362

9.4.1 一维定常等熵流动的基本方程 363

9.4.2 一维定常等熵流动的伯努利方程及其应用——喷管 365

9.5 流动通道中两个不同截面上参数变化与马赫数的关系 369

9.5.1 任意两截面间同名参数比与马赫数的关系 369

9.5.2 任意截面上的参数与临界参数、滞止参数之间的关系及其速度系数λ 371

9.6 不可压缩流体伯努利方程的应用范围 374

9.7 正激波 375

9.7.1 正激波的形成机理、传播速度及蓝金-许贡纽公式 376

9.7.2 正激波前、后气流参数的关系 378

9.8 超声速气流绕流外凸或内凹固壁面的流动 382

9.8.1 膨胀波 382

9.8.2 微弱压缩波 383

9.9.1 斜激波的形成 384

9.9 斜激波 384

9.9.2 斜激波前、后气流参数的关系 385

9.9.3 超声速气流折转角δ和斜激波角β的关系 388

9.10 超声速喷管在非设计工况下的流动分析 390

附录Ⅲ 气体动力函数表 392

附录Ⅳ 正激波表 394

习题 400

10.1 气液两相流动的参数及其意义 403

第10章 两相流动基础 403

10.1.1 气液两相流动的参数 404

10.1.2 气液两相流动的流型 408

10.2 气液两相流动的均流模型与分流模型 412

10.2.1 气液两相流动的均流模型 412

10.2.2 两相流动的分流模型 415

10.3 气液两相流动中摩擦阻力、局部阻力及真实含气率的计算 418

10.3.1 气液两相流动中摩擦阻力的计算 418

10.3.2 气液两相流动中真实含气率的计算 427

10.3.3 气液两相流动的局部阻力 431

10.4 固定床气固两相流的基本原理 435

10.4.1 床层结构参数 435

10.4.2 床层阻力 436

10.5 流化床气固两相流的基本原理 438

10.5.1 流化现象 438

10.5.2 临界流化速度和流化床的压降 439

10.6 悬浮状气固两相流的基本原理 441

习题 442

11.1.1 相似理论 444

11.1 相似理论和量纲分析 444

第11章 流体力学实验基础 444

11.1.2 量纲分析 449

11.2 流体力学实验设备简介 453

11.2.1 风洞的功能与分类 453

11.2.2 低速风洞 454

11.2.3 超声速风洞 459

11.2.4 水流循环系统 462

11.3 流动参数测量 462

11.3.1 压力的测量 462

11.3.2 流速的测量 468

11.3.3 流量的测量 471

11.4 流动显示技术 476

11.4.1 常规流动显示 476

11.4.2 粒子图像测速技术 479

习题 483

第12章 计算流体力学基础 484

12.1 计算流体力学概述 484

12.2 有限差分法 486

12.2.1 有限差分法概念 486

12.2.2 相容性、收敛性和稳定性 488

12.3 模型方程的差分格式 490

12.3.1 波动方程 490

12.3.2 热传导方程 491

12.3.3 无粘性伯格斯方程 492

12.4 冯·诺伊曼稳定性分析法和其他著名的差分格式 492

12.5 稳定性分析的其他方法和修正方程的概念 495

12.6 二维、三维模型方程的差分格式 497

12.7 无旋流动的差分计算方法 499

12.7.1 高斯-塞德尔迭代法 499

12.7.2 线迭代法 500

12.7.3 等步长点迭代法 501

12.8 二维不可压缩粘性流动涡量流函数法 502

12.8.1 网格设计 505

12.8.2 程序框图 506

12.9 平板边界层方程的差分解法 507

12.10 N-S方程的有限差分法 508

12.10.1 压强校正法 510

12.10.2 投影法和人工压缩性法 514

12.10.3 哈罗-泊松方程法和非交错网格下的应用 517

12.10.4 Beam-Warming差分格式 518

12.11 非结构网格有限体积法 519

12.11.1 非结构网格的几何描述 520

12.11.2 扩散方程的离散格式 520

12.11.3 对流扩散方程的离散格式 522

12.11.4 流动方程组的离散格式 523

习题 525

习题答案 527

中英文人名对照表 538

参考文献 540