1 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 流体的连续介质模型 2
1.2 流体的主要物理性质 3
1.2.1 流动性 3
1.2.2 可压缩性 3
1.2.3 粘滞性 4
1.2.4 表面张力 7
1.3 牛顿流体和非牛顿流体 10
习题 12
本章符号说明 13
2 流体运动学基本概念 14
2.1 概述 14
2.1.1 流体运动的特点 14
2.1.2 流动的分类 14
2.2 描述流体运动的两种方法 15
2.2.1 拉格郎日法 16
2.2.2 欧拉法 16
2.2.3 质点导数 17
2.2.4 两种方法的关系 19
2.3 迹线和流线 19
2.3.1 迹线 19
2.3.2 流线 20
2.3.3 流管 22
2.4 有旋流动和无旋流动 23
2.4.1 有旋流动 23
2.4.2 无旋流动 24
2.4.3 拉普拉斯方程 25
2.4.4 泊松方程 26
习题 27
本章符号说明 27
3 流体静力学 28
3.1 作用在流体上的力 28
3.1.1 质量力 28
3.1.2 表面力 29
3.1.3 静止流场中的应力性质 29
3.2 流体静力学基本方程及静止流场基本特性 30
3.2.1 流体静力学基本方程 30
3.2.2 静止流场基本特性 31
3.3 某些流体静力学基本问题 34
3.3.1 重力场静止液体中的压力分布与物体受力 34
3.3.2 非惯性坐标系中的静止液体 37
习题 41
本章符号说明 42
4 流体流动基本原理 44
4.1 概述 44
4.1.1 系统与控制体 44
4.1.2 输运公式 45
4.2 质量守恒积分方程 47
4.2.1 控制体系统的质量守恒方程 47
4.2.2 质量守恒方程的特殊形式 48
4.3 动量守恒积分方程 50
4.3.1 控制体系统的动量守恒方程 50
4.3.2 动量守恒方程的应用 52
4.4 动量矩方程及其应用 55
4.4.1 动量矩定律 55
4.4.2 控制体系统的动量矩方程 56
4.5 能量守恒积分方程 60
4.5.1 控制体系统的能量守恒方程 60
4.5.2 化工流动过程的能量衡算 63
4.5.3 伯努利方程及其应用 65
习题 69
思考题 73
本章符号说明 73
5 不可压缩流体的一维层流流动 75
5.1 概述 75
5.1.1 建立流动微分方程的基本方法 75
5.1.2 常见边界条件 76
5.1.3 流动条件说明 76
5.2 狭缝流动分析 77
5.2.1 狭缝流动的微分方程 77
5.2.2 狭缝流动的切应力与速度分布 78
5.2.3 水平狭缝压差流动的流动阻力 79
5.3 管内流动分析 82
5.3.1 圆管内的层流流动 82
5.3.2 圆形套管内的层流流动 85
5.4 降膜流动分析 87
5.4.1 倾斜平板上的降膜流动 87
5.4.2 竖直圆管外壁的降膜流动 90
习题 92
思考题 94
本章符号说明 94
6 流体流动微分方程 96
6.1 连续性方程 96
6.1.1 直角坐标系中的连续性方程 96
6.1.2 柱坐标和球坐标系中的连续性方程 98
6.2 以应力表示的运动方程 99
6.2.1 作用于微元体上的力 100
6.2.2 动量流量及动量变化率 102
6.2.3 以应力表示的运动方程 103
6.3 粘性流体运动微分方程 104
6.3.1 牛顿流体的本构方程 105
6.3.2 流体运动微分方程——Navier-Stokes 方程 107
6.3.3 柱坐标和球坐标系中的 N-S 方程 109
6.4 流体流动微分方程的应用 112
6.4.1 N-S 方程应用概述 112
6.4.2 应用举例 112
习题 118
思考题 120
本章符号说明 120
7 不可压缩理想流体的平面运动 122
7.1 流体微团的运动 122
7.1.1 流体微团平面运动的分解 122
7.1.2 无旋流动的判断 124
7.2 不可压缩理想流体平面势流的基本方程 125
7.2.1 速度势函数 125
7.2.2 拉普拉斯方程 126
7.2.3 流函数及其物理意义 127
7.2.4 速度势函数与流函数的关系 128
7.3 简单有势流动及其组合 130
7.3.1 平行直线等速流动 130
7.3.2 角形区域内的流动 130
7.3.3 点源与点汇 131
7.3.4 点涡 133
7.3.5 复合流动 133
习题 137
思考题 138
本章符号说明 138
8 流体力学的实验研究方法 140
8.1 流动相似原理 140
8.1.1 几何相似 140
8.1.2 运动相似 141
8.1.3 动力相似 141
8.2 相似准则与量纲分析 142
8.2.1 相似准则 142
8.2.2 量纲分析 145
8.3 工程模型研究 149
8.3.1 模型与原型的相似 149
8.3.2 参数测试及实验结果整理 150
8.3.3 模型研究应用举例 151
8.4 流场测试技术 154
8.4.1 速度场的测量 154
8.4.2 压力场的测量 158
习题 159
思考题 161
本章符号说明 161
9 管内流体流动 163
9.1 流体流动的内部结构 163
9.1.1 层流与湍流 163
9.1.2 湍流的基本特征 164
9.2 圆管内充分发展的层流流动 165
9.2.1 速度与切应力分布 165
9.2.2 流动阻力 166
9.3 湍流的半经验理论 167
9.3.1 湍流假说——普朗特混合长度理论 167
9.3.2 通用速度分布——壁面律 169
9.4 圆管内充分发展的湍流流动 172
9.4.1 光滑管内的速度分布与阻力 172
9.4.2 粗糙管内的流动与阻力系数 174
9.5 圆管进口段流动分析 177
9.5.1 进口段流动状态与进口段长度 178
9.5.2 进口段阻力 178
9.6 非圆形截面管内的流体流动 179
9.7 弯曲管道内的流体流动 180
习题 181
思考题 182
本章符号说明 182
10 流体绕物流动 184
10.1 边界层理论及基本概念 184
10.1.1 边界层理论 184
10.1.2 边界层基本概念 184
10.2 平板边界层流动 187
10.2.1 普朗特边界层方程 187
10.2.2 平板层流边界层的精确解 189
10.2.3 冯·卡门(von Kármán)边界层动量积分方程 191
10.2.4 平板层流边界层的近似解 192
10.2.5 平板湍流边界层的近似解 195
10.3 边界层分离与压差阻力 198
10.3.1 边界层分离现象 198
10.3.2 压差阻力 199
10.4 绕圆柱体的流动分析 202
10.4.1 绕圆柱体的流动 202
10.4.2 圆柱绕流总阻力 203
10.5 绕球体的流动分析 204
10.5.1 绕球体的流动 204
10.5.2 球体绕流总阻力 205
10.5.3 颗粒的沉降速度 205
习题 207
思考题 208
本章符号说明 208
11 化工机械中的典型流动分析 210
11.1 叶轮机械中的流体流动 210
11.1.1 叶轮机械工作原理 210
11.1.2 轴流式叶轮机械中的流体流动 213
11.1.3 径流式叶轮机械中的流体流动 214
11.2 旋流器中的流体流动 216
11.2.1 概述 216
11.2.2 旋流器中的流体流动 217
11.2.3 旋流器中的压力分布 218
11.3 通过滤饼层的流体流动 220
11.3.1 达西(Darcy)公式及其修正 220
11.3.2 不可压缩滤饼和可压缩滤饼 223
11.3.3 过滤基本方程的积分 225
11.3.4 离心过滤 226
11.4 沉降离心机中的流体流动 229
11.4.1 转鼓内的流体流动形式 229
11.4.2 颗粒的运动 230
思考题 231
本章符号说明 231
12 流体流动的数值模拟 233
12.1 概述 233
12.1.1 研究流体流动的三种基本方法 233
12.1.2 数值模拟基本方法与过程 235
12.2 模型方程的建立 235
12.2.1 化工设备中的流动分析与简化 236
12.2.2 模型方程及其规范化 237
12.2.3 求解 N-S 方程的原始变量法和涡量-流函数法 239
12.2.4 以涡量-流函数表示的模型方程 240
12.2.5 涡量-流函数模型方程的边界条件 241
12.3 流动区域及模型方程的离散 243
12.3.1 流动区域的离散 243
12.3.2 基本差分公式 245
12.3.3 模型方程与边界条件的离散 247
12.4 代数方程的求解方法 250
12.4.1 迭代法基本公式及收敛判别 250
12.4.2 加速迭代收敛的基本方法和思想 253
12.5 模型方程计算程序及结果讨论 255
12.5.1 计算程序及过程说明 255
12.5.2 计算结果讨论 258
思考题 260
本章符号说明 260
附录 262
A.矢量与场论的基本定义和公式 262
B.流体力学常见物理量量纲及单位换算 265
C.流体的物性参数 266
部分习题参考答案 270
参考文献 273