工程流体力学(黄卫星)(第4版)

1 流体的力学特性001

1.1 流体的连续介质模型001

1.1.1 流体质点的概念001

1.1.2 流体连续介质模型002

1.2 流体的力学特性002

1.2.1 流动性003

1.2.2 可压缩性003

1.2.3 黏滞性004

1.2.4 液体表面张力特性007

1.3 牛顿流体和非牛顿流体011

1.3.1 牛顿流体与非牛顿流体011

1.3.2 非牛顿流体及其黏度特性011

习题012

2 流体流动的基本概念016

2.1 流场及流动分类016

2.1.1 流场的概念016

2.1.2 流动分类017

2.2 描述流体运动的两种方法018

2.2.1 拉格朗日法018

2.2.2 欧拉法018

2.2.3 两种方法的关系019

2.2.4 质点导数019

2.3 迹线和流线022

2.3.1 迹线及迹线方程022

2.3.2 流线及流线方程022

2.3.3 流管与管流连续性方程024

2.4 流体的运动与变形025

2.4.1 微元流体线的变形速率025

2.4.2 微元流体团的变形速率026

2.5 流体的流动与阻力029

2.5.1 流体流动的推动力029

2.5.2 层流与湍流029

2.5.3 固壁边界的影响及三种典型流动031

2.5.4 流动阻力与阻力系数033

习题035

3 流体静力学038

3.1 作用在流体上的力038

3.1.1 质量力038

3.1.2 表面力——应力与压力039

3.1.3 静止流场中的表面力040

3.1.4 压力的表示方法及单位040

3.2 流体静力学基本方程041

3.2.1 流体静力平衡方程041

3.2.2 静止流场的压力微分方程041

3.3 重力场液体静力学问题043

3.3.1 重力场中静止液体的压力分布043

3.3.2 U形管测压原理044

3.3.3 静止液体中固体壁面的受力045

3.3.4 静止液体中物体的浮力与浮力矩051

3.4 非惯性坐标系液体静力学052

3.4.1 重力场非惯性坐标系液体静力学方程052

3.4.2 直线匀加速系统中液体的压力分布053

3.4.3 匀速旋转容器中液体的压力分布054

3.4.4 高速回转圆筒内液体的压力分布057

习题058

4 流体流动的守恒原理063

4.1 概述063

4.1.1 系统与控制体063

4.1.2 守恒定律与输运公式064

4.2 质量守恒方程065

4.2.1 控制面上的质量流量065

4.2.2 控制体质量守恒方程066

4.2.3 多组分系统的质量守恒方程069

4.3 动量守恒方程070

4.3.1 控制体动量守恒积分方程070

4.3.2 以平均速度表示的动量方程071

4.4 动量矩守恒方程074

4.4.1 控制体动量矩守恒积分方程074

4.4.2 稳态平面系统的动量矩方程074

4.5 能量守恒方程077

4.5.1 运动流体的能量078

4.5.2 控制体能量守恒积分方程080

4.5.3 过程设备流动系统的能量方程081

4.5.4 机械能守恒方程——伯努利方程085

4.6 守恒方程综合应用分析089

4.6.1 小孔流动问题089

4.6.2 虹吸管流动及离心泵汽蚀问题091

4.6.3 驻点压力与皮托管测速093

4.6.4 管道局部阻力问题095

习题098

5 不可压缩流体的一维层流流动109

5.1 流动微分方程的建立及定解条件109

5.1.1 建立流动微分方程的基本步骤109

5.1.2 流动微分方程的定解条件110

5.2 不可压缩一维稳态层流及其特点111

5.2.1 不可压缩一维稳态层流111

5.2.2 质量与动量守恒的特点111

5.2.3 微元体表面力的特点112

5.3 狭缝流动分析112

5.3.1 平壁层流的微分方程113

5.3.2 狭缝流动问题分析114

5.4 管内流动分析118

5.4.1 管状层流的微分方程118

5.4.2 圆管及圆形套管内的层流流动120

5.5 降膜流动分析123

5.5.1 倾斜平壁上充分发展的降膜流动123

5.5.2 竖直圆管外壁的降膜流动125

5.5.3 变厚度降膜流动问题分析126

习题128

6 流体流动微分方程133

6.1 连续性方程134

6.1.1 直角坐标系中的连续性方程134

6.1.2 柱坐标和球坐标系中的连续性方程135

6.2 应力形式的运动方程135

6.2.1 作用于微元体上的力136

6.2.2 动量流量及动量变化率137

6.2.3 以应力表示的运动方程138

6.3 牛顿流体的本构方程139

6.3.1 基本假设139

6.3.2 牛顿流体本构方程139

6.3.3 本构方程的讨论 139

6.4 流体运动微分方程——N-S方程141

6.4.1 直角坐标系中的N-S方程141

6.4.2 柱坐标和球坐标系中的N-S方程142

6.5 N-S方程应用概述及举例144

6.5.1 N-S方程应用概述144

6.5.2 N-S方程应用举例145

习题151

7 不可压缩理想流体的平面流动156

7.1 流体平面运动的速度分解156

7.2 有旋流动与无旋流动157

7.2.1 速度环量与线流量157

7.2.2 有旋流动及其运动学特性158

7.2.3 无旋流动（势流）及其运动学特性160

7.3 不可压缩平面流动的流函数162

7.3.1 流函数的定义及全微分方程162

7.3.2 流函数的性质——流线及流线间的流量162

7.4 不可压缩平面势流及基本方程164

7.4.1 柯西-黎曼方程及流网164

7.4.2 拉普拉斯方程及叠加原理165

7.4.3 定常不可压缩势流的伯努利方程166

7.5 不可压缩平面势流典型问题分析166

7.5.1 平行直线等速流动167

7.5.2 点源与点汇流动167

7.5.3 点涡流动168

7.5.4 角形区域内的流动169

7.5.5 几种典型的复合流动170

7.5.6 理想流体绕固定圆柱体的流动173

7.5.7 理想流体绕转动圆柱体的流动175

思考题177

习题178

8 流动相似与模型实验181

8.1 流动相似及相似准则 181

8.1.1 几何相似181

8.1.2 运动相似及时间准则182

8.1.3 动力相似及动力相似准则182

8.1.4 典型相似数及其意义183

8.1.5 相似数在模型实验中的应用185

8.2 相似准则的分析方法188

8.2.1 微分方程法188

8.2.2 因次分析法190

8.2.3 用因次分析指导模型实验的意义192

8.3 模型实验设计及应用举例193

8.3.1 模型实验设计的基本要点193

8.3.2 模型实验设计应用举例194

8.3.3 实验数据的整理及应用说明201

思考题201

习题202

9 管内不可压缩流体的湍流流动206

9.1 圆管流动概述 206

9.1.1 层流与湍流——雷诺实验206

9.1.2 圆管进口区的流动207

9.1.3 圆管充分发展区的流动 208

9.2 湍流的基本特性及雷诺方程209

9.2.1 湍流的基本特性209

9.2.2 雷诺方程210

9.2.3 湍流理论简介211

9.3 湍流的半经验理论212

9.3.1 普朗特混合长度理论212

9.3.2 通用速度分布——壁面律213

9.4 圆管充分发展区的湍流速度分布215

9.4.1 光滑管内的湍流速度分布215

9.4.2 粗糙管内的湍流速度分布216

9.5 圆管的阻力损失与阻力系数217

9.5.1 阻力损失与阻力系数定义217

9.5.2 光滑圆管的摩擦阻力系数217

9.5.3 粗糙圆管的摩擦阻力系数218

9.5.4 局部阻力系数221

9.6 非圆形管及弯曲管内的流动224

9.6.1 非圆形管内的流动与阻力损失224

9.6.2 弯曲管道内的流动及阻力损失 225

9.7 管流问题的基本类型与解析要领227

思考题229

习题229

10 边界层及绕流流动234

10.1 边界层的基本概念234

10.1.1 边界层及边界层理论234

10.1.2 边界层的厚度与流态235

10.1.3 平壁绕流的摩擦阻力与阻力系数236

10.2 平壁边界层流动237

10.2.1 普朗特边界层方程237

10.2.2 平壁层流边界层的布拉修斯解238

10.2.3 冯·卡门边界层动量积分方程241

10.2.4 平壁层流边界层的近似解242

10.2.5 平壁湍流边界层的近似解244

10.2.6 平壁湍流边界层的速度分布246

10.3 边界层分离及绕流总阻力247

10.3.1 边界层分离现象247

10.3.2 弯曲壁面的绕流总阻力248

10.4 绕圆柱体的流动分析250

10.4.1 绕圆柱体的流动250

10.4.2 圆柱绕流总阻力251

10.5 绕球体的流动分析252

10.5.1 绕球体的流动252

10.5.2 球体绕流总阻力253

10.5.3 球形颗粒的沉降速度254

思考题255

习题256

11 可压缩流动基础与管内流动259

11.1 可压缩流动的基本假设与方程259

11.1.1 基本假设与热力学过程259

11.1.2 热力学基本方程260

11.1.3 质量守恒及能量守恒方程260

11.2 声波传播速度及马赫数261

11.2.1 小扰动压力波（声波）的传播速度261

11.2.2 声速与马赫数263

11.3 滞止状态及滞止参数264

11.3.1 滞止状态264

11.3.2 滞止焓与滞止温度264

11.3.3 滞止压力与滞止密度265

11.4 激波的形成及正激波参数计算265

11.4.1 激波的形成及基本行为265

11.4.2 正激波前后参数的变化266

11.5 变截面管内可压缩流体的等熵流动268

11.5.1 速度与管道截面变化的关系268

11.5.2 临界状态及临界参数270

11.5.3 拉伐尔喷管271

11.5.4 渐缩管内的等熵流动275

11.5.5 喷管及扩压管设计要点276

11.6 等截面管道内可压缩流体的摩擦流动277

11.6.1 有摩擦的绝热流动277

11.6.2 有摩擦的等温流动282

11.7 可压缩流体的速度与流量测试284

11.7.1 亚声速气流中的皮托管284

11.7.2 超声速气流中的皮托管285

11.7.3 可压缩流动流量测量285

思考题286

习题286

12 过程设备内流体的停留时间分布292

12.1 停留时间的基本概念与关系292

12.1.1 停留时间与返混292

12.1.2 流体停留时间与进口时间的关系293

12.2 停留时间分布的相关函数294

12.2.1 停留时间分布函数F(t)与密度函数E(t)294

12.2.2 特定输入/输出时间的流体量计算295

12.2.3 内部年龄密度函数I(t)297

12.2.4 无因次时间与无因次函数 297

12.3 停留时间分布的测试及其数字特征298

12.3.1 脉冲响应法298

12.3.2 阶跃响应法 299

12.3.3 停留时间分布的数字特征 299

12.4 几种典型的停留时间分布模型300

12.4.1 平推流模型300

12.4.2 全混流模型301

12.4.3 多釜串联模型302

12.4.4 轴向扩散流模型303

12.5 停留时间分布曲线的应用305

12.5.1 根据E(t)曲线定性推断流动情况305

12.5.2 确定流动模式及其模型参数305

12.5.3 确定设备结构对流动模式的影响307

习题307

附录313

附录A 矢量与场论的基本定义和公式313

附录B 常见物理量的量纲、单位换算及常见特征数316

附录C 常见流体的物性参数318

参考文献321