工程流體力學（第三版）

1章 緒論…………………………………………………………………………………… １
１．１ 流體力學的范疇及其發(fā)展簡史 ……………………………………………………… １
１．１．１ 流體力學的范疇 ……………………………………………………………… １
１．１．２ 流體力學的發(fā)展簡史 ………………………………………………………… ２
１．２ 作用在流體上的力 …………………………………………………………………… ４
１．２．１ 質量力 ………………………………………………………………………… ４
１．２．２ 表面力 ………………………………………………………………………… ５
１．３ 流體的物理屬性和力學特性 ………………………………………………………… ５
１．３．１ 易變形性 ……………………………………………………………………… ５
１．３．２ 密度和可壓縮性 ……………………………………………………………… ６
１．３．３ 黏性 …………………………………………………………………………… ６
１．３．４ 非牛頓流體 …………………………………………………………………… ９
１．３．５ 表面張力 …………………………………………………………………… １１
１．４ 流體力學模型 ……………………………………………………………………… １５
１．４．１ 連續(xù)介質模型 ……………………………………………………………… １５
１．４．２ 理想流體模型 ……………………………………………………………… １６
１．４．３ 不可壓縮流體模型 ………………………………………………………… １６
１．５ 研究流體運動的基本方法 ………………………………………………………… １７
１．５．１ 理論分析法 ………………………………………………………………… １７
１．５．２ 實驗研究法 ………………………………………………………………… １７
１．５．３ 數(shù)值計算法 ………………………………………………………………… １８
１．６ 流體力學的新興領域 ……………………………………………………………… １８
１．６．１ 超臨界流體 ………………………………………………………………… １８
１．６．２ 超流體 ……………………………………………………………………… １９
１．６．３ 磁流體 ……………………………………………………………………… １９
習題………………………………………………………………………………………… ２０
第二章 流體靜力學 ………………………………………………………………………… ２１
２．１ 壓強及其性質 ……………………………………………………………………… ２１
２．２ 壓強的單位和計算 ………………………………………………………………… ２２
２．２．１ 壓強的計算基準 …………………………………………………………… ２２
２．２．２ 壓強的單位 ………………………………………………………………… ２３
２．２．３ 液體靜壓強的計算 ………………………………………………………… ２３
２．３ 作用于平面和曲面的液體壓力 …………………………………………………… ２５
２．３．１ 作用于平面的液體壓力 …………………………………………………… ２５
１工程流體力學（第三版）
２．３．２ 作用于曲面的液體壓力 …………………………………………………… ２７
２．４ 壓強的測量 ………………………………………………………………………… ３０
２．４．１ 液柱式測壓計 ……………………………………………………………… ３０
２．４．２ 金屬彈簧壓力表 …………………………………………………………… ３２
２．４．３ 壓力傳感器 ………………………………………………………………… ３２
習題………………………………………………………………………………………… ３３
第三章 流體動力學基礎 …………………………………………………………………… ３５
３．１ 流體運動的基本概念 ……………………………………………………………… ３５
３．１．１ 定常流動和非定常流動 …………………………………………………… ３５
３．１．２ 跡線和流線 ………………………………………………………………… ３６
３．１．３ 流管、流束和總流 …………………………………………………………… ３６
３．１．４ 過流斷面及水力半徑 ……………………………………………………… ３７
３．１．５ 過流斷面的壓強分布 ……………………………………………………… ３７
３．２ 質量守恒 …………………………………………………………………………… ３８
３．３ 動量守恒 …………………………………………………………………………… ３９
３．４ 機械能守恒 ………………………………………………………………………… ４０
３．４．１ 理想流體的機械能守恒 …………………………………………………… ４０
３．４．２ 實際流體管流的機械能衡算 ……………………………………………… ４３
習題………………………………………………………………………………………… ４５
第四章 阻力損失及其計算 ………………………………………………………………… ４７
４．１ 沿程阻力損失和局部阻力損失 …………………………………………………… ４７
４．２ 流體流動形態(tài) ……………………………………………………………………… ４８
４．２．１ 層流和湍流 ………………………………………………………………… ４８
４．２．２ 雷諾數(shù) ……………………………………………………………………… ４９
４．２．３ 湍流研究進展簡介 ………………………………………………………… ５０
４．３ 湍流的基本特征 …………………………………………………………………… ５１
４．３．１ 脈動速度和時均速度 ……………………………………………………… ５１
４．３．２ 湍流強度 …………………………………………………………………… ５２
４．３．３ 湍流尺度 …………………………………………………………………… ５２
４．３．４ 湍流黏度 …………………………………………………………………… ５３
４．４ 黏性流體在圓管中的層流運動 …………………………………………………… ５３
４．５ 黏性流體在圓管中的湍流流動 …………………………………………………… ５６
４．５．１ 邊界層和黏性底層 ………………………………………………………… ５６
４．５．２ 圓管湍流的速度分布 ……………………………………………………… ５７
４．６ 沿程摩擦阻力系數(shù)計算 …………………………………………………………… ５８
４．６．１ 沿程摩擦阻力系數(shù)計算公式 ……………………………………………… ５８
４．６．２ 摩擦系數(shù)曲線圖 …………………………………………………………… ５９
４．６．３ 非圓形管的當量直徑 ……………………………………………………… ５９
４．７ 局部阻力損失 ……………………………………………………………………… ６１
４．７．１ 局部阻力損失的計算 ……………………………………………………… ６１
４．７．２ 突然擴大與突然縮小 ……………………………………………………… ６１
４．８ 管路計算 …………………………………………………………………………… ６４
４．８．１ 簡單管路 …………………………………………………………………… ６４
４．８．２ 復雜管路 …………………………………………………………………… ６７
４．８．３ 可壓縮流體的管路計算 …………………………………………………… ７０
習題………………………………………………………………………………………… ７４
第五章 不可壓縮流體流動 ………………………………………………………………… ７７
５．１ 流體微團運動 ……………………………………………………………………… ７７
５．１．１ 描述流體流動的兩種方法 ………………………………………………… ７７
５．１．２ 流體微團運動 ……………………………………………………………… ７８
５．２ 連續(xù)性方程 ………………………………………………………………………… ８２
５．３ 無旋流動 …………………………………………………………………………… ８３
５．４ 有旋流動 …………………………………………………………………………… ８８
５．５ 黏性流體的運動方程 ……………………………………………………………… ８９
５．５．１ Ｎ Ｓ方程的建立 …………………………………………………………… ８９
５．５．２ 歐拉方程 …………………………………………………………………… ９４
５．５．３ 運動方程的定解條件 ……………………………………………………… ９４
５．５．４ Ｎ Ｓ方程的求解 …………………………………………………………… ９５
習題………………………………………………………………………………………… ９９
第六章 典型流體流動……………………………………………………………………… １０１
６．１ 繞流 ………………………………………………………………………………… １０１
６．１．１ 曲面邊界層分離 …………………………………………………………… １０１
６．１．２ 繞流阻力 …………………………………………………………………… １０２
６．１．３ 繞球體的流動 ……………………………………………………………… １０３
６．１．４ 圓柱繞流 …………………………………………………………………… １０６
６．１．５ 理想流體繞圓柱流動 ……………………………………………………… １０７
６．２ 射流 ………………………………………………………………………………… １１０
６．２．１ 自由射流 …………………………………………………………………… １１１
６．２．２ 受限射流 …………………………………………………………………… １１６
６．２．３ 同軸射流 …………………………………………………………………… １１７
６．３ 撞擊流 ……………………………………………………………………………… １１９
６．３．１ 撞擊流基本原理 …………………………………………………………… １１９
６．３．２ 撞擊流的分類 ……………………………………………………………… １２０
６．３．３ 撞擊流的工業(yè)應用 ………………………………………………………… １２３
習題 ……………………………………………………………………………………… １２７
第七章 流體輸送機械……………………………………………………………………… １２８
７．１ 泵與風機的類型 …………………………………………………………………… １２８
７．１．１ 葉片式泵與風機 …………………………………………………………… １２８
７．１．２ 容積式泵與風機 …………………………………………………………… １２９
７．２ 離心泵的主要構件及性能參數(shù) …………………………………………………… １２９
７．２．１ 離心泵的主要構件 ………………………………………………………… １２９
７．２．２ 離心泵的性能參數(shù) ………………………………………………………… １３０
７．３ 泵與風機的理論和實際特性曲線 ………………………………………………… １３１
７．３．１ 泵與風機的理論特性曲線 ………………………………………………… １３１
７．３．２ 泵與風機的損失與效率 …………………………………………………… １３３
７．３．３ 泵與風機的實際特性曲線 ………………………………………………… １３４
７．４ 泵的揚程與安裝高度 ……………………………………………………………… １３５
７．４．１ 泵的揚程計算 ……………………………………………………………… １３５
７．４．２ 離心泵的安裝高度 ………………………………………………………… １３７
７．５ 離心泵的流量調節(jié)和組合操作 …………………………………………………… １４１
７．５．１ 離心泵的管路特性曲線 …………………………………………………… １４１
７．５．２ 離心泵的工作點 …………………………………………………………… １４２
７．５．３ 流量調節(jié) …………………………………………………………………… １４２
７．６ 泵的選擇與安裝 …………………………………………………………………… １４４
７．６．１ 泵的選型原則 ……………………………………………………………… １４４
７．６．２ 泵的選型 …………………………………………………………………… １４５
７．７ 氣體輸送機械 ……………………………………………………………………… １４７
７．７．１ 通風機 ……………………………………………………………………… １４７
７．７．２ 鼓風機 ……………………………………………………………………… １４９
７．７．３ 壓縮機 ……………………………………………………………………… １４９
７．７．４ 真空泵 ……………………………………………………………………… １５２
習題 ……………………………………………………………………………………… １５３
第八章 流體力學實驗研究和測試方法…………………………………………………… １５５
８．１ 流動相似準則及其分析方法 ……………………………………………………… １５５
８．１．１ 流動相似原理 ……………………………………………………………… １５５
８．１．２ 相似準則及其分析方法 …………………………………………………… １５６
８．２ 流動可視化技術 …………………………………………………………………… １５９
８．２．１ 氫氣泡技術 ………………………………………………………………… １５９
８．２．２ 空氣泡技術 ………………………………………………………………… １６０
８．２．３ 煙線技術 …………………………………………………………………… １６１
８．２．４ 高速攝像技術 ……………………………………………………………… １６１
８．３ 流量測量技術 ……………………………………………………………………… １６４
８．３．１ 孔板流量計 ………………………………………………………………… １６４
８．３．２ 文丘里流量計 ……………………………………………………………… １６５
８．３．３ 轉子流量計 ………………………………………………………………… １６６
８．３．４ 渦街流量計 ………………………………………………………………… １６７
８．４ 流速測量技術 ……………………………………………………………………… １６８
８．４．１ 皮托管 ……………………………………………………………………… １６８
８．４．２ 熱線風速儀 ………………………………………………………………… １６９
８．４．３ 激光多普勒測速技術 ……………………………………………………… １７１
４目 錄
８．４．４ 粒子圖像測速技術 ………………………………………………………… １７１
８．４．５ 激光誘導熒光技術 ………………………………………………………… １７３
習題 ……………………………………………………………………………………… １７５
第九章 數(shù)值模擬方法及軟件簡介……………………………………………………… １７６
９．１ 計算流體力學概述 ………………………………………………………………… １７６
９．２ 數(shù)值計算方法 ……………………………………………………………………… １７７
９．３ 湍流數(shù)值模擬 ……………………………………………………………………… １７８
９．３．１ 湍流理論簡介 ……………………………………………………………… １７８
９．３．２ 湍流模式理論 ……………………………………………………………… １７９
９．４ ＣＦＤ的求解過程…………………………………………………………………… １８２
９．５ 常用的ＣＦＤ商業(yè)軟件應用示例 ………………………………………………… １８４
９．５．１ 冷熱水混合案例 …………………………………………………………… １８４
９．５．２ 煤氣化湍流多相反應案例 ………………………………………………… １８７
習題 ……………………………………………………………………………………… １９０
附錄…………………………………………………………………………………………… １９１
Ⅰ 水的物理性質 ………………………………………………………………… １９１
Ⅱ 干空氣的物理性質 …………………………………………………………… １９２
Ⅲ 壓強 單位與工程單位換算關系 ………………………………………… １９３
Ⅳ 工業(yè)管道的當量粗糙度 ……………………………………………………… １９３
Ⅴ 管件和閥件的局部阻力系數(shù) ………………………………………………… １９３
Ⅵ 某些流體在管道中的常用流速范圍 ………………………………………… １９４
Ⅶ ＩＳ型單級單吸離心泵性能表 ………………………………………………… １９４
Ⅷ 飽和水蒸氣（以溫度為準）…………………………………………………… １９８
Ⅸ 飽和水蒸氣（以壓強為準）…………………………………………………… １９９
Ⅹ 犚犲≈１０５時二元物體的總阻力系數(shù) ………………………………………… ２０１
Ⅺ 三維物體的總阻力系數(shù) ……………………………………………………… ２０２
Ⅻ 量綱分析方法 ………………………………………………………………… ２０２
 習題簡要參考答案 …………………………………………………………… ２０４
參考文獻……………………………………………………………………………………… ２０７