工程流體力學

本書是根據高等院校土建類的鐵道、道路、橋樑、隧道與地下工程、市政工程、工業與民用建築、給水排水等專業的“工程流體力學”課程教學基本要求而編寫的。全書共分十章，系統地闡述了流體靜力學和流體動力學的理論基礎，流動阻力及能量損失，孔口、管嘴出流和有壓管路，明渠均勻流和明渠非均勻流，堰流及閘孔出流，滲流，流體力學中非線性方程的求根問題等內容，在總體編排上充分考慮知識的系統性以及新技術的應用。每章正文前有導讀，正文中包括大量的例題，每章後還附有針對性較強的思考題及習題。

本書內容精煉、體系完整、實用性強、力求創新，除了作為高等院校土建類各專業的教材外，也可以作為全國註冊土木工程師考試的參考書，同時可供有關專業的工程技術人員參考。

目 錄

章 緒論.... 1

節 概述... 2

一、流體力學的任務及研究對象... 2

二、流體力學的發展歷史... 2

三、本課程的基本要求... 3

第二節 流體的連續介質模型... 4

第三節 流體的主要物理性質... 4

一、慣性... 4

二、黏滯性和理想流體模型... 5

三、壓縮性和膨脹性... 7

四、表面張力及表面張力係數... 10

五、汽化壓強... 10

第四節 作用在流體上的力... 11

一、表面力... 11

二、質量力... 11

小結... 12

思考題... 12

計算題... 12

第二章 流體靜力學.... 15

節 流體靜壓強及其特性... 16

一、流體靜壓強的定義... 16

二、流體靜壓強的特性... 16

第二節 重力作用下流體靜壓強的

分佈規律... 19

一、液體靜力學的基本方程... 19

二、等壓面... 20

三、氣體壓強計算... 20

四、壓強、相對壓強、真空值... 21

五、液體靜壓強分佈圖... 22

六、測壓管高度、測壓管水頭、

真空度... 23

第三節 測量壓強的儀器... 24

一、測壓管... 24

二、水銀測壓計... 24

三、水銀壓差計... 25

四、真空測壓計... 25

第四節 作用在平面上的靜水總壓力... 28

一、圖解法... 28

二、解析法... 30

第五節 作用在曲面上的靜水總壓力... 34

一、靜水總壓力的水平分力... 34

二、靜水總壓力的垂直分力... 35

三、靜水總壓力的合力... 36

小結... 38

思考題... 38

計算題... 40

第三章 流體動力學理論基礎.... 45

節 描述流體運動的兩種方法... 46

一、拉格朗日法... 46

二、歐拉法... 47

第二節 歐拉法的幾個基本概念... 48

一、恆定流與非恆定流... 48

二、跡線與流線... 48

三、流管、元流、總流、過流斷面、

流量和斷面平均流速... 50

四、均勻流與非均勻流... 52

五、一元流、二元流、三元流... 54

第三節 恆定一元流的連續性方程... 55

第四節 理想流體及實際流體恆定元流的

能量方程... 56

一、理想流體恆定元流的能量方程... 57

二、理想流體元流能量方程的

物理意義與幾何意義... 58

三、實際流體恆定元流的能量方程... 60

第五節 實際流體恆定總流的能量方程... 61

一、實際流體恆定總流能量方程的

推導... 61

二、總流能量方程各項的物理

意義和幾何意義... 62

三、應用能量方程的條件及

注意事項... 63

第六節 總水頭線和測壓管水頭線的

繪製... 69

一、總水頭線和測壓管水頭線的

繪製原則... 69

二、水力坡度... 70

第七節 恆定氣流能量方程... 71

第八節 恆定總流的動量方程... 73

一、動量方程的推導... 74

二、應用動量方程應注意的問題... 76

小結... 80

思考題... 80

計算題... 82

第四章 流動阻力及能量損失.... 87

節 能量損失的物理概念及其分類... 88

第二節 流體運動的兩種形態... 90

一、雷諾實驗... 90

二、層流、紊流的判別標準——

臨界雷諾數... 92

三、雷諾數的物理意義... 93

第三節 均勻流沿程損失與切應力的

關係... 94

第四節 圓管中的紊流... 98

一、紊流的基本概念... 98

二、圓管紊流流核與黏性底層... 100

三、沿程損失... 102

第五節 圓管中沿程阻力系數的變化

規律及影響因素... 102

一、尼古拉茲實驗曲線... 102

二、沿程阻力系數的

各種計算方法... 104

第六節 非圓管的沿程損失... 107

一、非圓管有壓流... 107

二、明渠流... 107

第七節 局部損失... 109

一、局部損失發生的原因... 109

二、局部損失的計算公式... 110

三、圓管突然擴大的局部損失及

其係數... 111

四、各種管路配件及明渠的

局部阻力系數... 113

小結... 117

思考題... 118

計算題... 119

第五章 孔口、管嘴出流和有壓管路.... 123

節 薄壁小孔口的恆定出流... 124

一、孔口出流的分類和特點... 124

二、薄壁小孔口的自由出流... 124

三、薄壁小孔口的淹沒出流... 125

四、小孔口的收縮係數及

流量係數... 126

第二節 管嘴的恆定出流... 127

一、圓柱形外管嘴的恆定出流... 127

二、圓柱形外管嘴的真空... 128

第三節 短管計算... 129

一、自由出流... 130

二、淹沒出流... 132

三、水頭線的繪製... 133

四、短管的計算問題... 134

五、氣體管路... 139

第四節 長管計算... 140

一、簡單管路... 140

二、串聯管路... 144

三、並聯管路... 145

四、分叉管路... 146

第五節 管網水力計算基礎... 148

一、枝狀管網的水力計算... 149

二、環狀管網的水力計算... 150

小結... 151

思考題... 151

計算題... 153

第六章 明渠均勻流.... 157

節 概述... 158

一、明渠的分類... 158

二、明渠均勻流的特徵及

產生條件... 159

第二節 明渠均勻流的計算公式... 160

第三節 明渠水力斷面和

允許流速... 161

一、水力斷面... 161

二、渠道的允許流速... 163

第四節 明渠均勻流水力計算的

基本問題... 164

第五節 無壓圓管均勻流的水力計算... 170

一、無壓圓管的水流特徵... 170

二、無壓管道的計算問題... 172

第六節 複式斷面渠道的水力計算... 174

小結... 176

思考題... 176

計算題... 177

第七章 明渠非均勻流.... 179

節 概述... 180

一、明渠非均勻流的產生原因... 180

二、明渠非均勻流的特徵... 180

三、主要研究的問題... 181

第二節 斷面單位能量和臨界水深... 181

一、斷面單位能量... 181

二、臨界水深... 183

三、臨界坡度... 185

第三節 緩流、急流、臨界流及其

判別準則... 185

一、臨界水深判別法... 185

二、弗汝德數判別法... 186

第四節 水躍... 188

一、水躍的基本方程... 188

二、水躍函數的圖形... 190

三、共軛水深的計算... 190

四、水躍的能量損失與長度... 192

第五節 明渠恆定非均勻漸變流的

基本微分方程... 195

第六節 稜柱形渠道恆定非均勻漸變

流水面曲線的分析... 196

一、水面曲線的類型... 197

二、水面曲線形狀的定性分析... 198

三、水面曲線分析舉例... 202

第七節 明渠水面曲線的計算... 205

一、計算公式... 206

二、分段求和法的計算步驟... 206

第八節 河道水面曲線的計算... 213

一、微分方程... 214

二、試算法... 215

三、圖解法... 215

小 結... 219

思考題... 219

計算題... 221

第八章 堰流及閘孔出流.... 225

節 堰流的特點及其分類... 226

第二節 堰流的基本公式... 227

第三節 薄壁堰... 229

一、矩形堰... 229

二、三角形薄壁堰... 230

三、梯形堰... 231

第四節 實用堰... 231

第五節 寬頂堰... 232

一、流量係數... 233

二、側收縮係數... 234

三、寬頂堰的淹沒條件及

淹沒係數... 235

第六節 小橋孔徑的水力計算... 237

一、小橋孔徑的水力計算公式... 237

二、小橋孔徑水力計算原則和

步驟... 238

第七節 閘孔出流... 241

一、閘孔出流的水力特徵... 241

二、閘孔出流的基本計算公式... 242

三、閘孔出流流量係數m的

計算公式... 243

四、含有淹沒係數的流量係數m_s的

計算公式... 243

小結... 244

思考題... 244

計算題... 244

第九章 滲流.... 247

節 概述... 248

一、滲流理論的實用意義... 248

二、地下水的狀態... 248

三、滲透性質與岩土分類... 248

第二節 滲流基本定律... 249

一、滲流模型... 249

二、達西滲流定律... 250

第三節 地下水的均勻流和非均勻流... 252

一、恆定均勻流和非均勻漸變流的

斷面流速分佈... 252

二、漸變滲流的基本微分方程和

浸潤曲線... 253

第四節 井和集水廊道... 257

一、潛水井(無壓井) 258

二、承壓井... 260

三、井羣... 261

小結... 262

思考題... 263

計算題... 263

第十章 流體力學中非線性方程的

求根問題.... 265

節 非線性方程數值計算方法... 266

一、二分法... 266

二、牛頓法... 268

三、fzero函數... 269

四、三種算法的特性... 270

第二節 流體力學中的高次方程求解... 271

一、梯形明渠求正常水深h₀ 271

二、梯形明渠求臨界水深... 272

三、稜柱體水平明渠共軛水深

計算... 275

四、寬頂堰水力計算... 276

五、柯列布魯克公式計算... 278

六、有壓管道管徑計算... 279

第三節 fzero函數求解廣義非線性

方程的根... 280

一、水面線計算函數... 281

二、fzero函數求解水面線實例... 282

小結... 287

附錄A 各種不同粗糙面的粗糙係數n. 289

附錄B 謝才係數C的數值... 290

部分計算題答案.... 294

參考文獻.... 298