工程流體力學

《工程流體力學》按照教育部“卓越工程師教育培養計劃”的要求編寫，深入淺出地介紹流體力學在各領域中的應用，力求反映“高等教育面向21世紀教學改革計劃”的成果，與國際發展趨勢一致，突出重點、強化基礎、聯繫實際、學以致用。《工程流體力學》共分9章，包括流體物性及量綱、流體靜力學、流體運動學、流體動力學基本方程式、流體渦旋運動理論基礎、勢流理論基礎、黏性流體動力學、液體噴射和霧化的理論基礎、一維可壓縮流動。每章末附有例題、討論題及習題，同時給出參考答案。 ^[3] 

第1章 流體物性及量綱 1

1.1 流體的連續介質假設 1

1.2 流體的可壓縮性和熱膨脹性 3

1.3 流體黏性 5

1.4 液體的汽化和氣化 8

1.5 液體的表面張力 10

例題 14

討論題 17

習題 17

第2章 流體靜力學 19

2.1 帕斯卡定律 19

2.2 重力場中靜水壓力基本方程式 20

2.3 流體壓力的測量和計算 23

2.3.1 氣壓計 23

2.3.2 測壓管 24

2.3.3 U形測壓管 24

2.4 作用於平壁面上靜水壓力的合力 25

2.5 作用於曲壁面上靜水壓力的合力 28

2.6 浮力和浮體穩定性 29

例題 31

討論題 36

習題 37

第3章 流體運動學 40

3.1 描述流體運動的拉格朗日方法和歐拉方法 40

3.1.1 拉格朗日方法 40

3.1.2 歐拉方法 41

3.2 流體微團運動分析 43

3.2.1 流體微團的位移運動 43

3.2.2 流體微團旋轉運動及旋轉角速度 43

3.2.3 流體微團剪切角形變運動：剪切角形變率和流體黏性應力本構方程 45

3.2.4 流體微團運動膨脹率、流體線段伸縮形變運動 48

3.3 流體運動分類 49

3.3.1 不可壓縮流體運動和可壓縮流體運動 49

3.3.2 定常流動和非定常流動 49

3.3.3 三維空間流動、二維平面流動和一維管流或均流 50

3.3.4 實際流體的黏性流動和無黏性理想流體的流動 51

3.4 流體運動質量守恆的連續性方程 51

3.5 流體運動學邊界條件 53

例題 54

討論題 63

習題 65

第4章 流體動力學基本方程式 68

4.1 積分形式流體動量方程 68

4.1.1 直角座標系形式流體動量方程 70

4.1.2 定常不可壓縮流體動量方程 70

4.1.3 一維定常流動的流體動量方程 70

4.2 積分形式流體動量矩方程 71

4.3 微分形式流體動量方程 72

4.3.1 黏性係數μ為常數的流體 74

4.3.2 不可壓縮和黏性係數為常數的流體 74

4.3.3 無黏性流體 75

4.3.4 靜止流體平衡的微分方程 75

4.3.5 柱座標中流體運動微分方程 76

4.3.6 相對動座標系的流體運動微分方程 77

4.4 伯努利方程 78

4.4.1 伯努利方程的幾何意義 79

4.4.2 伯努利方程的物理意義 80

4.4.3 準一維定常流伯努利方程 80

4.4.4 忽略重力作用的伯努利方程 81

4.5 伯努利方程的應用 82

4.5.1 小孔出流 82

4.5.2 畢託管（測速管） 83

4.5.3 文丘裏流量計 84

4.5.4 虹吸坐便器 85

4.6 無量綱流體動力學基本方程、相似準則和量綱分析法 86

4.6.1 管流阻力水頭損失計算的達西-韋斯巴哈公式 90

4.6.2 物體在流體中運動阻力計算的通用公式的推導 91

例題 92

討論題 109

習題 112

第5章 流體渦旋運動理論基礎 118

5.1 渦特性和渦流 118

5.2 斯托克斯定理 120

5.3 湯姆孫定理 122

5.3.1 理想流體中機翼升力產生 123

5.3.2 盆池渦現象解釋 123

5.3.3 非正壓流體產生的環流 124

5.4 亥姆霍茲渦定理 125

5.4.1 亥姆霍茲第一渦定理的證明 125

5.4.2 亥姆霍茲第二渦定理的證明 126

5.4.3 亥姆霍茲第三渦定理的證明 126

5.5 蘭金渦 127

5.6 畢奧-薩伐爾定律 129

5.6.1 無窮長直線渦（或渦束）的誘導速度 129

5.6.2 半無窮長直線渦（或渦束）的誘導速度 130

5.6.3 對有限長度直線渦截段的誘導速度 131

5.6.4 渦環的自誘導速度和相互作用 131

例題 132

討論題 137

習題 138

第6章 勢流理論基礎 141

6.1 速度勢 141

6.2 二維不可壓縮流動的流函數 144

6.3 二維平面勢流基本解 145

6.3.1 均流 145

6.3.2 線源和線匯 146

6.3.3 偶極子 147

6.3.4 環流或線渦（點渦） 148

6.4 均流繞圓柱體以流動 達朗貝爾佯謬 149

6.5 均流繞旋轉圓柱體流動勢流解 馬格努斯效應 152

6.6 機翼升力：庫塔-茹科夫斯基定理 154

例題 157

討論題 162

習題 163

第7章 黏性流體動力學 165

7.1 層流和湍流 165

7.1.1 雷諾實驗 165

7.1.2 湍流主要特徵 166

7.1.3 邊界層中的層流和湍流 168

7.2 層流流動理論解 170

7.2.1 等直徑圓管中定常層流 170

7.2.2 庫埃特流 172

7.3 圓管內湍流場的時均速度分佈 173

7.3.1 內層區 174

7.3.2 外層區 175

7.3.3 重疊區的對數律 175

7.3.4 壁面粗糙度效應 176

7.4 管流水頭損失 177

7.4.1 沿程水頭損失 177

7.4.2 局部水頭損失 179

7.5 管道水力計算概述 182

7.5.1 管路總水頭損失和耗能功率 182

7.5.2 管路直徑的選擇及水錘現象 183

7.5.3 通過管路的流量 185

7.6 管流減阻的湍流減阻效應 185

7.7 邊界層理論 186

7.7.1 邊界層方程 186

7.7.2 邊界層動量積分方程 188

7.7.3 邊界層排擠厚度 191

7.8 邊界層分離 192

7.8.1 邊界層分離概念 192

7.8.2 圓柱體繞流和馮?卡門渦街 194

7.8.3 球的空氣動力學 196

7.8.4 機翼在大攻角時的失速 198

7.9 物體在流體中運動的阻力 199

7.9.1 流體摩擦阻力 200

7.9.2 潛沒物體和鈍體的阻力 200

7.10 Gray悖論：物體在流體中的減阻 202

7.10.1 流線體減阻 202

7.10.2 柔順物面減阻 203

7.10.3 物面分泌滑液或塗料減阻 203

7.10.4 物面微槽減阻 203

7.10.5 微氣泡和氣膜減阻 204

7.11 湍流理論概述 206

7.11.1 湍流特徵 206

7.11.2 雷諾平均N-S方程求解法 207

7.11.3 柯爾莫哥洛夫湍流理論和湍流尺度 209

7.11.4 求解湍流問題的直接數值模擬方法 213

例題 214

討論題 232

習題 232

第8章 液體噴射和霧化的理論基礎 240

8.1 液體噴射和霧化引論 240

8.1.1 噴射圖形或類型 240

8.1.2 噴射流量 241

8.1.3 噴射衝擊力 241

8.1.4 噴射角和噴射覆蓋範圍 241

8.1.5 噴射流中液滴大小 242

8.2 霧化形成過程及其機理概述 245

8.2.1 滴落狀態 246

8.2.2 瑞利狀態 246

8.2.3 第一風誘導狀態 246

8.2.4 第二風誘導狀態 246

8.2.5 霧化狀態 247

8.3 開爾文-亥姆霍茲不穩定性 248

8.4 瑞利-泰勒不穩定性 251

8.5 測定噴霧滴徑分佈的經驗方法 257

8.5.1 羅辛-拉姆勒分佈方程 258

8.5.2 撥山-柵澤分佈方程 259

8.6 利用*大熵原理預測噴射流中滴徑大小分佈和速度分佈 262

8.6.1 *大熵原理簡述 262

8.6.2 利用*大熵原理預測液體噴射流中滴徑大小分佈和速度分佈的概率 264

8.7 兩種不同流體交界面上表面張力的幾個公式 268

8.7.1 楊-拉普拉斯公式 268

8.7.2 兩種不同流體交界面上沿切割線的表面張力的線積分轉化為面積分後的一個公式 269

8.7.3 曲率的散度公式 270

8.8 兩種不同流體交界面上流體邊界條件 270

8.8.1 兩種不同流體交界面上流體運動學邊界條件 270

8.8.2 兩種不同流體交界面上法向和切向的流體應力邊界條件 271

例題 272

討論題 275

習題 276

第9章 一維可壓縮流動 278

9.1 氣體流動熱力學基本知識 278

9.1.1 氣體狀態方程 278

9.1.2 完全氣體 279

9.1.3 熱力學第一定律 279

9.1.4 熱力學第二定律：熵方程 281

9.2 聲速 馬赫數 282

9.3 一維氣流基本方程 284

9.3.1 連續性方程 284

9.3.2 動量方程 285

9.3.3 能量方程 285

9.3.4 等熵方程 285

9.4 一維定常等熵流動 286

9.5 正激波理論 290

9.5.1 激波的概念 290

9.5.2 正激波理論 291

9.6 縮放管中氣體流動 295

9.7 範諾流 296

9.7.1 範諾流的概念 296

9.7.2 範諾關係式 297

9.7.3 摩擦（黏性）堵塞效應 300

9.8 瑞利流 301

9.8.1 瑞利流的概念 301

9.8.2 瑞利關係式 303

9.8.3 熱的堵塞效應 304

9.9 一維非定常流等截面管道中壓力波和特徵線求解方法 304

9.9.1 特徵線概念 305

9.9.2 特徵線關係式 306

9.9.3 波的反射 307

9.9.4 特徵線方法 309

9.10 斯特林發動機引射器設計 310

例題 314

討論題 330

習題 330

參考文獻 333

附錄1 單位和量綱 334

附錄2 常用矢量運算公式及標記法 336

附錄3 標準大氣壓力下水的物理性質表 339

附錄4 龍捲風分級（F0～F6） 340

附錄5 一維定常等熵流動氣動函數表（γ=1.4） 341

附錄6 正激波氣動函數表（γ=1.4） 346

附錄7 範諾流動函數表（γ=1.4） 349

附錄8 瑞利流動函數表（γ=1.4） 354 ^[3]