本書詳細闡述了流體動力學的基礎(chǔ)理論及其應用,圍繞實際流動講述流體力學基礎(chǔ)、工程常見問題及處理方法,使讀者掌握解決經(jīng)常遇到的流體力學問題的能力。內(nèi)容主要包括:緒論,流體靜力學,流體運動學基礎(chǔ),流體動力學基礎(chǔ),量綱分析與相似理論,流動阻力與其能量損失,孔口和管嘴出流與有壓管流,明渠流動、堰流,滲流,可壓縮流體在管中的流動。各章均有一定數(shù)量的例題以及結(jié)合教材內(nèi)容的習題,有助于讀者的理解及自主學習。
適讀人群 :土木類專業(yè)以及建筑環(huán)境與能源應用工程、熱能與動力工程、水利水電工程、給排水科學與工程、環(huán)境工程、機械工程、工程力學、水文與水資源工程、給水排水工程、市政工程等多個專業(yè)師生,相關(guān)工程技術(shù)人員
《工程流體力學》內(nèi)容豐富,注重基礎(chǔ),難易適中,是學習工程流體力學課程的實用教材。
流體力學是力學的一個重要分支,是研究流體的力學運動規(guī)律及其應用的學科。它主要研究在各種力的作用下,流體本身的靜止狀態(tài)和運動狀態(tài),以及流體和固體壁面、流體和流體間、流體與其他運動物體之間的相互作用和流動的規(guī)律。隨著生產(chǎn)的需要與科學的發(fā)展,流體力學的研究對象在不斷地更新,研究內(nèi)容在不斷地深化,研究范圍也在不斷地擴大。它的基本任務是建立描述流體運動的基本方程,確定流體經(jīng)各種通道及繞流過各種不同物體時速度、壓強的分布規(guī)律,探索能量轉(zhuǎn)換及各種損失的計算方法,并解決流體與限制其流動的固體壁面之間的相互作用問題。
20世紀50年代以來,流體力學主要圍繞航空、航天、大氣、海洋、航運、水利和各種管路系統(tǒng)等方面,研究流體運動中的動量傳遞。50年代以后,能源、環(huán)境保護、化工、油氣開采、采礦和土木建筑等領(lǐng)域中的流體力學問題逐漸受到重視。近年來,流體的對流傳熱、傳質(zhì)問題研究受到高度重視,并取得了巨大進展。
流體力學按其研究內(nèi)容側(cè)重方面的不同,主要分為經(jīng)典流體力學(包括理論流體力學、實驗流體力學、計算流體力學和應用流體力學等)和工程流體力學。理論流體力學主要研究流體力學中的理論知識,研究流體力學中的力學模型,研究如何用數(shù)學方法求出問題的定量解,對實際存在的流動現(xiàn)象進行系統(tǒng)觀測,以便分析流動規(guī)律,預測流動現(xiàn)象的演變,如氣象、水文、潮汐研究等。實驗流體力學主要是用實驗方法研究自然界或各類工程領(lǐng)域中的流體流動現(xiàn)象和規(guī)律,以及流體與固體之間的相互作用。工程流體力學(應用流體力學)側(cè)重于研究流體力學在生產(chǎn)生活上的實際應用,它不追求數(shù)學上的嚴密性,而是趨向于解決工程中出現(xiàn)的實際問題。
工程流體力學是土建類專業(yè)一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課。該門課程理論性強,相關(guān)理論知識邏輯嚴密,使得學生學習本課程有一定的難度,因而我們在編寫本書的過程中,強調(diào)基礎(chǔ)知識,注意遵循由淺入深、循序漸進的原則,力求結(jié)構(gòu)嚴謹、重點突出、簡明易學。書中編入了一定數(shù)量的例題和習題,供讀者學習選用,以便鞏固對基本內(nèi)容的理解,加強基本方法的訓練。在優(yōu)化教學內(nèi)容的同時,加強對學生能力,如力學和數(shù)學建模能力、數(shù)學模型的分析能力、邏輯思維能力等的培養(yǎng)。在具體寫法方面,力求概念清晰、論證嚴謹、敘述簡要。
本書由河南工業(yè)大學劉起霞、西華大學楊小林主編,具體編寫分工如下:前言、第2章由河南工業(yè)大學劉起霞編寫,第1章和第4章由河南工業(yè)大學陳雁編寫,第3章由河南工業(yè)大學陳淼編寫,第5章由鄭州市軌道交通有限公司呂高樂編寫,第6章由河南工業(yè)大學馮永編寫,第7章由黃河勘測規(guī)劃設計有限公司杜建偉編寫,第8章和第10章由西華大學楊小林編寫,第9章和附錄由河南工業(yè)大學王瑞編寫。全書由劉起霞統(tǒng)稿審閱,由太原理工大學現(xiàn)代科技學院賈月梅教授主審。在本書編寫過程中,得到河南工業(yè)大學土木建筑學院和西華大學能源與環(huán)境學院的大力支持和鼓勵,特別是許多有經(jīng)驗的老教師為本書的編寫提出了許多寶貴意見,在此謹表示衷心感謝。
為了配合本教材使用,我們開設了流體力學網(wǎng)絡輔助教學平臺(網(wǎng)址為http://jpkc.haut.edu.cn/jpkc/Index/Catlog718.aspx),廣大讀者可以通過該平臺瀏覽電子講義和作業(yè)解答,開展網(wǎng)上討論,提交反饋意見。在編寫過程中,參考了一些其他院校編寫的優(yōu)秀教材,在此一并表示感謝。
對于書中可能存在的缺點和不足之處,誠望讀者批評指正。
編者
2015年11月
劉起霞,河南工業(yè)大學土木建筑學院副教授
第1章 緒論(1)
1.1 工程流體力學的研究對象、任務及研究方法(1)
1.2 流體的主要物理性質(zhì)(5)
1.3 作用在流體上的力(17)
1.4 流體的力學模型(20)
思考題(22)
習題(22)
第2章 流體靜力學(27)
2.1 流體靜水壓強及其特性(27)
2.2 流體平衡微分方程(29)
2.3 重力場中流體靜水壓強的分布規(guī)律(32)
2.4 壓強的表示方法和量度單位(38)
2.5 測壓計(41)
2.6 作用于平面壁上的靜水總壓力(49)
2.7 作用于曲面上的靜水總壓力(54)
2.8 流體的相對平衡(61)
思考題(64)
習題(65)
第3章 流體動力學基礎(chǔ)(71)
3.1 描述流體運動的方法(71)
3.2 歐拉法的基本概念(72)
3.3 恒定總流連續(xù)性方程(81)
3.4 元流能量方程(83)
3.5 恒定總流能量方程(90)
3.6 恒定總流能量方程的應用(92)
3.7 恒定氣流伯努利方程(101)
3.8 恒定總流動量方程(106)
思考題(109)
習題(109)
第4章 量綱分析與相似理論(114)
4.1 量綱分析的概念和原理(114)
4.2 量綱分析法(116)
4.3 流動相似原理(120)
4.4 模型實驗設計(126)
思考題(130)
習題(131)
第5章 流動阻力與其能量損失(133)
5.1 流動阻力與能量損失的分類(133)
5.2 層流與紊流、雷諾數(shù)(135)
5.3 均勻流基本方程及沿程水頭損失通用公式(139)
5.4 圓管中的層流流動(142)
5.5 紊流流動(145)
5.6 紊流的沿程損失(153)
5.7 流動的局部水頭損失(164)
5.8 減小阻力的措施(171)
思考題(172)
習題(172)
第6章 孔口、管嘴出流和有壓管流(175)
6.1 孔口及管嘴的恒定出流(175)
6.2 孔口及管嘴的非恒定出流(183)
6.3 短管的水力計算(184)
6.4 長管的水力計算(194)
6.5 管網(wǎng)水力計算基礎(chǔ)(205)
6.6 水擊(210)
6.7 離心泵及其水力計算(215)
思考題(222)
習題(222)
第7章 明渠流(226)
7.1 明渠的分類(226)
7.2 明渠均勻流(228)
7.3 明渠恒定非均勻流的若干基本概念(243)
7.4 水躍和跌水(253)
7.5* 明渠恒定非均勻漸變流的基本微分方程(257)
7.6 明渠恒定非均勻漸變流的水面曲線分析(258)
7.7* 棱柱形渠道中恒定非均勻漸變流水面曲線的計算(265)
思考題(267)
習題(267)
第8章 堰流(269)
8.1 堰流的定義及分類(269)
8.2 堰流基本公式(271)
8.3 薄壁堰(273)
8.4 實用堰(275)
8.5 寬頂堰(281)
8.6* 小橋孔徑水力計算(285)
8.7 消力池水力計算(289)
思考題(297)
習題(297)
第9章 滲流(300)
9.1 滲流基本定律(300)
9.2 地下水的均勻滲流與非均勻滲流(311)
9.3 集水廊道和井(319)
9.4 井群(324)
9.5 流網(wǎng)及其在滲流計算中的應用(325)
思考題(330)
習題(330)
第10章 氣體動力學基礎(chǔ)(333)
10.1 聲速與馬赫數(shù)(333)
10.2 氣體一維恒定流的基本方程(337)
10.3 氣體一維恒定流的參考狀態(tài)(340)
10.4 氣流參數(shù)與通道斷面面積的關(guān)系(342)
10.5 噴管(344)
10.6 擴壓管(349)
10.7 等斷面有摩擦的絕熱管流(350)
思考題(355)
習題(355)
附錄A 矢量及其運算(357)
A.1 矢量概念(357)
A.2 矢量計算(357)
A.3 矢量微分算符及其運算(359)
附錄B 流體力學中常見的物理量(361)
附錄C 流體的黏度(362)
附錄D 誤差函數(shù)(363)
附錄E 氣體動力函數(shù)(365)
附錄F 部分習題參考答案(367)
參考文獻(376)