《工程流體力學(第二版)》是根據機械、動力類專業40~50學時的工程流體力學課程教學要求組織編寫的。全書除緒論外共分7章:流體的主要物理性質、流體靜力學、流體動力學基礎、流體在圓管中的流動、孔口出流、縫隙流動和可壓縮氣體的一元流動。各章后配有思考與練習題,并附有參考答案,方便學生自測和復習。
《工程流體力學(第二版)》可作為機械類及近機械類各專業本科生及專科生工程流體力學課程教材,也可供相關技術人員參考。
本書是根據機械、動力類各專業工程流體力學課程的教學要求,參考教育部流體力學課程教學指導小組制定的《工程流體力學課程教學基本要求》,及2006年四川流體力學會議上的《流體力學水力學資源庫框架》編寫而成的。全書除緒論外共分7章。從緒論到第3章為流體力學的基礎理論,第4~7章為流體力學在各方面的應用。各章之間具有相對的獨立性,學校可根據各自的教學要求組合成不同形式的教學模塊。
科學技術的不斷發展,對工程流體力學的教學內容和教學方法提出了更高的要求。本著以培養面向21世紀創新人才為宗旨,以“基于研究的教學”和“大學生自主學習”的理念為導向,要求構建以培養學生創新能力為核心的新課程體系。在編寫教材時,我們力求加強基礎、強調應用,在介紹基礎理論的同時,大量介紹工程應用問題。
本書以吉林大學機械學院流體力學教研室的教師為主要編寫隊伍,河北科技大學任歐旭老師也參與了部分章節的編寫。全書根據編者多年的教學經驗和教學實踐編寫而成,經多次討論和修改,最終成稿。參加本書編寫的有:吉林大學趙曉影(緒論、第1章)、王輝(第3章)、于萍(第4章6~7節)、沙永柏(第5章)、張萃(第6章)、朱黎輝(第7章),河北科技大學任歐旭(第2章、第4章1~5節)。本書由于萍擔任主編,并完成全書的修改和統稿工作。
本次再版對全書重新作了修訂,對已發現的問題及疏漏均加以改正,但由于作者水平有限,仍有可能存在差錯,懇請讀者批評、指正。
編者
2014年11月
前言
緒論
第1章流體的主要物理性質
1.1連續介質概論
1.2流體的密度和相對密度
1.3流體的黏性
1.3.1黏性產生的原因
1.3.2牛頓內摩擦定律
1.3.3流體的黏度
1.3.4理想流體
1.4流體的膨脹性和壓縮性
1.4.1體脹系數
1.4.2壓縮系數和體積彈性系數
1.4.3不可壓縮流體的概念
本章小結
思考與練習
第2章流體靜力學
2.1作用在流體上的力
2.1.1質量力
2.1.2表面力
2.1.3流體靜壓強
2.2流體平衡微分方程
2.2.1流體平衡微分方程的導出
2.2.2質量力的勢函數
2.2.3等壓面
2.3重力場中的平衡流體
2.3.1不可壓縮流體的靜壓強基本公式
2.3.2可壓縮流體的靜壓強分布公式
2.4靜壓強的計算與測量
2.4.1靜壓強的計算單位
2.4.2靜壓強的計算標準
2.4.3靜壓強的測量
2.5平衡流體對壁面的作用力
2.5.1作用在傾斜平面上的總壓力
2.5.2作用在曲面上的總壓力
2.5.3作用在沉沒物體上的總壓力
2.6流體在非慣性坐標系中的相對平衡
2.6.1等加速水平直線運動容器中液體的相對平衡
2.6.2等角速度旋轉容器中液體的相對平衡
本章小結
思考與練習
第3章流體動力學基礎
3.1研究流體流動的方法
3.1.1拉格朗日法
3.1.2歐拉法
3.2流動的分類
3.2.1定常流動和非定常流動
3.2.2一維流動、二維流動和三維流動
3.2.3均勻流和非均勻流
3.2.4緩變流和急變流
3.3用歐拉法描述流體運動的基本概念
3.3.1流線
3.3.2流管、流柬、有效斷面
3.3.3流量
3.3.4平均流速
3.4系統與控制體
3.5連續方程
3.6實際流體的運動微分方程(納維一斯托克斯方程)
3.7能量方程
3.8伯努利方程及其應用
3.8.1伯努利方程的幾何意義及物理意義
3.8.2伯努利方程在工程實際中的應用
3.9沿流線主法線方向壓強和速度的變化
3.10黏性流體總流的伯努利方程
3.11動量方程與動量矩方程
3.11.1慣性坐標系中的動量方程與動量矩方程
3.11.2定常管流的動量方程
3.11.3動量方程的應用
3.12旋流、勢流及渦
3.12.1流體質點的變形與旋轉運動
3.12.2旋流、勢流及渦的概念
3.13點渦速度場的規律及其應用
3.13.1點渦速度場的概念和模型
3.13.2無旋流動的能量方程
……
第4章流體在圓管中的流動
第5章孔口出流與相似原理
第6章縫隙流動
第7章可壓縮氣體的一元流動
參考文獻
第1章流體的主要物理性質
流體的平衡和運動規律與其自身的物理性質緊密相關,因此有必要對流體的物理性質進行了解,本章將介紹流體的一主要物理性質。
要求學生通過本章的學習了解流體力學的基本概念、流體的主要物理特性。
1.1連續介質概論
流體和固體一樣是由大量分子組成的,并且每個分子都不斷地做隨機熱運動,分子與分子之間存在著分子力的作用。流體包括液體與氣體,由于具體形態的不同,氣體、液體與固體的屬性又有著一定的差別:首先,在相同體積的條件下,固體的分子數目多于液體,而液體又多于氣體;其次,在相同分子距的條件下,固體分子力大于液體,而液體大于氣體;再次,在外界溫度、壓強等條件相同的條件下,固體分子距最小,液體分子距次之,氣體分子距最大。上述特點決定了氣體分子可以在所給的空間內做自由運動,而液體分子只能在小范圍內做不規則熱運動,固體分子卻只能圍繞其自身位置做微小的振動。
上述微觀結構上的差異導致宏觀表象的不同。從受力方面考慮,在緒論中已述及,固體既能承受壓力又能承受拉力和剪切力;而流體主要承受壓力,不能承受拉力,在微小剪切力的作用下就會產生連續的變形。固體受一定大小外力的作用后產生的變形在外力消除后可以自動恢復;而流體流動后,其變形是不能自行消除的。此外,固體有一定的體積和形狀;液體有一定的體積,而無一定的形狀;氣體既無一定的體積,也無一定的形狀。
流體是由無數分子組成的,而分子與分子間有空隙,即從微觀角度看,流體并不是連續分布的物質。由于流體力學的任務是要研究宏觀流體的運動規律,因而它不研究微觀的分子運動。在研究流體的宏觀運動中,引用了流體質點和連續介質兩個理論模型。
所謂流體質點,就是流體中宏觀尺寸非常小而微觀尺寸又足夠大的任意一個物理實體,也稱流體微團。宏觀尺寸非常小是指流體質點所占據的宏觀體積極限為零;微觀尺寸足夠大是指流體質點的微觀體積大于流體分子尺寸的數量級,即流體質點包含著大量的分子。由于包含大量的分子,所以流體質點就具有了統計平均特性,使得各宏觀物理量具有意義。
……