流体力学基础

第1章 绪论 1

1.1 流体和流体力学 1

1.1.1 流体的概念 1

1.1.2 流体力学的范畴 1

1.2 流体力学与生活、工程的关系 2

1.2.1 生活中的流体力学 2

1.2.2 机械工程科学中的流体力学 3

1.2.3 动力工程及工程热物理科学中的流体力学 4

1.3 流体力学的发展历史 5

1.3.1 第一时期（15世纪以前） 5

1.3.2 第二时期（15世纪初期—19世纪末期） 6

1.3.3 第三时期（20世纪初到20世纪中叶） 7

1.3.4 第四时期（20世纪中叶至今） 7

1.4 流体力学的研究方法 9

1.4.1 理论分析方法 9

1.4.2 实验方法 9

1.4.3 数值模拟方法 9

第2章 流体的力学性质 11

2.1 连续介质假说 11

2.1.1 流体质点（微团） 11

2.1.2 连续介质假设 12

2.2 流体的基本物理性质 13

2.2.1 流体的密度 13

2.2.2 相对密度（比重） 13

2.2.3 比容 13

2.2.4 混合气体密度与气体状态方程 14

2.2.5 重度 14

2.2.6 液体的蒸汽压 14

2.3 流体的力学特性 14

2.3.1 可压缩性和热膨胀性 14

2.3.2 黏性 17

2.3.3 流动性和流体的力学定义 19

2.3.4 表面张力特性 21

2.4 流体的分类 25

2.4.1 黏性流体与理想流体 25

2.4.2 牛顿流体与非牛顿流体 25

2.4.3 非牛顿流体及其黏度特性 26

2.5 作用在流体上的力 27

2.5.1 质量力 27

2.5.2 表面力 27

习题 28

第3章 流体静力学 30

3.1 流体静压强及其特征 30

3.1.1 静止的特征 30

3.1.2 静压强的特征 30

3.2 流体静止的基本方程 31

3.2.1 流体静止的基本方程 31

3.2.2 等压面 33

3.3 重力场中流体静止 33

3.3.1 等压面形状 34

3.3.2 静水压强分布 34

3.3.3 不可压缩流体静压强分布的物理含义 35

3.4 压强测量 36

3.4.1 压强的表示及单位 36

3.4.2 压强测量的基本原理 37

3.4.3 液柱压强计 37

3.5 惯性力场中流体静止 40

3.5.1 匀加速直线运动 40

3.5.2 等角速度转动 42

3.6 静止流体作用在固体面上的力 44

3.6.1 作用在平面上的流体静压力 44

3.6.2 作用在曲面上的流体静压力 47

3.7 浮力及浮体的稳定性 51

3.7.1 浮力 51

3.7.2 浮体的稳定性 52

习题 53

第4章 流体运动学 56

4.1 描述流体运动的方法 56

4.1.1 拉格朗日法 56

4.1.2 欧拉法 57

4.1.3 拉格朗日法与欧拉法关系 57

4.2 流场的分类 57

4.2.1 定常和非定常场 57

4.2.2 均匀和非均匀场 58

4.2.3 流动的维数 58

4.2.4 随体导数（时间导数、全导数） 59

4.3 迹线、流线和染色线 61

4.3.1 迹线 61

4.3.2 流线 61

4.3.3 染色线 63

4.4 流管、流束、流量、平均流速与当量直径 63

4.4.1 流管与流束 63

4.4.2 流量和净通量 64

4.4.3 平均流速 64

习题 65

第5章 流体动力学方程及其应用 66

5.1 系统与控制体的概念 66

5.1.1 系统与控制体 66

5.1.2 雷诺输运方程 67

5.2 连续性方程及其应用 69

5.2.1 积分形式连续性方程 69

5.3 动量方程及其应用 71

5.3.1 积分形式动量方程 71

5.3.2 控制体位置固定时动量方程的应用 72

5.3.3 控制体匀速运动时动量方程的应用 75

5.4 动量矩方程及其应用 76

5.5 能量方程及其应用 78

5.5.1 基于热力学第一定律的能量方程 78

5.5.2 伯努利方程 79

5.5.3 实际流体总流上的伯努利方程 80

5.5.4 伯努利方程的应用 81

5.6 微分形式连续性方程 84

5.7 微分形式动量方程 86

习题 88

第6章 相似理论与量纲分析 94

6.1 相似的概念 94

6.1.1 几何相似 94

6.1.2 运动相似 95

6.1.3 动力相似 96

6.2 动力相似 96

6.2.1 动力相似准则 97

6.2.2 黏性力相似准则 97

6.2.3 压力相似准则 98

6.2.4 重力相似准则 98

6.2.5 弹性力相似准则 99

6.2.6 表面张力相似准则 99

6.3 相似条件 100

6.3.1 相似条件及应用 100

6.3.2 近似相似实验 101

6.4 量纲分析 102

6.4.1 量纲的概念 102

6.4.2 白金汉定理（又称π定律） 103

习题 106

第7章 管（通）道中的黏性流动 108

7.1 管道流动的基本特征 108

7.1.1 管道流动的状态 108

7.1.2 管道流动的能量损失 110

7.1.3 进口段流动 110

7.2 圆管中的层流 111

7.2.1 层流时的速度分布 111

7.2.2 阻力系数 113

7.3 圆管中的湍流 115

7.3.1 湍流描述方法 115

7.3.2 湍流应力 116

7.3.3 混合长度理论 117

7.3.4 湍流速度分布及阻力系数 119

7.4 非圆形截面通道沿程损失的计算 130

7.4.1 当量直径 130

7.4.2 阻力系数 131

7.5 管路中的局部损失 132

7.5.1 管道截面积大小变化 132

7.5.2 管道方向变化 133

7.5.3 绕流阀门 134

7.5.4 关于能量损失的讨论 135

7.6 管路计算 136

7.6.1 管道计算的基本概念 136

7.6.2 管路系统 137

7.7 管道水击现象 141

7.7.1 水击产生的过程 141

7.7.2 水击压强 144

7.7.3 水击波的传播速度 144

7.7.4 防止水击危害的方法 145

习题 146

第8章 气体动力学基础 148

8.1 热力学参量 148

8.1.1 完全气体状态方程 148

8.1.2 比热容 149

8.1.3 内能 149

8.1.4 焓 150

8.1.5 熵 151

8.1.6 本章的假设 151

8.2 弱扰动波的传播及其特征 151

8.2.1 弱扰动波的传播和声速 151

8.2.2 弱扰动波在运动流场中的传播特征 153

8.3 完全气体动力学函数 155

8.3.1 气体的伯努利方程 155

8.3.2 滞止状态与滞止参量 156

8.3.3 临界参量与滞止参量间的关系 158

8.3.4 最大速度状态 159

8.3.5 状态参量间的关系 159

8.4 一维定常等熵流动 161

8.4.1 变截面管流分析 161

8.4.2 流管截面面积和流动马赫数的关系 164

8.4.3 无因次速度λ 165

8.4.4 流量的计算 166

8.5 喷管的计算 167

8.5.1 收缩形喷管 168

8.5.2 拉瓦尔喷管 169

8.6 激波 171

8.6.1 激波的概念和类型 171

8.6.2 正激波的形成和传播速度 172

8.6.3 正激波前后气流参量的关系 175

习题 177

参考文献 179