《工程流体力学(第二版)》是根据机械、动力类专业40~50学时的工程流体力学课程教学要求组织编写的。全书除绪论外共分7章:流体的主要物理性质、流体静力学、流体动力学基础、流体在圆管中的流动、孔口出流、缝隙流动和可压缩气体的一元流动。各章后配有思考与练习题,并附有参考答案,方便学生自测和复习。
《工程流体力学(第二版)》可作为机械类及近机械类各专业本科生及专科生工程流体力学课程教材,也可供相关技术人员参考。
本书是根据机械、动力类各专业工程流体力学课程的教学要求,参考教育部流体力学课程教学指导小组制定的《工程流体力学课程教学基本要求》,及2006年四川流体力学会议上的《流体力学水力学资源库框架》编写而成的。全书除绪论外共分7章。从绪论到第3章为流体力学的基础理论,第4~7章为流体力学在各方面的应用。各章之间具有相对的独立性,学校可根据各自的教学要求组合成不同形式的教学模块。
科学技术的不断发展,对工程流体力学的教学内容和教学方法提出了更高的要求。本着以培养面向21世纪创新人才为宗旨,以“基于研究的教学”和“大学生自主学习”的理念为导向,要求构建以培养学生创新能力为核心的新课程体系。在编写教材时,我们力求加强基础、强调应用,在介绍基础理论的同时,大量介绍工程应用问题。
本书以吉林大学机械学院流体力学教研室的教师为主要编写队伍,河北科技大学任欧旭老师也参与了部分章节的编写。全书根据编者多年的教学经验和教学实践编写而成,经多次讨论和修改,最终成稿。参加本书编写的有:吉林大学赵晓影(绪论、第1章)、王辉(第3章)、于萍(第4章6~7节)、沙永柏(第5章)、张萃(第6章)、朱黎辉(第7章),河北科技大学任欧旭(第2章、第4章1~5节)。本书由于萍担任主编,并完成全书的修改和统稿工作。
本次再版对全书重新作了修订,对已发现的问题及疏漏均加以改正,但由于作者水平有限,仍有可能存在差错,恳请读者批评、指正。
编者
2014年11月
前言
绪论
第1章流体的主要物理性质
1.1连续介质概论
1.2流体的密度和相对密度
1.3流体的黏性
1.3.1黏性产生的原因
1.3.2牛顿内摩擦定律
1.3.3流体的黏度
1.3.4理想流体
1.4流体的膨胀性和压缩性
1.4.1体胀系数
1.4.2压缩系数和体积弹性系数
1.4.3不可压缩流体的概念
本章小结
思考与练习
第2章流体静力学
2.1作用在流体上的力
2.1.1质量力
2.1.2表面力
2.1.3流体静压强
2.2流体平衡微分方程
2.2.1流体平衡微分方程的导出
2.2.2质量力的势函数
2.2.3等压面
2.3重力场中的平衡流体
2.3.1不可压缩流体的静压强基本公式
2.3.2可压缩流体的静压强分布公式
2.4静压强的计算与测量
2.4.1静压强的计算单位
2.4.2静压强的计算标准
2.4.3静压强的测量
2.5平衡流体对壁面的作用力
2.5.1作用在倾斜平面上的总压力
2.5.2作用在曲面上的总压力
2.5.3作用在沉没物体上的总压力
2.6流体在非惯性坐标系中的相对平衡
2.6.1等加速水平直线运动容器中液体的相对平衡
2.6.2等角速度旋转容器中液体的相对平衡
本章小结
思考与练习
第3章流体动力学基础
3.1研究流体流动的方法
3.1.1拉格朗日法
3.1.2欧拉法
3.2流动的分类
3.2.1定常流动和非定常流动
3.2.2一维流动、二维流动和三维流动
3.2.3均匀流和非均匀流
3.2.4缓变流和急变流
3.3用欧拉法描述流体运动的基本概念
3.3.1流线
3.3.2流管、流柬、有效断面
3.3.3流量
3.3.4平均流速
3.4系统与控制体
3.5连续方程
3.6实际流体的运动微分方程(纳维一斯托克斯方程)
3.7能量方程
3.8伯努利方程及其应用
3.8.1伯努利方程的几何意义及物理意义
3.8.2伯努利方程在工程实际中的应用
3.9沿流线主法线方向压强和速度的变化
3.10黏性流体总流的伯努利方程
3.11动量方程与动量矩方程
3.11.1惯性坐标系中的动量方程与动量矩方程
3.11.2定常管流的动量方程
3.11.3动量方程的应用
3.12旋流、势流及涡
3.12.1流体质点的变形与旋转运动
3.12.2旋流、势流及涡的概念
3.13点涡速度场的规律及其应用
3.13.1点涡速度场的概念和模型
3.13.2无旋流动的能量方程
……
第4章流体在圆管中的流动
第5章孔口出流与相似原理
第6章缝隙流动
第7章可压缩气体的一元流动
参考文献
第1章流体的主要物理性质
流体的平衡和运动规律与其自身的物理性质紧密相关,因此有必要对流体的物理性质进行了解,本章将介绍流体的一主要物理性质。
要求学生通过本章的学习了解流体力学的基本概念、流体的主要物理特性。
1.1连续介质概论
流体和固体一样是由大量分子组成的,并且每个分子都不断地做随机热运动,分子与分子之间存在着分子力的作用。流体包括液体与气体,由于具体形态的不同,气体、液体与固体的属性又有着一定的差别:首先,在相同体积的条件下,固体的分子数目多于液体,而液体又多于气体;其次,在相同分子距的条件下,固体分子力大于液体,而液体大于气体;再次,在外界温度、压强等条件相同的条件下,固体分子距最小,液体分子距次之,气体分子距最大。上述特点决定了气体分子可以在所给的空间内做自由运动,而液体分子只能在小范围内做不规则热运动,固体分子却只能围绕其自身位置做微小的振动。
上述微观结构上的差异导致宏观表象的不同。从受力方面考虑,在绪论中已述及,固体既能承受压力又能承受拉力和剪切力;而流体主要承受压力,不能承受拉力,在微小剪切力的作用下就会产生连续的变形。固体受一定大小外力的作用后产生的变形在外力消除后可以自动恢复;而流体流动后,其变形是不能自行消除的。此外,固体有一定的体积和形状;液体有一定的体积,而无一定的形状;气体既无一定的体积,也无一定的形状。
流体是由无数分子组成的,而分子与分子间有空隙,即从微观角度看,流体并不是连续分布的物质。由于流体力学的任务是要研究宏观流体的运动规律,因而它不研究微观的分子运动。在研究流体的宏观运动中,引用了流体质点和连续介质两个理论模型。
所谓流体质点,就是流体中宏观尺寸非常小而微观尺寸又足够大的任意一个物理实体,也称流体微团。宏观尺寸非常小是指流体质点所占据的宏观体积极限为零;微观尺寸足够大是指流体质点的微观体积大于流体分子尺寸的数量级,即流体质点包含着大量的分子。由于包含大量的分子,所以流体质点就具有了统计平均特性,使得各宏观物理量具有意义。
……