《工程流体力学（第二版）/21世纪高等院校教材》是工科大学使用的流体力学教材，力求反映“高等教育面向21世纪教学改革计划”的成果，与国际发展趋势一致，突出重点，强化基础，联系实际，学以致用.《工程流体力学（第二版）/21世纪高等院校教材》主要内容有流体及其物理性质，流体静力学，流体流动特性，流体动力学分析基础，量纲分析与相似原理，不可压缩黏性流体的内部，外部流动和无黏流动，可压缩流体的流动，计算流体力学简介等.每章均附有习题，供读者练习。

第二版前言
第一版前言
第1章 流体及其物理性质
1.1 流体的定义和特征
1.2 流体力学发展简史
1.3 流体的连续介质假设
1.4 国际单位制
1.5 流体的密度
1.6 流体的压缩性和膨胀性
1.7 流体的黏性
1.8 液体的表面张力
习题一


第2章 流体静力学
2.1 作用在流体上的力
2.2 流体平衡微分方程式
2.3 流体静力学基本方程式
2.4 静压强的计量和液柱式测压计
2.5 在非惯性坐标系中液体的相对平衡
2.6 静止流体对壁面的压力
习题二


第3章 流体流动特性
3.1 流场及其描述方法
3.2 流体流动的描述
3.3 流体微团的运动分析
3.4 黏性流体的流动形态
3.5 流体流动分类
习题三


第4章 流体动力学分析基础
4.1 系统与控制体
4.2 雷诺输运定理
4.3 流体流动的连续性方程
4.4 理想流体的能量方程
4.5 不可压缩理想流体一维流动的伯努利方程及其应用
4.6 动量定理
4.7 角动量方程
4.8 微分形式的守恒方程
4.9 定常欧拉运动微分方程的积分求解
习题四


第5章 量纲分析与相似原理
5.1 量纲分析
5.2 相似原理
5.3 模型试验
5.4 方程分析法
习题五


第6章 不可压缩黏性流体的内部流动
6.1 流动阻力
6.2 圆管内层流
6.3 平板间的层流
6.4 管内湍流
6.5 沿程阻力系数和局部阻力系数
6.6 管内流动的能量损失
6.7 管路计算
习题六


第7章 不可压缩黏性流体的外部流动
7.1 边界层
7.2 绕平板流动边界层的近似计算
7.3 绕曲面流动及边界层的分离
7.4 黏性流体绕小圆球的蠕流流动
7.5 黏性流体绕流物体的阻力
习题七


第8章 不可压缩流体的无黏流动
8.1 速度环量
8.2 流函数与速度势
8.3 基本平面势流
8.4 基本平面势流的简单叠加
8.5 平行流绕圆柱体的流动
习题八


第9章 可压缩流体的流动
9.1 音速与马赫数工程流体力学
9.2 气体一维定常等熵流动
9.3 喷管中的等熵流动
9.4 有摩擦的绝热管流
9.5 超音速气流的绕流与激波的形成
9.6 激波前后气流参数的关系
9.7 喷管在非设计工况下的流动
习题九


第10章 计算流体力学简介
10.1 离散化方法
10.2 流动问题数值求解例
10.3 计算流体力学新进展
习题答案
参考文献
中英文术语对照表

《工程流体力学（第二版）/21世纪高等院校教材》：
　　第1章 流体及其物理性质
　　从生产到生活，流体与我们密切相关.自然界中，从包围着整个地球的大气到江河湖海中的水，都是流体.可以说，人类生活在一个被流体包围着的世界里.流体力学是力学的一个分支，它专门研究流体在静止和运动时的受力情况与运动规律，研究流体在静止和运动时的压强分布，流速变化，流量大小，能量损失以及与固体壁面之间的相互作用力等问题.为了全面，透彻地理解这些流体力学的基本知识，本章首先介绍流体的定义和物理性质以及用于流体力学研究的基本简化假设，包括流体的三大特性———易流动性，可压缩性和黏性；流体的连续介质假设；气液相接触时的表面特性等。
　　1.1 流体的定义和特征
　　流体是能流动的物质.从其力学特征看，流体是一种受任何微小剪切力作用都能连续变形的物质.只要这种力持续作用，流体就将持续变形，直到外力停止作用为止.固体则不同，当受到剪切力作用时，仅产生一定程度的变形，只要作用力保持不变，固体的变形也就不再变化.由此可见，易流动（易变形）性是流体的一大特征。流体和固体具有上述不同性质是由组成物质的分子结构和分子间的作用力不同造成的.流体分子间的作用力小，分子运动强烈，决定了流体具有易流动，不能保持一定形状的特性.流体本身并没有特定的形状，能够被装进任何形状的容器中，就像风和河流一样，能够自由流动。流体按其状态不同又可分为液体和气体，如图1G1 所示.液体和气体除具有上述流体的共同特性外，还具有以下不同特性：
　　图1G1 物质的三种形态
　　（1）气体的分子间距较大，在0℃，1 个标准大气压下，气体的平均分子距约为3.3×10-9m，其分子平均直径约为2.5×10-10m，分子距比分子平均直径约大十倍，所以气体分子间的吸引力很小，气体分子可以自由运动，故气体极易变形和流动.此外，气体既没有一定的体积，也没有一定的形状，总是充满容纳它的容器，如图1G1（c）所示。（2）液体的分子间距和分子的有效直径差不多相等，约为气体分子距的1/10左右，故分子间的吸引力较大，所以，液体分子不能像气体分子那样自由运动，液体的流动性不如气体.此外，液体具有一定的体积，并取容器的形状.当容器的容积大于液体的体积时，液体不能充满容器，在重力的作用下，液体总保持一个自由表面（液面），如图1G1（b）所示。
　　1.2 流体力学发展简史
　　和许多其他学科一样，流体力学的发展经历了漫长的岁月。人类最早对流体的认识是从供水，灌溉，航行等方面开始的.远在两三千年前，在同自然界的长期斗争中，人们已经开始建造了水利工程和最简单的水利机械.例如，中国有大禹治水的传说；秦朝李冰父子领导修建了都江堰水利工程，用于防洪和灌溉；隋朝时期开凿了贯通中国南北的大运河.此外，古代还发明了一些简单的水力机械，用作碾米，磨面等.由于没有相应的数学和机械知识，那时关于流体的认识，只是些从实践中总结出来的经验性的东西.然而，正是这些经验的积累，为流体力学的发展奠定了基础。流体力学的最早文献中记载着阿基米德（Archimedes，285~212B.C.），他是古希腊的数学家和发明家，在公元前250年发表的，论浮体，中，精确地给出了“阿基米德定律”，从而建立了包括浮力定律和浮体稳定性在内的液体平衡理论，奠定了流体静力学的基础.文献中还记载着罗马人在公元前4世纪修筑的复杂的供水管道系统.但在其后的1000多年中，即在漫长的中世纪，流体力学研究几乎没有新的进展。15世纪初，伴随着欧洲的文艺复兴，流体力学研究又一次繁荣兴起.达芬奇（Da.Vinci，1452~1519）研究了水波，管流，水力机械，鸟的飞翔原理等问题，并设计建造了一座小型水渠；伽利略（Galileo，1564~1642）在流体静力学中应用虚位移原理，提出运动物体的阻力随着流体介质密度和速度的增加而增大；帕斯卡（Pascal，1623~1662）提出了密闭流体能传递压强的帕斯卡原理。到了18世纪，由于欧洲资本主义蓬勃兴起，自然科学的发展突飞猛进，流体力学也有了长足进步.流体力学最基本，最主要的理论都是在这一时期建立起来的，并涌现出一批杰出人物，他们为流体力学的发展做出了巨大的贡献.牛顿（Newton，1642~1727）研究了流体中运动物体所受到的阻力，建立了流体内摩擦定律，为黏性流体力学奠定了理论基础；伯努利（Bernoulli，1700~1782）从能量守恒出发，建立了反映流体位势能，压强势能和动能之间能量转换关系的伯努利方程；欧拉（Euler，1707~1783）提出了流体的连续介质模型，建立了用微分方程组描述无黏流体运动的欧拉方程；拉格朗日（Lagrange，1736~1813）论证了速度势的存在，并提出了流函数的概念，为分析流体的平面无旋运动开辟了道路；亥姆霍兹（Helmholtz，1821~1894）提出了表征旋涡基本性质的旋涡定理等.上述研究是从理论上或数学上研究理想的，无摩擦的流体运动，采用将流体及其受力条件理想化的方法，忽略次要因素，建立描写流体运动的方程式，称为流体动力学（hydrodynamics）。19世纪，工程师们迫切需要解决带有黏性影响的工程问题.纳维（Navier，1785~1836）和斯托克斯（Stokes，1819~1903）提出了著名的描述黏性流体基本运动的纳维G斯托克斯方程（NGS方程），为流体动力学的发展奠定了基础.然而NGS方程数学复杂，不能满意地解决工程问题，所以人们采取实验先行的办法，对理论不足部分反复实验，总结规律，得到经验公式和半经验公式用于实践，形成了以实验方法来定制经验公式的流体水力学（hydraulics）.弗劳德Froude，1810~1879）提出了船模试验的相似准则数———Fr 数，建立了现代船模试验技术的基础；雷诺（Reynolds，1842~1912）用实验证实了黏性流体的两种流动状态，为流动阻力的研究奠定了基础。在流体动力学和水力学空前发展的条件下，人们试图将二者结合来解决实际问题.1904年，普朗特（Prandtl，1875~1953）提出了流体边界层的概念，即在流体接近固体边界的一薄层（边界层）内，摩擦力起主要作用；在边界层以外，流体运动更像无摩擦的理想流体.这个相当简单的概念为形成理论与实践并重的现代流体力学奠定了基础.所以人们称普朗特为现代流体力学之父。此后，流体动力学和水力学进一步发展，因而更具科学性.一些描述流体运动的基本方程式以及当时验证的一些实验结果至今仍在使用.1933年尼古拉兹（Nikuradze）公布了他对砂粒粗糙管内水流阻力系数的实测结果———尼古拉兹曲线；科勒布鲁克（Colebrook）1939年提出了过渡区阻力系数计算经验公式；1944年穆迪（Moody）绘制出实用管道阻力系数图———穆迪图.至此，有压管流的水力计算已渐趋成熟。20世纪初，飞机的出现极大地促进了空气动力学的发展.儒科夫斯基（Joukowski，1847~1921）找到了翼型升力和绕翼型环流之间的关系，为近代高效能飞机设计奠定了基础；卡门（K.rm.n，1881~1963）提出了卡门涡街，并在紊流边界层理论，超音速空气动力学，火箭及喷气技术等方面作出了巨大的贡献.同时，以普朗特等为代表的一批科学家，建立了以无黏性流体为基础的机翼理论，阐明机翼受到升力，所以空气能把很重的飞机托上天空.机翼理论的正确性，使无黏性流体的理论被人们重新认识，它的工程设计指导作用也得到了肯定.空气动力学为流体力学在20世纪迅速发展开辟了新的道路。机翼理论和边界层理论的建立是流体力学发展史上的一次重大飞跃.20世纪40年代以后，由于喷气推进和火箭技术的应用，飞行器速度超过声速，实现了航天飞行；关于炸药或天然气等介质中发生爆炸形成的爆炸波理论，为研究原子弹，炸药等起爆后，激波在空气或水中的传播奠定了基础。从20世纪50年代起，电子计算机不断完善，计算技术被引入流体力学领域，使以前
　　因计算过于繁杂而影响进一步探讨的流体力学问题逐步得以解决，计算流体力学在今天已成为研究流体力学的重要方法.同时，流体力学与其他学科相互渗透，形成了许多边缘学科，如，生物流体力学，地球流体力学，化学流体力学，液压流体力学，电磁流体力学，高温气体动力学，两相流体力学，流变学等.这些新型学科的出现和发展，使流体力学这一古老学科更富有活力。从流体力学的发展过程可以看出，它的产生和发展，始终是与社会生产实践紧密地联系在一起的.只要工程中涉及流体的运动及流体和固体的相互作用，就要以流体力学为基础来进行分析和研究，所以在水利工程，机械，动力，化工，石油，建筑，冶金，交通运输，航海，航空，气象，生物，医学等许多领域，流体力学都有广泛的应用。流体力学既是一门重要的应用技术学科，又有很强的基础学科性质.许多近代科学的重大成就都源于流体力学研究.国家自然科学基金委员会，自然科学学科发展战略调研报告，中指出：“由流体力学中发现的规律，逐渐渗透到其他科学领域并最终形成具有普遍意义的理论的科学发展道路，今后仍将在整个自然科学的发展中继续起着重要作用”。
　　1.3 流体的连续介质假设
　　从微观角度看，流体和其他物质一样，都是由大量分子组成的，分子之间存在着间隙，因此流体并不是连续分布的物质.但是，流体力学所要研究的并不是个别分子的微观运动，而是研究由大量分子组成的流体的宏观运动。流体的宏观运动由大量分子运动的统计平均值来体现.正因为如此，在流体力学中，取流体质点来代替流体的分子作为研究流体的基元.所谓流体质点，是一块体积为无穷小的微量流体.流体质点虽小，却包含有为数众多的分子，因而它能反映大量分子运动的统计平均值.所以从微观角度看，流体质点应为无穷大.另外，流体质点在宏观上应为无穷小，即与所研究的整个流动空间相比，流体质点应是无穷小，应能通过流体质点及其所属物理量在空间的变化来反映流体的运动.所以流体质点简单来说，就是宏观无穷小，微观无穷大的微量流体.对于流体质点而言，我们假定它们之间没有间隙，在空间连续分布，所以将流体视为由无数连续分布的流体质点所组成的连续介质.这就是流体的连续介质假设。把流体看成是由连续介质组成的物质，即由微观无穷大，宏观无穷小的流体质点组成的连续介质，流体质点间没有空隙地，连续地充满其所在的空间.这样，只要我们在研究流体运动时所取的质点足够小，但它包含了足够多的分子，就可使各个物理量的统计平均值有意义，我们就可以不去研究无数分子的瞬时状态，而只研究由流体质点代表的描述流体宏观运动的某些属性.此外，将流体视为连续介质来处理，则表征流体宏观属性的物理量（如密度，速度，压强，温度，黏度，应力等）在流体中也是连续变化的.这样，可将流体及其各物理量看成是时间和空间坐标的单值连续可微函数，从而可以利用微分方程等数学工具来研究流体的平衡和运动规律。例如，我们定义流体密度ρ=lΔiVm→0ΔmΔV，其中，Δm 是微元体积ΔV内的流体质量.这里的ΔV→0必须符合流体质点的“微观无穷大，宏观无穷小”的特点.如果ΔV太小，会使ΔV中的流体质量起伏不定，不能反映物理量的统计平均特性，如图1G2所示.实际上，密度定义式中的ΔV→0应换成ΔV→ΔV， 如果低于ΔV，连续介质假设不再成立.连续介质假设是流体力学的根本假设之一，我们依据这个假设，才能把微观问题转化为宏观问题来处理.对于大部分工程技术中的流体力学问题，该假设都是适用的.例如，在标准状况下，1mm3的空气中有2.7×1016个分子，若取1μm 作为流体质点的特征尺寸，则在体积为1μm3 的流体质点中，还包含有2.7×107 个空气分子，完全能得到与个别分子运动无关的统计平均值.另外，1μm 相对于一般工程问题又是一个非常小的量，完全可以将其视为一宏观无穷小量.但对一些特殊问题，该假设不适用.例如，火箭在高空非常稀薄的气体中飞行以及高真空技术中，由于分子间距与有效尺寸到了可以比拟的程度，故必须舍弃宏观的连续介质的研究方法，代之以分子动力论的微观方法。
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