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1 流体的力学性质1

1.1 流体的连续介质模型1

1.1.1 流体质点的概念1

1.1.2 流体的连续介质模型2

1.2 流体的主要物理性质3

1.2.1 流动性3

1.2.2 可压缩性3

1.2.3 粘滞性4

1.2.4 表面张力7

1.3 牛顿流体和非牛顿流体10

习题12

本章符号说明13

2 流体运动学基本概念14

2.1 概述14

2.1.1 流体运动的特点14

2.1.2 流动的分类14

2.2 描述流体运动的两种方法15

2.2.1 拉格郎日法16

2.2.2 欧拉法16

2.2.3 质点导数17

2.2.4 两种方法的关系19

2.3 迹线和流线19

2.3.1 迹线19

2.3.2 流线20

2.3.3 流管22

2.4 有旋流动和无旋流动23

2.4.1 有旋流动23

2.4.2 无旋流动24

2.4.3 拉普拉斯方程25

2.4.4 泊松方程26

习题27

本章符号说明27

3 流体静力学28

3.1 作用在流体上的力28

3.1.1 质量力28

3.1.2 表面力29

3.1.3 静止流场中的应力性质29

3.2 流体静力学基本方程及静止流场基本特性30

3.2.1 流体静力学基本方程30

3.2.2 静止流场基本特性31

3.3 某些流体静力学基本问题34

3.3.1 重力场静止液体中的压力分布与物体受力34

3.3.2 非惯性坐标系中的静止液体37

习题41

本章符号说明42

4 流体流动基本原理44

4.1 概述44

4.1.1 系统与控制体44

4.1.2 输运公式45

4.2 质量守恒积分方程47

4.2.1 控制体系统的质量守恒方程47

4.2.2 质量守恒方程的特殊形式48

4.3 动量守恒积分方程50

4.3.1 控制体系统的动量守恒方程50

4.3.2 动量守恒方程的应用52

4.4 动量矩方程及其应用55

4.4.1 动量矩定律55

4.4.2 控制体系统的动量矩方程56

4.5 能量守恒积分方程60

4.5.1 控制体系统的能量守恒方程60

4.5.2 化工流动过程的能量衡算63

4.5.3 伯努利方程及其应用65

习题69

思考题73

本章符号说明73

5 不可压缩流体的一维层流流动75

5.1 概述75

5.1.1 建立流动微分方程的基本方法75

5.1.2 常见边界条件76

5.1.3 流动条件说明76

5.2 狭缝流动分析77

5.2.1 狭缝流动的微分方程77

5.2.2 狭缝流动的切应力与速度分布78

5.2.3 水平狭缝压差流动的流动阻力79

5.3 管内流动分析82

5.3.1 圆管内的层流流动82

5.3.2 圆形套管内的层流流动85

5.4 降膜流动分析87

5.4.1 倾斜平板上的降膜流动87

5.4.2 竖直圆管外壁的降膜流动90

习题92

思考题94

本章符号说明94

6 流体流动微分方程96

6.1 连续性方程96

6.1.1 直角坐标系中的连续性方程96

6.1.2 柱坐标和球坐标系中的连续性方程98

6.2 以应力表示的运动方程99

6.2.1 作用于微元体上的力100

6.2.2 动量流量及动量变化率102

6.2.3 以应力表示的运动方程103

6.3 粘性流体运动微分方程104

6.3.1 牛顿流体的本构方程105

6.3.2 流体运动微分方程——Navier-Stokes 方程107

6.3.3 柱坐标和球坐标系中的 N-S 方程109

6.4 流体流动微分方程的应用112

6.4.1 N-S 方程应用概述112

6.4.2 应用举例112

习题118

思考题120

本章符号说明120

7 不可压缩理想流体的平面运动122

7.1 流体微团的运动122

7.1.1 流体微团平面运动的分解122

7.1.2 无旋流动的判断124

7.2 不可压缩理想流体平面势流的基本方程125

7.2.1 速度势函数125

7.2.2 拉普拉斯方程126

7.2.3 流函数及其物理意义127

7.2.4 速度势函数与流函数的关系128

7.3 简单有势流动及其组合130

7.3.1 平行直线等速流动130

7.3.2 角形区域内的流动130

7.3.3 点源与点汇131

7.3.4 点涡133

7.3.5 复合流动133

习题137

思考题138

本章符号说明138

8 流体力学的实验研究方法140

8.1 流动相似原理140

8.1.1 几何相似140

8.1.2 运动相似141

8.1.3 动力相似141

8.2 相似准则与量纲分析142

8.2.1 相似准则142

8.2.2 量纲分析145

8.3 工程模型研究149

8.3.1 模型与原型的相似149

8.3.2 参数测试及实验结果整理150

8.3.3 模型研究应用举例151

8.4 流场测试技术154

8.4.1 速度场的测量154

8.4.2 压力场的测量158

习题159

思考题161

本章符号说明161

9 管内流体流动163

9.1 流体流动的内部结构163

9.1.1 层流与湍流163

9.1.2 湍流的基本特征164

9.2 圆管内充分发展的层流流动165

9.2.1 速度与切应力分布165

9.2.2 流动阻力166

9.3 湍流的半经验理论167

9.3.1 湍流假说——普朗特混合长度理论167

9.3.2 通用速度分布——壁面律169

9.4 圆管内充分发展的湍流流动172

9.4.1 光滑管内的速度分布与阻力172

9.4.2 粗糙管内的流动与阻力系数174

9.5 圆管进口段流动分析177

9.5.1 进口段流动状态与进口段长度178

9.5.2 进口段阻力178

9.6 非圆形截面管内的流体流动179

9.7 弯曲管道内的流体流动180

习题181

思考题182

本章符号说明182

10 流体绕物流动184

10.1 边界层理论及基本概念184

10.1.1 边界层理论184

10.1.2 边界层基本概念184

10.2 平板边界层流动187

10.2.1 普朗特边界层方程187

10.2.2 平板层流边界层的精确解189

10.2.3 冯·卡门(von Kármán)边界层动量积分方程191

10.2.4 平板层流边界层的近似解192

10.2.5 平板湍流边界层的近似解195

10.3 边界层分离与压差阻力198

10.3.1 边界层分离现象198

10.3.2 压差阻力199

10.4 绕圆柱体的流动分析202

10.4.1 绕圆柱体的流动202

10.4.2 圆柱绕流总阻力203

10.5 绕球体的流动分析204

10.5.1 绕球体的流动204

10.5.2 球体绕流总阻力205

10.5.3 颗粒的沉降速度205

习题207

思考题208

本章符号说明208

11 化工机械中的典型流动分析210

11.1 叶轮机械中的流体流动210

11.1.1 叶轮机械工作原理210

11.1.2 轴流式叶轮机械中的流体流动213

11.1.3 径流式叶轮机械中的流体流动214

11.2 旋流器中的流体流动216

11.2.1 概述216

11.2.2 旋流器中的流体流动217

11.2.3 旋流器中的压力分布218

11.3 通过滤饼层的流体流动220

11.3.1 达西(Darcy)公式及其修正220

11.3.2 不可压缩滤饼和可压缩滤饼223

11.3.3 过滤基本方程的积分225

11.3.4 离心过滤226

11.4 沉降离心机中的流体流动229

11.4.1 转鼓内的流体流动形式229

11.4.2 颗粒的运动230

思考题231

本章符号说明231

12 流体流动的数值模拟233

12.1 概述233

12.1.1 研究流体流动的三种基本方法233

12.1.2 数值模拟基本方法与过程235

12.2 模型方程的建立235

12.2.1 化工设备中的流动分析与简化236

12.2.2 模型方程及其规范化237

12.2.3 求解 N-S 方程的原始变量法和涡量-流函数法239

12.2.4 以涡量-流函数表示的模型方程240

12.2.5 涡量-流函数模型方程的边界条件241

12.3 流动区域及模型方程的离散243

12.3.1 流动区域的离散243

12.3.2 基本差分公式245

12.3.3 模型方程与边界条件的离散247

12.4 代数方程的求解方法250

12.4.1 迭代法基本公式及收敛判别250

12.4.2 加速迭代收敛的基本方法和思想253

12.5 模型方程计算程序及结果讨论255

12.5.1 计算程序及过程说明255

12.5.2 计算结果讨论258

思考题260

本章符号说明260

附录262

A.矢量与场论的基本定义和公式262

B.流体力学常见物理量量纲及单位换算265

C.流体的物性参数266

部分习题参考答案270

参考文献273