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第1章 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流体连续介质模型2

1.2流体的力学特性2

1.2.1流动性2

1.2.2可压缩性2

1.2.3黏滞性3

1.2.4表面张力特性6

1.3牛顿流体和非牛顿流体10

1.3.1牛顿流体与非牛顿流体10

1.3.2非牛顿流体及其黏度特性10

习题11

第2章 流体流动的基本概念14

2.1流场及流动分类14

2.1.1流场的概念14

2.1.2流动分类14

2.2描述流体运动的两种方法16

2.2.1拉格朗日法16

2.2.2欧拉法17

2.2.3两种方法的关系17

2.2.4质点导数18

2.3迹线和流线21

2.3.1迹线21

2.3.2流线21

2.3.3流管与管流连续性方程23

2.4流体的运动与变形24

2.4.1微元流体线的变形速率24

2.4.2微元流体团的变形速率26

2.4.3涡量与有旋流动27

2.4.4无旋流动——势流28

2.5流体的流动与阻力29

2.5.1流体流动的推动力30

2.5.2层流与湍流30

2.5.3流场边界的对流动的影响32

2.5.4流动阻力与阻力系数33

习题35

第3章 流体静力学38

3.1作用在流体上的力38

3.1.1质量力38

3.1.2表面力——应力与压力39

3.1.3静止流场中的表面力39

3.1.4压力的表示方法及单位40

3.2流体静力学基本方程41

3.2.1流体静力学基本方程41

3.2.2静止流场基本特性41

3.3重力场中的静止液体43

3.3.1重力场中静止流体的压力分布43

3.3.2 U形管测压原理44

3.3.3静止液体中固体壁面的受力46

3.3.4静止液体中物体的浮力与浮力矩51

3.4非惯性坐标系中的静止液体53

3.4.1非惯性坐标系中的质量力53

3.4.2直线匀加速运动中的静止液体53

3.4.3匀速旋转容器中的静止液体54

3.4.4高速回转圆筒内流体的压力分布56

习题57

第4章 流体流动的守恒原理62

4.1概述62

4.1.1系统与控制体62

4.1.2输运公式63

4.2质量守恒方程64

4.2.1控制面上的质量流量64

4.2.2控制体质量守恒方程65

4.2.3多组分系统的质量守恒方程67

4.3动量守恒方程69

4.3.1控制体动量守恒方程69

4.3.2动量守恒方程的简化形式71

4.4动量矩守恒方程75

4.4.1动量矩定律75

4.4.2控制体动量矩守恒方程75

4.5能量守恒方程79

4.5.1运动流体的能量79

4.5.2控制体能量守恒方程82

4.5.3化工流动系统的能量方程84

4.5.4伯努利方程及其应用说明87

4.6守恒方程综合应用分析92

4.6.1小孔流动问题92

4.6.2管流中的液体汽化问题94

4.6.3驻点压力与皮托管95

4.6.4管道局部阻力损失分析97

习题101

第5章 不可压缩流体的一维层流流动108

5.1概述108

5.1.1建立流动微分方程的基本方法108

5.1.2常见边界条件109

5.1.3流动条件说明109

5.2狭缝流动分析109

5.2.1狭缝流动的微分方程110

5.2.2狭缝流动的切应力与速度分布112

5.2.3水平狭缝压差流的流动阻力112

5.3管内流动分析114

5.3.1圆管内的层流流动114

5.3.2圆形套管内的层流流动118

5.4降膜流动分析120

5.4.1倾斜平板上的降膜流动120

5.4.2竖直圆管外壁的降膜流动122

习题124

第6章 流体流动微分方程127

6.1连续性方程127

6.1.1直角坐标系中的连续性方程127

6.1.2柱坐标和球坐标系中的连续性方程129

6.2以应力表示的运动方程130

6.2.1作用于微元体上的力130

6.2.2动量流量及动量变化率132

6.2.3以应力表示的运动方程133

6.3黏性流体运动微分方程134

6.3.1牛顿流体的本构方程134

6.3.2流体运动微分方程——Navier-Stokes方程136

6.3.3柱坐标和球坐标系中的N-S方程138

6.4流体流动微分方程的应用140

6.4.1 N-S方程应用概述140

6.4.2 N-S方程应用举例140

习题146

第7章 不可压缩理想流体的平面运动149

7.1流体微团的运动149

7.1.1流体微团平面运动的分解149

7.1.2有旋流动与无旋流动150

7.1.3线流量与速度环量151

7.2速度势函数与流函数152

7.2.1速度势函数、势流152

7.2.2流函数及其性质152

7.2.3速度势函数与流函数的关系154

7.3不可压缩理想流体平面流动的基本方程155

7.3.1连续性方程与运动微分方程155

7.3.2不可压缩平面势流的基本方程——拉普拉斯方程156

7.3.3速度势函数与流函数的全微分方程156

7.4简单有势流动及其组合流动157

7.4.1平行直线等速流157

7.4.2角形区域内的流动158

7.4.3点源与点汇158

7.4.4点涡159

7.4.5复合流动159

7.4.6理想流体绕固定圆柱体的流动162

7.4.7理想流体绕转动圆柱体的流动164

习题166

思考题166

第8章 流体力学的实验研究方法167

8.1流动相似原理167

8.1.1几何相似167

8.1.2运动相似168

8.1.3动力相似168

8.2相似准则及其分析方法168

8.2.1微分方程分析法169

8.2.2量纲分析法173

8.3工程模型研究176

8.3.1模型与原型的相似176

8.3.2参数测试及实验结果整理177

8.3.3模型研究应用举例178

8.4流场测试技术181

8.4.1速度场的测量181

8.4.2压力场的测量185

习题185

思考题186

第9章 管内流体流动187

9.1层流与湍流187

9.1.1雷诺实验187

9.1.2圆管内充分发展的层流流动188

9.1.3湍流及其基本特性189

9.1.4湍流理论简介190

9.2湍流的半经验理论191

9.2.1雷诺方程191

9.2.2湍流假说——普朗特混合长度理论192

9.2.3通用速度分布——壁面律194

9.3圆管内充分发展的湍流流动196

9.3.1光滑管内的湍流速度与切应力196

9.3.2粗糙管内的湍流速度分布197

9.4圆管内流动的阻力损失198

9.4.1圆管阻力损失与阻力系数定义198

9.4.2光滑圆管的阻力系数199

9.4.3粗糙圆管的阻力系数200

9.4.4局部阻力系数203

9.5圆管进口段流动分析206

9.5.1进口段流动状态与进口段长度206

9.5.2进口段阻力206

9.6非圆形截面管内的流体流动207

9.7弯曲管道内的流体流动208

习题209

思考题209

第10章 流体绕物流动210

10.1边界层基本概念210

10.1.1边界层理论210

10.1.2边界层的厚度与流态210

10.1.3平壁表面摩擦阻力与摩擦阻力系数212

10.2平壁边界层流动213

10.2.1普朗特边界层方程213

10.2.2平壁层流边界层的精确解214

10.2.3冯·卡门边界层动量积分方程216

10.2.4平壁层流边界层的近似解218

10.2.5平壁湍流边界层的近似解220

10.3边界层分离及绕流总阻力223

10.3.1边界层分离现象223

10.3.2绕流总阻力224

10.4绕圆柱体的流动分析226

10.4.1绕圆柱体的流动227

10.4.2圆柱绕流总阻力228

10.5绕球体的流动分析229

10.5.1绕球体的流动229

10.5.2球体绕流总阻力229

10.5.3颗粒的沉降速度230

习题232

思考题233

第11章 化工机械中的典型流动分析234

11.1 叶轮机械中的流体流动234

11.1.1叶轮机械工作原理234

11.1.2轴流式叶轮机械中的流体流动236

11.1.3径流式叶轮机械中的流体流动237

11.2旋流器中的流体流动239

11.2.1概述239

11.2.2旋流器中的流体流动240

11.2.3旋流器中的压力分布241

11.3通过滤饼层的流体流动242

11.3.1达西公式及其修正242

11.3.2不可压缩滤饼和可压缩滤饼244

11.3.3过滤基本方程的积分245

11.3.4离心过滤247

11.4沉降离心机中的流体流动248

11.4.1转鼓内的流体流动形式249

11.4.2颗粒的运动250

思考题250

本章符号说明251

第12章 流体流动的数值模拟252

12.1概述252

12.1.1研究流体流动的三种基本方法252

12.1.2数值模拟基本方法与过程253

12.2模型方程的建立254

12.2.1化工设备中的流动分析与简化254

12.2.2模型方程及其规范化255

12.2.3求解N-S方程的原始变量法和涡量-流函数法257

12.2.4以涡量-流函数表示的模型方程257

12.2.5涡量-流函数模型方程的边界条件258

12.3流动区域及模型方程的离散259

12.3.1流动区域的离散259

12.3.2基本差分公式261

12.3.3模型方程与边界条件的离散263

12.4代数方程的求解方法265

12.4.1迭代法基本公式及收敛判别265

12.4.2加速迭代收敛的基本方法和思想267

12.5模型方程计算程序及结果讨论269

12.5.1计算程序及过程说明269

12.5.2计算结果讨论271

思考题273

本章符号说明274

附录A 矢量与场论的基本定义和公式275

附录B 流体力学常见物理量量纲、单位换算及特征数279

附录C 流体的物性参数281

附录D 习题参考答案284

参考文献292