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目录1

上篇　流体力学基础1

第1章 流体运动规律的影响因素和研究方法1

1.1　流体的物理属性1

1.1.1　连续介质假定1

1.1.2　密度，压缩性3

1.1.3　黏性，牛顿流体3

1.1.4　导热性，热导率8

1.1.5　扩散性，扩散系数9

1.1.6　表面张力10

1.2　流动空间的几何特征，流动问题分类13

1.2.1　流体运动问题的分类13

1.2.2　化工设备中的流动问题，典型化工设备及其结构特征15

1.3　引发流体运动的方式、工艺过程的操作条件17

1.3.1　化工设备中流动的发生：泊谡流与库特流17

1.3.2　流动的两种基本状态：层流与湍流18

1.3.4　低雷诺数（爬流）与高雷诺数（边界层流）19

1.3.3　流动状态的判别，雷诺数19

1.4　研究流体运动规律的基本途径20

1.4.1　理论解析法20

1.4.2　实验观测法20

1.4.3　数值计算法22

本章主要符号23

习题23

参考文献24

第2章　流体运动学、理想流体运动25

2.1　流体运动的表示方法25

2.1.1　拉格朗日法25

2.1.2　欧拉法26

2.1.3　随体导数27

2.1.4　定常流动与非定常流动，流线与轨线的进一步讨论28

2.1.5　一维运动29

2.2.1　流体微团运动的分解31

2.2　变形的运动学——流体微团运动分析31

2.2.2　流体微团变形和旋转运动的特征量33

2.3　连续性方程37

2.4　理想流体的运动方程——欧拉方程及其伯努利积分39

2.4.1 欧拉运动方程沿流线的积分——伯努利方程39

2.4.2　无旋条件下欧拉运动方程的积分40

2.4.3　可压缩气体的伯努利方程41

2.4.4　伯努利方程的应用41

2.4.5　伯努利方程的局限性47

2.5　二维运动，流函数47

2.5.1　流函数的定义47

2.5.2　流函数方程49

2.5.3　流函数的应用49

2.6　涡旋运动50

2.6.1　工程中的涡旋运动现象50

2.6.2　涡旋性质及涡旋运动经典理论51

2.6.3　涡旋动力学——涡旋的产生、扩展与消失55

2.7　无旋运动57

2.7.1　无旋运动的特性57

2.7.2　势流基本方程58

2.7.3　基本无旋流59

2.7.4　理想流体绕物体的运动，绕圆柱、球的流动60

2.8　有环量的无旋运动65

2.8.1　有环量的绕圆柱体流动65

2.8.2　兰金涡67

本章主要符号70

习题71

参考文献73

第3章　黏性流体力学74

3.1　黏性流体的运动方程及其性质与求解74

3.1.1　运动方程的建立74

3.1.3　黏性流体运动的性质78

3.1.2　运动方程的定解条件78

3.1.4　N-S运动方程的求解80

3.2　低雷诺数流理论N-S方程近似（一）84

3.2.1 Stokes流基本方程组84

3.2.2　绕球运动，Stokes解85

3.2.3　Oseen流90

3.2.4　颗粒横向漂移91

3.2.5 低雷诺数流理论的发展与应用91

3.3 高雷诺数流理论（层流边界层理论）N-S方程近似（二）92

3.3.1　高雷诺数下平板绕流边界层92

3.3.2　曲面上的边界层，分离现象94

3.3.3　边界层方程及其求解96

3.4　湍流运动的基本方程与经典湍流理论104

3.4.1　层流稳定性与湍流起源104

3.4.2　湍流运动的主要特征108

3.4.3　湍流运动的基本方程，雷诺方程110

3.4.4　湍流唯象理论（半经验理论）112

3.4.5　充分发展的湍流运动的简化模型115

3.4.6　湍流的统计特性119

3.5　绕流，外部流动129

3.5.1　绕平板流动，湍流边界层129

3.5.2　圆柱绕流，涡旋诱发振动134

3.5.3　流体阻力的理论与实践136

3.6　管流，内部流动142

3.6.1　圆管层流流动142

3.6.2　圆管湍流运动148

3.6.3　非直管、非圆管中的流动，二次流现象153

3.7　射流与尾流159

3.7.1 自由射流160

3.7.2　复杂射流166

3.7.3　射流的工程应用167

3.7.4　尾流168

3.8.2　实际速度与平均速度（表观速度）169

3.8　多孔介质中的流动169

3.8.1　多孔介质结构169

3.8.3　Darcy定律170

3.9　湍流参数测量173

3.9.1　热丝（热膜）流速仪173

3.9.2　激光多普勒流速仪175

3.9.3　管流实验结果176

3.10　湍流拟序结构177

3.10.1　湍流边界层结构178

3.10.2 自由剪切流180

3.10.3　研究湍流拟序结构的意义与应用180

本章主要符号181

习题182

参考文献186

4.1.1　孔口气泡的生成188

4.1　气泡与液滴的形成188

第4章　两（多）相流动188

4.1.2　连续气体射流192

4.1.3　液体射流的不稳定性：分裂与雾化195

4.2　单一液滴／气泡运动，气泡动力学197

4.2.1　液滴／气泡运动概述197

4.2.2　低雷诺数下球形液滴的运动201

4.2.3　液体中的气泡运动206

4.3　多颗粒流动213

4.3.1　颗粒在流体中的运动214

4.3.2　密集鼓泡215

4.3.3　液滴，气泡的分裂与合并217

4.4　液膜流动221

4.4.1　液膜流动特性221

4.4.2　液膜层流运动223

4.4.3　物体从液体中抽出时表面上的滞留膜226

4.4.4　波动层流薄膜运动230

4.4.5　液膜湍流运动231

本章主要符号234

习题235

参考文献236

第5章　非牛顿流体的流变性与流动237

5.1　聚合液体的特异流动行为237

5.1.1　剪切稀化238

5.1.2　爬杆238

5.1.3　挤出胀大239

5.1.4　搅拌槽中的反向次流240

5.1.5　滑移现象240

5.1.6　添加剂减阻，汤姆斯（Toms）效应240

5.2　非牛顿流体的本构方程与物质函数241

5.2.1　假塑性流体的剪切黏度242

5.2.3　触变性245

5.2.2　黏塑性流体的剪切黏度245

5.3　假塑性流体流动247

5.4　黏塑性流体流动250

5.5　聚合液体的拉伸流动与拉伸黏度253

5.5.1　拉伸流动253

5.5.2　拉伸黏度253

5.6　黏弹性流体的流变特性与流动254

5.6.1　法向应力差255

5.6.2　黏弹性流体的动态特性，复数黏度256

5.6.3　描述弹性行为的无量纲数群258

5.6.4　马克斯威尔方程——线性黏弹性的模型258

5.7　流变测量259

5.7.1　毛细流变仪259

5.7.2　旋转流变仪261

本章主要符号263

习题263

参考文献264

第6章　计算流体力学266

6.1　流体力学主要方程与模型267

6.1.1 不可压Navier-Stokes方程267

6.1.2　涡流函数方程268

6.1.3　湍流模型268

6.2　数值计算方法272

6.2.1　微分方程的离散及求解272

6.2.2　有限差分法273

6.2.3　有限元法274

6.2.4　有限体积法276

6.3　流场数值计算的应用实例279

6.3.1 圆柱绕流279

6.3.2　非牛顿流体管流281

6.3.3　伴有化学反应的边界层流284

6.3.4　鼓泡塔中气液两相流的数值计算288

本章主要符号291

习题292

参考文献292

下篇　流体力学应用293

第7章 流体流动与传热、传质293

7.1　能量方程293

7.1.1　能量方程294

7.1.2　黏性流体中的能量耗散295

7.1.3　湍流能量方程296

7.2　扩散方程297

7.2.1　层流扩散方程298

7.2.2　湍流扩散方程298

7.3　管内传热299

7.3.1　管内层流传热300

7.3.2　管内湍流传热302

7.4　人工粗糙管内的流动与传热306

7.4.1　人工粗糙管中的湍流运动307

7.4.2　人工粗糙管中的湍流传热与温度分布310

7.5　伴有传热、传质时的绕流，传热、传质边界层312

7.5.1　传质边界层312

7.5.2　传热边界层317

7.5.3　圆柱绕流流型与传热速率321

本章主要符号321

参考文献322

第8章　流动、混合与化学反应323

8.1　流动、混合与混合机理323

8.1.1　层流中的分子扩散324

8.1.2　湍流扩散325

8.1.3　剪切分散326

8.1.4　混合效果评价328

8.2　化学反应与混合330

8.2.1　特征时间与混合效应判别331

8.2.2　混合对化学反应的影响332

8.2.3　微观混合模型334

8.2.4　撞击射流与快速混合技术335

8.3　湍流与微观混合，反应沉淀336

8.3.1 沉淀过程中不同尺度的混合337

8.3.2　混合／沉淀模型337

8.3.3　沉淀过程的CFD338

8.4　聚合与混合（一），湍流与液液分散，悬浮聚合338

8.4.1　湍流场中的液滴分散339

8.4.2　液滴合并340

8.4.3　液滴大小分布与液-液非均相聚合反应器放大341

8.5　聚合与混合（二），高黏液膜流动与混合，熔融缩聚342

8.5.1 圆盘反应器中的液体运动342

8.5.2　旋转圆盘反应器中的质量传递345

本章主要符号346

参考文献346

9.1.2　植物细胞培养液的流变性348

9.1.1　发酵液的流变性348

9.1　培养液／发酵液流变性348

第9章　生物反应器流体动力学348

9.1.3　黄原胶的流变性349

9.2　叶轮流体动力学（一）单相流体350

9.2.1　总体流动特性350

9.2.2　流型352

9.2.3　速度分布357

9.2.4　剪切速率357

9.2.5　湍流特征359

9.3　叶轮流动动力学（二）气液两相361

9.3.1　气／液两相流型361

9.3.2　气泡大小分布364

9.3.3　气含率分布367

9.4　剪切环境与生物反应367

9.4.1　剪切环境与菌体形态和代谢367

9.4.2　气泡-细胞相互作用368

本章主要符号372

参考文献373

第10章 聚合物加工中的流动与传递374

10.1　螺槽与口模中的流动374

10.1.1　螺槽中的运动375

10.1.2 口模中的熔体流动377

10.2　熔体充模流动379

10.2.1　矩形模腔中的流动379

10.2.2　径向流充模380

10.2.3　充模过程中的喷泉流382

10.3　压延辊隙间的熔体流动383

10.3.1　辊隙间流型383

10.3.2　压延等温流动384

本章主要符号386

参考文献386

附录 基本运动方程和牛顿流体应力与应变率的关系式387