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工程流體力學(xué)(第3版)(黃衛(wèi)星)
內(nèi)容涉及流體力學(xué)基本概念、基本原理、研究方法和工程應(yīng)用四個(gè)方面。全書(shū)共12章,包括:流體的力學(xué)性質(zhì)、流體流動(dòng)的基本概念、流體靜力學(xué)、流體流動(dòng)的守恒原理、不可壓縮流體的一維層流流動(dòng)、流體流動(dòng)微分方程、理想不可壓縮流體的平面運(yùn)動(dòng)、流體流動(dòng)模型實(shí)驗(yàn)方法、不可壓縮流體管內(nèi)流動(dòng)、流體繞物流動(dòng)、可壓縮流動(dòng)基礎(chǔ)與管內(nèi)流動(dòng),過(guò)程設(shè)備內(nèi)流體的停留時(shí)間分布。
本書(shū)編者長(zhǎng)期專注過(guò)程設(shè)備流體流動(dòng)與傳遞過(guò)程的教學(xué)與科研,將流體力學(xué)基本理論與過(guò)程設(shè)備內(nèi)的流動(dòng)問(wèn)題緊密結(jié)合,內(nèi)容編排層次清晰,概念闡述直觀明確,問(wèn)題分析聯(lián)系實(shí)際;書(shū)中例題豐富,習(xí)題均由編者演算后選編或設(shè)計(jì),并附有詳盡答案及解題提示,對(duì)促進(jìn)課程的教學(xué)和各章主要知識(shí)點(diǎn)的理解與掌握有重要幫助。
前言
本書(shū)系“過(guò)程裝備與控制工程”專業(yè)核心課教材,在第2版基礎(chǔ)上總結(jié)教學(xué)經(jīng)驗(yàn)與工程實(shí)踐修訂增補(bǔ)成稿,全書(shū)12章。其中,第1~第10 章標(biāo)題與第2版基本保持一致(流體的力學(xué)性質(zhì)、流體流動(dòng)的基本概念、流體靜力學(xué)、流體流動(dòng)的守恒原理、不可壓縮流體的一維層流流動(dòng)、流體流動(dòng)微分方程、理想不可壓縮流體的平面運(yùn)動(dòng)、流體流動(dòng)模型實(shí)驗(yàn)方法、不可壓縮流體管內(nèi)流動(dòng)、流體繞物流動(dòng)),但內(nèi)容選材與編排上有不同程度的取舍和調(diào)整,系統(tǒng)性和邏輯性進(jìn)一步增強(qiáng);第11~第12章分別更換為“可壓縮流動(dòng)基礎(chǔ)與管內(nèi)流動(dòng)”和“過(guò)程設(shè)備內(nèi)流體的停留時(shí)間分布”,以適應(yīng)可壓縮流動(dòng)分析設(shè)計(jì)和過(guò)程設(shè)備創(chuàng)新開(kāi)發(fā)的需求。 與第2版相比,本版的主要變化體現(xiàn)在以下四個(gè)方面。 1.改進(jìn)各章內(nèi)容選材與展開(kāi)順序,知識(shí)的系統(tǒng)性和邏輯層次進(jìn)一步增強(qiáng)。 這一工作從重新審視各章教學(xué)內(nèi)容及展開(kāi)順序開(kāi)始,對(duì)每章基本內(nèi)容的系統(tǒng)性、展開(kāi)的邏輯順序、基本概念是否明確、主要知識(shí)點(diǎn)如何應(yīng)用、教學(xué)進(jìn)程能否順利以及與其它章節(jié)知識(shí)點(diǎn)的聯(lián)系與銜接等問(wèn)題,進(jìn)行了再次的分析與研判,由此對(duì)各章內(nèi)容選材與編排順序進(jìn)行了不同程度的取舍和調(diào)整,使各章教學(xué)內(nèi)容的系統(tǒng)性和邏輯層次進(jìn)一步增強(qiáng),并以此重新編寫(xiě)了各章引言,以引導(dǎo)讀者更清晰地把控每章內(nèi)容的展開(kāi)脈絡(luò)。 2.改進(jìn)論述分析方式,促進(jìn)學(xué)生知識(shí)應(yīng)用能力由會(huì)做習(xí)題向解決實(shí)際問(wèn)題轉(zhuǎn)變。 為達(dá)到這樣的目的,本書(shū)針對(duì)具體問(wèn)題的論述分析著重進(jìn)行了四個(gè)方面的改進(jìn)。對(duì)建立在假設(shè)條件下的問(wèn)題或結(jié)果,注重聯(lián)系實(shí)際闡明其假設(shè)的可行性和結(jié)果的適用性;對(duì)適用于同類問(wèn)題的典型方法或公式,注重通過(guò)對(duì)比分析闡明其共通性及針對(duì)性;對(duì)那些在原理解釋或應(yīng)用擴(kuò)展方面有特別意義的示例問(wèn)題,注重闡明其特定參數(shù)變化如何影響過(guò)程行為,或其結(jié)果如何推廣應(yīng)用于特定過(guò)程;對(duì)某些給定條件下的應(yīng)用問(wèn)題,注重聯(lián)系實(shí)際反問(wèn)為什么給定這樣的條件或不這樣會(huì)有什么結(jié)果。編者相信,這些改進(jìn)將對(duì)基本概念的理解、主要知識(shí)點(diǎn)的掌握和基本方法的應(yīng)用有重要促進(jìn)。 3.更換本書(shū)第2版第11、第12章,以適應(yīng)可壓縮流動(dòng)問(wèn)題分析和過(guò)程設(shè)備創(chuàng)新開(kāi)發(fā)的需求。 為適應(yīng)可壓縮流動(dòng)分析的知識(shí)需求,本書(shū)將“可壓縮流動(dòng)基礎(chǔ)與管內(nèi)流動(dòng)”納入作為第11章。該章站在過(guò)程裝備的專業(yè)角度,在闡述可壓縮流動(dòng)的必要基礎(chǔ)后,將應(yīng)用落腳于管內(nèi)流動(dòng),并聯(lián)系實(shí)際闡明了為什么變截面管中的可壓縮流動(dòng)分析要以等熵過(guò)程為條件,為什么等截面管中的可壓縮流動(dòng)要分為絕熱流動(dòng)和等溫流動(dòng)來(lái)研究,從而使該章基本理論與工程實(shí)際的聯(lián)系更為明晰。 對(duì)于過(guò)程設(shè)備的創(chuàng)新開(kāi)發(fā),實(shí)驗(yàn)是重要手段。其中關(guān)于模型實(shí)驗(yàn)的方法已在本書(shū)第8章論述。編者此次將“過(guò)程設(shè)備內(nèi)流體的停留時(shí)間分布”作為第12章納入本書(shū),是因?yàn)榱黧w停留時(shí)間分布既能反映過(guò)程設(shè)備內(nèi)部的流動(dòng)行為,又有實(shí)驗(yàn)測(cè)試相對(duì)容易的優(yōu)勢(shì),對(duì)于過(guò)程設(shè)備創(chuàng)新開(kāi)發(fā)中內(nèi)構(gòu)件形式與流動(dòng)行為關(guān)系的問(wèn)題,停留時(shí)間分布實(shí)驗(yàn)同樣是一種有效的、值得重視的研究手段。 4.例題示范性、習(xí)題多樣性、思考題引導(dǎo)性增強(qiáng)。 與第2版相比,本書(shū)在修訂完善原有例題習(xí)題基礎(chǔ)上,新增例題19例(全書(shū)89例),新增習(xí)題82題(全書(shū)216題),新增插圖64幅(全書(shū)插圖327幅),同時(shí)還重新設(shè)計(jì)了第7~第11章的全部思考題。其中:①對(duì)于例題,特別注重了改進(jìn)其提問(wèn)的目的性及范圍,闡明其結(jié)果的啟示性及應(yīng)用,以增強(qiáng)其示范性;②習(xí)題中增強(qiáng)了綜合應(yīng)用所學(xué)知識(shí)和應(yīng)用Excel計(jì)算工具解決問(wèn)題的分量,以培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用高等數(shù)學(xué)和現(xiàn)代計(jì)算工具綜合解決復(fù)雜問(wèn)題的能力;且所有習(xí)題均由編者演算后選編或設(shè)計(jì),并附有詳盡答案及解題提示,以方便課程的教學(xué)和促進(jìn)各章主要知識(shí)點(diǎn)的理解與掌握;③思考題的設(shè)計(jì)重點(diǎn)在于幫助讀者厘清各章主要脈絡(luò)及關(guān)鍵節(jié)點(diǎn),深化理解其中的核心概念或知識(shí)點(diǎn),明確其前提或應(yīng)用條件。 在課程教學(xué)上,教材基本內(nèi)容定位于工程專業(yè)本科,但亦有擴(kuò)展延伸以滿足研究生教學(xué)需要。編者對(duì)課程教學(xué)內(nèi)容安排的建議是:對(duì)于本科生,第1~第5章是基本教學(xué)內(nèi)容(約48學(xué)時(shí)),第6~第12章可供本科多學(xué)時(shí)課程選擇講授;對(duì)于研究生,第6~第10章是基本教學(xué)內(nèi)容(約48學(xué)時(shí)),第11章和第12章供選擇講授。任課教師可根據(jù)本校專業(yè)學(xué)科或研究方向特色補(bǔ)充、擴(kuò)展相關(guān)教學(xué)內(nèi)容。 本書(shū)修訂工作由黃衛(wèi)星教授負(fù)責(zé)并主要執(zhí)筆,伍勇教授、魏文韞博士、譚帥博士參與共同完成,其中也包含陳文梅教授、李建明教授、肖澤儀教授曾經(jīng)的貢獻(xiàn)。本書(shū)修訂工作得到四川大學(xué)教務(wù)處的大力支持和四川大學(xué)化工學(xué)院“多相流設(shè)備與安全工程”團(tuán)隊(duì)研究生同學(xué)的大力協(xié)助,在此一并致謝。 在本書(shū)第3版即將出版之際,編者誠(chéng)摯感謝兄弟院校的專家教授和任課教師對(duì)本教材的選用、褒獎(jiǎng)以及所提出的寶貴意見(jiàn),并希望對(duì)本書(shū)新版中的缺點(diǎn)、錯(cuò)誤與不足繼續(xù)予以指正。 編者 2017年7月 第1版前言 流體力學(xué)是研究流體受力及其宏觀運(yùn)動(dòng)規(guī)律的一門(mén)學(xué)科,既有基礎(chǔ)學(xué)科的性質(zhì),又有鮮明的應(yīng)用學(xué)科特點(diǎn),而工程流體力學(xué)則更側(cè)重于后者。 作為“過(guò)程裝備與控制工程”專業(yè)的核心課程之一,“工程流體力學(xué)”課程的任務(wù)是使學(xué)生掌握流體力學(xué)的基本原理、基本方法及其在工程實(shí)際問(wèn)題中的應(yīng)用,從而為分析研究過(guò)程裝備中的流體流動(dòng)規(guī)律及其相關(guān)傳遞過(guò)程,以及為設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)新型高效的過(guò)程裝備奠定必備的基礎(chǔ)。 本書(shū)根據(jù)全國(guó)高等學(xué)校“過(guò)程裝備與控制工程”專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)組審定的“工程流體力學(xué)”教材大綱編寫(xiě),以體現(xiàn)流體力學(xué)學(xué)科體系、突出專業(yè)應(yīng)用背景、適應(yīng)教學(xué)規(guī)律為基本原則,內(nèi)容包括流體力學(xué)基本概念、基本原理、研究方法和工程應(yīng)用四個(gè)方面,共12章。 第1、第2章分別介紹流體的力學(xué)性質(zhì)及其運(yùn)動(dòng)學(xué)基本概念,是工程流體力學(xué)課程必要的預(yù)備性知識(shí)。 第3~第7章為流體力學(xué)基本原理及分析方法。其中,第3章重點(diǎn)講述靜止條件下的流體受力、流體靜力學(xué)方程及靜止流場(chǎng)特性,該章知識(shí)內(nèi)容既可直接應(yīng)用于工程實(shí)際,也是后續(xù)動(dòng)力學(xué)問(wèn)題中流體受力分析的基礎(chǔ)。第4章是以控制體方法分析研究流體流動(dòng)過(guò)程中遵循質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒和能量守恒原理所表現(xiàn)出來(lái)的總體特性,所建立的積分方程是分析化工流動(dòng)系統(tǒng)物料平衡、設(shè)備受力和能量轉(zhuǎn)換的重要工具。第5章則主要以工程實(shí)際中典型的一維流動(dòng)為對(duì)象,闡述將動(dòng)量定律應(yīng)用于流體微元從而建立流動(dòng)微分方程,并由此求解流場(chǎng)內(nèi)切應(yīng)力和速度分布的基本方法與過(guò)程;在此基礎(chǔ)上,第6章將對(duì)一維流動(dòng)分析方法加以推廣和普遍化,建立三維條件下流體運(yùn)動(dòng)的基本微分方程——連續(xù)性方程和Navier-Stokes方程。采取由淺入深、由簡(jiǎn)到繁的方式編排第5、第6章,是希望有助于理解和掌握Navier-Stokes方程這一流體力學(xué)主干方程的物理意義和實(shí)際應(yīng)用。第7章屬流體運(yùn)動(dòng)學(xué)范疇,主要講述流體微團(tuán)基本運(yùn)動(dòng)、勢(shì)流理論以及求解不可壓縮旋流場(chǎng)的基本方法。 第8章和第12章分別為流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)研究方法和數(shù)值模擬方法。其中,第8章重點(diǎn)講述了模型實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)——相似原理,以及建立相似準(zhǔn)則的方法和工程模型研究方法,并簡(jiǎn)要介紹了流場(chǎng)測(cè)試技術(shù)。第12章則以彎曲管道中層流流動(dòng)的數(shù)值模擬過(guò)程為主線,系統(tǒng)介紹了對(duì)二維及軸對(duì)稱流動(dòng)問(wèn)題數(shù)值求解行之有效的渦量流函數(shù)法;并同時(shí)對(duì)模型方程的建立、離散及求解方法等作了適當(dāng)?shù)臄U(kuò)展介紹,以希望對(duì)感興趣的讀者起到入門(mén)引導(dǎo)作用。 第9~第11章主要為流體力學(xué)基本原理和方法的綜合應(yīng)用。其中,第9章和第10章分別為管內(nèi)流動(dòng)問(wèn)題和流體繞物流動(dòng)分析,這兩章中關(guān)于速度分布和流體阻力的半經(jīng)驗(yàn)公式及其實(shí)驗(yàn)結(jié)果等不僅在工程實(shí)際中得到廣泛應(yīng)用,而且其中的湍流半經(jīng)驗(yàn)理論、Prandtl邊界層理論等本身亦屬于流體力學(xué)經(jīng)典知識(shí)的范疇。第11章以過(guò)程裝備為對(duì)象,分別介紹葉輪機(jī)械、旋流器、過(guò)濾機(jī)及離心機(jī)中的流體流動(dòng)及其相關(guān)問(wèn)題,本章教學(xué)可考慮采取專題講座形式進(jìn)行,因此,教師有必要根據(jù)自身科研特點(diǎn)和新的研究成果選講、補(bǔ)充或替換本章內(nèi)容。 本書(shū)編寫(xiě)過(guò)程中,綜合參考了傳統(tǒng)工程流體力學(xué)教材和化工傳遞過(guò)程教材的內(nèi)容組織和編寫(xiě)特點(diǎn),結(jié)合了編者近年來(lái)的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)和研究實(shí)踐,力求內(nèi)容編排層次清楚,概念闡述直觀明確,同時(shí)以較多例題說(shuō)明基本原理和方法的應(yīng)用。此外,書(shū)中各章均選擇編入了一定的習(xí)題和/或思考題,并附有習(xí)題答案或解題難點(diǎn)提示,以有利于教學(xué)和各章基本內(nèi)容的理解與掌握。 本書(shū)基本內(nèi)容定位于工程專業(yè)本科,但亦有擴(kuò)展以兼顧研究生教學(xué)需要。對(duì)于本科學(xué)生,第1~第5章可作為基本教學(xué)內(nèi)容,第6~第10章可根據(jù)學(xué)時(shí)多少選擇講解或介紹;第6~第10章的深入講解及最后兩章可作為研究生基本教學(xué)內(nèi)容。本書(shū)主要為“過(guò)程裝備與控制工程”專業(yè)教材,也可供高等學(xué);ぁ⑤p工、機(jī)械、能源及相關(guān)專業(yè)作為教材或教學(xué)參考書(shū)選用,并可供相關(guān)專業(yè)科研和工程技術(shù)人員參考。 本書(shū)由黃衛(wèi)星教授、陳文梅教授主編,潘永密教授主審,董其伍教授審定。其中第1~第3章、第11章由肖澤儀教授編寫(xiě),第7~第10章由李建明教授編寫(xiě)。黃衛(wèi)星教授編寫(xiě)第4~第6章及第12章,并負(fù)責(zé)全書(shū)統(tǒng)稿。編者特此感謝四川大學(xué)教務(wù)處對(duì)本書(shū)編寫(xiě)工作的大力支持。 敬請(qǐng)國(guó)內(nèi)同行專家與讀者對(duì)本書(shū)缺點(diǎn)和錯(cuò)誤批評(píng)指正。 編者 2001年3月 第2版前言 本書(shū)系普通高等教育“十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材,在“過(guò)程裝備與控制工程”專業(yè)核心課程教材《工程流體力學(xué)》(第1版)基礎(chǔ)上修訂成稿。全書(shū)分為12章,包括: 1. 流體的力學(xué)性質(zhì) 7.理想不可壓縮流體的平面運(yùn)動(dòng) 2.流體流動(dòng)的基本概念 8.流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)研究方法 3.流體靜力學(xué) 9.管內(nèi)流體流動(dòng) 4.流體流動(dòng)的守恒原理 10.流體繞物流動(dòng) 5.不可壓縮流體的一維層流流動(dòng) 11.化工機(jī)械中的典型流動(dòng)分析 6.流體流動(dòng)微分方程 12.流體流動(dòng)數(shù)值模擬 其中,除第2章由原來(lái)的“流體運(yùn)動(dòng)學(xué)基本概念”擴(kuò)展為“流體流動(dòng)的基本概念”外,全書(shū)章數(shù)和各章標(biāo)題保持均與第1版一致;但對(duì)各章內(nèi)容均作了不同程度的刪減和增補(bǔ),各章內(nèi)容的編排也作了不同程度的調(diào)整,其主要變化體現(xiàn)在以下三個(gè)方面。 1.按知識(shí)的邏輯與層次關(guān)系編排教材內(nèi)容,以便于課程的教學(xué)和知識(shí)的掌握。本書(shū)此次修訂中,全書(shū)章節(jié)及各章內(nèi)容的編排總體以“基本概念+理論與方法+實(shí)際應(yīng)用”的路線為原則,而各章中具體每一節(jié)的編排又以同屬性知識(shí)點(diǎn)按層次相對(duì)集中為原則,通過(guò)對(duì)第1版教材的審讀和教學(xué)實(shí)踐總結(jié),對(duì)各章內(nèi)容的編排作了不同程度的調(diào)整。茲舉例說(shuō)明如下。 比如,關(guān)于全書(shū)層面上的基本概念問(wèn)題,第1版是以“流體的力學(xué)性質(zhì)”和“運(yùn)動(dòng)學(xué)基本概念”兩章來(lái)體現(xiàn)的,這也是傳統(tǒng)工程流體力學(xué)教材常用的編排方式;但從工程流體力學(xué)的主要章節(jié)知識(shí)和工程實(shí)際應(yīng)用的角度看,動(dòng)力學(xué)疑是核心內(nèi)容,像流動(dòng)的起因(推動(dòng)力)、流動(dòng)的基本形態(tài)(層流與湍流)、流場(chǎng)邊界的影響(流動(dòng)阻力與阻力系數(shù))這些貫穿于動(dòng)力學(xué)各章的基本概念,顯然屬于全書(shū)層面上的基本概念,放在其他知識(shí)章節(jié)邏輯上都是不平行的。為此,本次修訂中,在完善運(yùn)動(dòng)學(xué)基本概念的同時(shí),將動(dòng)力學(xué)有關(guān)基本概念也一并納入第2章,將該章擴(kuò)展為“流體流動(dòng)的基本概念”,從而與第1章一起,構(gòu)成后續(xù)各章共同的基礎(chǔ)平臺(tái)。 又比如,關(guān)于具體各章的內(nèi)容編排,本次修訂中重點(diǎn)針對(duì)概念的提出與基本理論闡述相互穿插(想到哪兒說(shuō)到哪兒),導(dǎo)致基本概念定義模糊、章節(jié)內(nèi)容層次不清的問(wèn)題,以及基本理論落腳到實(shí)際應(yīng)用相對(duì)薄弱的問(wèn)題,對(duì)相關(guān)各章的內(nèi)容編排進(jìn)行了較大的調(diào)整,將各章專屬通用概念集中系統(tǒng)闡述,并增補(bǔ)實(shí)際應(yīng)用問(wèn)題分析作為理論與方法的落腳點(diǎn),從而使各章內(nèi)容展現(xiàn)出“基本概念+理論與方法+實(shí)際應(yīng)用”的明確路線。其次,本次修訂中對(duì)于各章節(jié)某一具體知識(shí)點(diǎn)的闡述也盡量將與之相聯(lián)系的概念集中分層闡述,以達(dá)提綱挈領(lǐng)之效。例如,對(duì)于第1章中流體黏滯性的闡述,通常主要集中于牛頓剪切定律和黏性系數(shù)的描述,而本次修訂中則從流體黏滯性的現(xiàn)象、本質(zhì)、數(shù)學(xué)描述、黏性系數(shù)變化行為、黏滯性概念的引申與應(yīng)用等方面,將其簡(jiǎn)要?dú)w納為內(nèi)摩擦力、分子動(dòng)量擴(kuò)散、牛頓剪切定律、動(dòng)力黏度及其溫度變化行為和經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式、運(yùn)動(dòng)黏度、流體流動(dòng)的滑移固壁邊界條件、理想流體概念共7個(gè)要點(diǎn)加以分層論述,這顯然更有助于基本概念的系統(tǒng)掌握;本次修訂中對(duì)細(xì)節(jié)內(nèi)容的類似整合見(jiàn)諸于不少章節(jié),此處不再贅述。 2.加強(qiáng)基本理論與方法的應(yīng)用分析,促進(jìn)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際能力的培養(yǎng)。工程流體力學(xué)區(qū)別于理論流體力學(xué)在于它側(cè)重工程實(shí)際應(yīng)用;工程流體力學(xué)作為過(guò)程裝備與控制工程專業(yè)的核心課程,目的也是使學(xué)生掌握流體力學(xué)的基本原理與分析方法,以解決生產(chǎn)實(shí)際中和過(guò)程裝備設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)中相關(guān)的流體流動(dòng)問(wèn)題。為此,本次修訂中增補(bǔ)了相當(dāng)篇幅的內(nèi)容以落實(shí)和加強(qiáng)基本理論和方法的實(shí)際應(yīng)用。比如,第3章中增補(bǔ)的靜壓測(cè)試原理和物體表面受力分析,第4章中增補(bǔ)的運(yùn)動(dòng)流體的能量以及守恒方程綜合應(yīng)用分析專節(jié),第8章中增補(bǔ)的模型研究應(yīng)用舉例,第9章中增補(bǔ)的圓管流動(dòng)阻力損失專節(jié)等。 3.與第1版相比,本次修訂在完善更新原有例題習(xí)題基礎(chǔ)上,新增例題34例,新增習(xí)題54題,新增插圖100余幅。其中,新增例題主要集中于基本教學(xué)內(nèi)容第1~第5章,以及第1版中例題較少的第7~第10章;新增習(xí)題和新增插圖主要集中于基本教學(xué)內(nèi)容第1~第5章;新增例題習(xí)題的選編均針對(duì)相應(yīng)各章主要知識(shí)點(diǎn)和基本概念設(shè)計(jì),而且對(duì)各章所有習(xí)題都進(jìn)行了仔細(xì)驗(yàn)算,并在書(shū)末給出了習(xí)題答案及解題要點(diǎn)提示。 編者希望修訂工作中所做出的上述努力,能有助于本書(shū)整體質(zhì)量的提高,有利于課程的教學(xué)和知識(shí)的掌握。使之在作為“過(guò)程裝備與控制工程”及相關(guān)專業(yè)“工程流體力學(xué)”課程教材的同時(shí),亦對(duì)化工機(jī)械及相關(guān)專業(yè)的科研和工程技術(shù)人員有實(shí)際參考價(jià)值。 本書(shū)課程教學(xué)內(nèi)容定位與第1版一致,基本內(nèi)容定位于工程專業(yè)本科,但亦有擴(kuò)展以兼顧研究生教學(xué)需要。其中,我們對(duì)課程教學(xué)內(nèi)容安排的建議是:(1)對(duì)于本科生,第1章~第5章是基本教學(xué)內(nèi)容,其中第3章和第4章是重點(diǎn),第6章~第10章可供本科多學(xué)時(shí)課程選擇講授;(2)對(duì)于研究生,第6章至第10章是基本教學(xué)內(nèi)容,第11章和第12章供選擇講授。任課教師可根據(jù)本校專業(yè)學(xué)科或研究方向特色補(bǔ)充擴(kuò)展相關(guān)教學(xué)內(nèi)容。 本書(shū)修訂工作由黃衛(wèi)星教授負(fù)責(zé)并主要執(zhí)筆,李建明教授、肖澤儀教授參與共同完成。修訂工作中,李海龍、朱麗、岳蓮、蘇丹等研究生同學(xué)協(xié)助完成了插圖繪制、習(xí)題編輯與演算和文稿校對(duì),四川大學(xué)教務(wù)處對(duì)本書(shū)編寫(xiě)工作給予了大力支持,在此一并感謝。 在本書(shū)第2版即將出版之際,編者衷心感謝兄弟院校的教授、老師們對(duì)本教材的選用、褒獎(jiǎng)以及在教學(xué)實(shí)踐中對(duì)本教材提出的寶貴意見(jiàn),并希望對(duì)本書(shū)缺點(diǎn)和錯(cuò)誤繼續(xù)批評(píng)指正。 編者 2008年10月
黃衛(wèi)星,四川大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院,教育部高!斑^(guò)程裝備與控制工程” 專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)委員,副院長(zhǎng) 博士生導(dǎo)師 教授,主要教學(xué)經(jīng)歷(授課名稱、起止時(shí)間、授課對(duì)象、授課學(xué)時(shí)、所在單位等)
《工程流體力學(xué)》,2000-05(每年上學(xué)期),本科,34/51學(xué)時(shí),四川大學(xué) 《工程傳熱學(xué)》,2003-05(每年上學(xué)期),過(guò)控、熱能專業(yè)本科,34學(xué)時(shí),四川大學(xué) 《過(guò)程設(shè)備設(shè)計(jì)》,2002-05(每年下學(xué)期),本科,85學(xué)時(shí),四川大學(xué) 《化工傳遞過(guò)程》,1996-05,(每年下學(xué)期),碩士研究生,60學(xué)時(shí),四川大學(xué) 《兩相流理論》,2000-02,博士研究生,40學(xué)時(shí),四川大學(xué) 《傳質(zhì)理論與模型》,2004-05,博士研究生,40學(xué)時(shí),四川大學(xué) 培養(yǎng)指導(dǎo)研究生:畢業(yè)碩博士研究生17人,目前在讀博士生4人,碩士生10人 教學(xué)研究與獲獎(jiǎng): 1.產(chǎn)學(xué)研結(jié)合化工類人才教育新模式的實(shí)踐,2000年四川省優(yōu) 秀教學(xué)成果一等獎(jiǎng) 2.按學(xué)科群建設(shè)工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)中心的新模式,2004年四川大學(xué)優(yōu) 秀教學(xué)成果二等獎(jiǎng) 3.化機(jī)專業(yè)轉(zhuǎn)型教學(xué)體系改革與教材建設(shè),2000年四川大學(xué)優(yōu) 秀教學(xué)成果二等獎(jiǎng) 科學(xué)研究: 主要研究方向:多相流技術(shù)與設(shè)備,過(guò)程裝備流體力學(xué)與傳遞過(guò)程;近5年在國(guó)內(nèi)外重要學(xué)術(shù)刊物發(fā)表論文60余篇,SCI、EI收錄23篇;承擔(dān)的主要科研項(xiàng)目有: 1.循環(huán)流化床反應(yīng)器研究,國(guó)家自然科學(xué)基金-杰出青年基金B(yǎng) (No.29928005) ,結(jié)題 2.水力旋流器能耗機(jī)制研究,教委博士點(diǎn)基金,結(jié)題 3.循環(huán)床反應(yīng)器氣固兩相流動(dòng)力學(xué)非線性分析,四川省學(xué)術(shù)帶頭人培養(yǎng)基金(2200313) ,結(jié)題 4.磷酸二銨尾氣凈化聯(lián)產(chǎn)磷酸一銨的清潔工藝,國(guó)家“863”計(jì)劃項(xiàng)目(2002AA647020),在研 5.新型硅橡膠膜生物反應(yīng)器連續(xù)發(fā)酵動(dòng)力學(xué)研究,國(guó)家自然科學(xué)基金(No20276041) ,在研 6.氣固上行兩相流的局部結(jié)構(gòu)及能耗機(jī)制,高速水力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金(03-01),在研 7.磷肥清潔工藝中試及裝備開(kāi)發(fā),國(guó)家863計(jì)劃項(xiàng)目(2003AA647040) ,在研 8.超重力技術(shù)應(yīng)研究與裝備開(kāi)發(fā),重慶江北機(jī)器廠(04H512)
第1章流體的力學(xué)性質(zhì)1
1.1流體的連續(xù)介質(zhì)模型1
1.1.1流體質(zhì)點(diǎn)的概念1
1.1.2流體連續(xù)介質(zhì)模型2
1.2流體的力學(xué)特性2
1.2.1流動(dòng)性3
1.2.2可壓縮性3
1.2.3黏滯性4
1.2.4表面張力特性8
1.3牛頓流體和非牛頓流體12
1.3.1牛頓流體與非牛頓流體12
1.3.2非牛頓流體及其黏度特性12
習(xí)題13
第2章流體流動(dòng)的基本概念17
2.1流場(chǎng)及流動(dòng)分類17
2.1.1流場(chǎng)的概念17
2.1.2流動(dòng)分類17
2.2描述流體運(yùn)動(dòng)的兩種方法19
2.2.1拉格朗日法19
2.2.2歐拉法20
2.2.3兩種方法的關(guān)系20
2.2.4質(zhì)點(diǎn)導(dǎo)數(shù)21
2.3跡線和流線24
2.3.1跡線24
2.3.2流線24
2.3.3流管與管流連續(xù)性方程26
2.4流體的運(yùn)動(dòng)與變形27
2.4.1微元流體線的變形速率27
2.4.2微元流體團(tuán)的變形速率29
2.4.3有旋流動(dòng)與旋流動(dòng)30
2.5流體的流動(dòng)與阻力32
2.5.1流體流動(dòng)的推動(dòng)力32
2.5.2層流與湍流32
2.5.3固壁邊界對(duì)流動(dòng)的影響34
2.5.4流動(dòng)阻力與阻力系數(shù)36
習(xí)題39
第3章流體靜力學(xué)42
3.1作用在流體上的力42
3.1.1質(zhì)量力42
3.1.2表面力——應(yīng)力與壓力43
3.1.3靜止流場(chǎng)中的表面力43
3.1.4壓力的表示方法及單位44
3.2流體靜力學(xué)基本方程45
3.2.1流體靜力平衡方程45
3.2.2靜止流場(chǎng)的壓力微分方程46
3.3重力場(chǎng)液體靜力學(xué)47
3.3.1重力場(chǎng)中靜止液體的壓力分布48
3.3.2U形管測(cè)壓原理48
3.3.3靜止液體中固體壁面的受力50
3.3.4靜止液體中物體的浮力與浮力矩55
3.4非慣性坐標(biāo)系液體靜力學(xué)57
3.4.1重力場(chǎng)非慣性坐標(biāo)系中的質(zhì)量力57
3.4.2直線勻加速運(yùn)動(dòng)中的靜止液體58
3.4.3勻速旋轉(zhuǎn)容器中的靜止液體59
3.4.4高速回轉(zhuǎn)圓筒內(nèi)液體的壓力分布62
習(xí)題63
第4章流體流動(dòng)的守恒原理68
4.1概述68
4.1.1系統(tǒng)與控制體68
4.1.2守恒定律與輸運(yùn)公式69
4.2質(zhì)量守恒方程70
4.2.1控制面上的質(zhì)量流量70
4.2.2控制體質(zhì)量守恒方程71
4.2.3多組分系統(tǒng)的質(zhì)量守恒方程73
4.3動(dòng)量守恒方程75
4.3.1控制體動(dòng)量守恒方程75
4.3.2以平均速度表示的動(dòng)量方程76
4.4動(dòng)量矩守恒方程80
4.4.1控制體動(dòng)量矩守恒方程80
4.4.2穩(wěn)態(tài)平面系統(tǒng)的動(dòng)量矩方程81
4.5能量守恒方程85
4.5.1運(yùn)動(dòng)流體的能量85
4.5.2控制體能量守恒方程88
4.5.3化工流動(dòng)系統(tǒng)的能量方程90
4.5.4機(jī)械能守恒方程——伯努利方程93
4.6守恒方程綜合應(yīng)用分析98
4.6.1小孔流動(dòng)問(wèn)題98
4.6.2管流中的液體汽化問(wèn)題101
4.6.3駐點(diǎn)壓力與皮托管測(cè)速102
4.6.4管道局部阻力問(wèn)題104
習(xí)題108
第5章不可壓縮流體的一維層流流動(dòng)117
5.1概述117
5.1.1建立流動(dòng)微分方程的基本方法117
5.1.2不可壓縮一維穩(wěn)態(tài)層流及其特點(diǎn)118
5.1.3常見(jiàn)邊界條件120
5.2狹縫流動(dòng)分析120
5.2.1平壁層流的微分方程121
5.2.2典型狹縫流動(dòng)問(wèn)題分析123
5.3管內(nèi)流動(dòng)分析126
5.3.1管狀層流的微分方程126
5.3.2圓管及圓形套管內(nèi)的層流流動(dòng)128
5.4降膜流動(dòng)分析132
5.4.1傾斜平壁上充分發(fā)展的降膜流動(dòng)132
5.4.2豎直圓管外壁的降膜流動(dòng)134
5.4.3變厚度降膜流動(dòng)問(wèn)題分析135
習(xí)題137
第6章流體流動(dòng)微分方程141
6.1連續(xù)性方程141
6.1.1直角坐標(biāo)系中的連續(xù)性方程141
6.1.2柱坐標(biāo)和球坐標(biāo)系中的連續(xù)性方程142
6.2以應(yīng)力表示的運(yùn)動(dòng)方程143
6.2.1作用于微元體上的力143
6.2.2動(dòng)量流量及動(dòng)量變化率145
6.2.3以應(yīng)力表示的運(yùn)動(dòng)方程146
6.3黏性流體運(yùn)動(dòng)微分方程147
6.3.1牛頓流體的本構(gòu)方程147
6.3.2流體運(yùn)動(dòng)微分方程——Navier-Stokes方程149
6.3.3柱坐標(biāo)和球坐標(biāo)系中的N-S方程151
6.4流體流動(dòng)微分方程的應(yīng)用153
6.4.1N-S方程應(yīng)用概述153
6.4.2N-S方程應(yīng)用舉例153
習(xí)題160
第7章理想不可壓縮流體的平面運(yùn)動(dòng)163
7.1流體平面運(yùn)動(dòng)的速度分解163
7.2有旋流場(chǎng)與旋流場(chǎng)164
7.2.1速度環(huán)量與線流量164
7.2.2有旋流場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)特性165
7.2.3旋流場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)特性167
7.3不可壓縮平面流動(dòng)的流函數(shù)168
7.4理想不可壓縮平面勢(shì)流及分析方法170
7.4.1不可壓縮平面勢(shì)流基本特性170
7.4.2拉普拉斯方程和全微分方程172
7.4.3理想不可壓縮平面勢(shì)流的伯努利方程173
7.5理想不可壓縮平面勢(shì)流典型問(wèn)題173
7.5.1平行直線等速流動(dòng)174
7.5.2點(diǎn)源與點(diǎn)匯流動(dòng)174
7.5.3點(diǎn)渦流動(dòng)175
7.5.4角形區(qū)域內(nèi)的流動(dòng)176
7.5.5復(fù)合流動(dòng)177
7.5.6理想流體繞固定圓柱體的流動(dòng)180
7.5.7理想流體繞轉(zhuǎn)動(dòng)圓柱體的流動(dòng)182
習(xí)題184
思考題185
第8章流體流動(dòng)模型實(shí)驗(yàn)方法186
8.1流動(dòng)相似原理186
8.1.1幾何相似186
8.1.2運(yùn)動(dòng)相似187
8.1.3動(dòng)力相似187
8.2相似準(zhǔn)則及其分析方法187
8.2.1微分方程分析法——N-S方程的相似分析188
8.2.2相似數(shù)的物理意義及典型應(yīng)用條件189
8.2.3相似準(zhǔn)則在模型實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用191
8.2.4量綱分析法194
8.3模型實(shí)驗(yàn)198
8.3.1模型實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)199
8.3.2模型實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)應(yīng)用舉例199
8.3.3實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的整理及應(yīng)用說(shuō)明206
習(xí)題207
思考題209
第9章不可壓縮流體管內(nèi)流動(dòng)210
9.1層流與湍流210
9.1.1雷諾實(shí)驗(yàn)210
9.1.2圓管內(nèi)充分發(fā)展的層流流動(dòng)211
9.1.3湍流及其基本特性212
9.1.4湍流理論簡(jiǎn)介213
9.2湍流的半經(jīng)驗(yàn)理論214
9.2.1雷諾方程214
9.2.2湍流假說(shuō)——普朗特混合長(zhǎng)度理論216
9.2.3通用速度分布——壁面律217
9.3圓管內(nèi)充分發(fā)展的湍流流動(dòng)219
9.3.1光滑管內(nèi)的湍流速度分布與切應(yīng)力219
9.3.2粗糙管內(nèi)的湍流速度分布220
9.4圓管內(nèi)流動(dòng)的阻力損失221
9.4.1圓管阻力損失與阻力系數(shù)定義221
9.4.2光滑圓管的阻力系數(shù)222
9.4.3粗糙圓管的阻力系數(shù)223
9.4.4局部阻力系數(shù)226
9.5圓管進(jìn)口段流動(dòng)分析229
9.5.1進(jìn)口段流動(dòng)狀態(tài)與進(jìn)口段長(zhǎng)度229
9.5.2進(jìn)口段阻力230
9.6非圓形截面管內(nèi)的流體流動(dòng)230
9.7彎曲管道內(nèi)的流體流動(dòng)233
9.7.1彎曲管道內(nèi)的流動(dòng)特點(diǎn)233
9.7.2彎曲管道的阻力系數(shù)234
習(xí)題235
思考題236
第10章流體繞物流動(dòng)238
10.1邊界層基本概念238
10.1.1邊界層理論238
10.1.2邊界層的厚度與流態(tài)238
10.1.3平壁表面摩擦阻力與摩擦阻力系數(shù)240
10.2平壁邊界層流動(dòng)241
10.2.1普朗特邊界層方程241
10.2.2平壁層流邊界層的精確解242
10.2.3馮·卡門(mén)邊界層動(dòng)量積分方程245
10.2.4平壁層流邊界層的近似解246
10.2.5平壁湍流邊界層的近似解248
10.3邊界層分離及繞流總阻力252
10.3.1邊界層分離現(xiàn)象252
10.3.2繞流總阻力253
10.4繞圓柱體的流動(dòng)分析255
10.4.1繞圓柱體的流動(dòng)256
10.4.2圓柱繞流總阻力257
10.5繞球體的流動(dòng)分析258
10.5.1繞球體的流動(dòng)258
10.5.2球體繞流總阻力258
10.5.3顆粒的沉降速度259
習(xí)題261
思考題262
第11章可壓縮流動(dòng)基礎(chǔ)與管內(nèi)流動(dòng)263
11.1可壓縮流動(dòng)基本過(guò)程與方程263
11.1.1熱力學(xué)基本過(guò)程263
11.1.2熱力學(xué)基本方程263
11.1.3質(zhì)量及能量守恒方程264
11.2聲波傳播速度及馬赫數(shù)265
11.2.1小擾動(dòng)壓力波(聲波)的傳播速度265
11.2.2聲速與馬赫數(shù)267
11.3滯止?fàn)顟B(tài)及參數(shù)268
11.3.1滯止?fàn)顟B(tài)268
11.3.2滯止溫度268
11.3.3滯止壓力與滯止密度269
11.4正激波及其前后參數(shù)的變化270
11.4.1激波及其形成過(guò)程270
11.4.2正激波前后參數(shù)的變化271
11.5變截面管道內(nèi)可壓縮流體的等熵流動(dòng)273
11.5.1速度與管道截面變化的關(guān)系273
11.5.2臨界狀態(tài)及參數(shù)275
11.5.3拉伐爾噴管276
11.5.4漸縮管內(nèi)的等熵流動(dòng)281
11.6等截面管道內(nèi)可壓縮流體的摩擦流動(dòng)282
11.6.1有摩擦的絕熱流動(dòng)282
11.6.2有摩擦的等溫流動(dòng)288
11.7可壓縮流體的速度與流量測(cè)試289
11.7.1亞聲速氣流中的皮托管289
11.7.2超聲速氣流中的皮托管290
11.7.3可壓縮流動(dòng)流量測(cè)量291
習(xí)題291
思考題294
第12章過(guò)程設(shè)備內(nèi)流體的停留時(shí)間分布295
12.1停留時(shí)間的基本概念與關(guān)系295
12.1.1返混與停留時(shí)間分布295
12.1.2流體停留時(shí)間與進(jìn)口時(shí)間的關(guān)系296
12.2停留時(shí)間分布函數(shù)及密度函數(shù)297
12.2.1停留時(shí)間分布函數(shù)F(t)297
12.2.2停留時(shí)間分布密度函數(shù)E(t)298
12.2.3分布函數(shù)F(t)與密度函數(shù)E(t)的應(yīng)用298
12.2.4內(nèi)部年齡密度函數(shù)I(t)及其與F(t)、E(t)的關(guān)系301
12.2.5因次停留時(shí)間函數(shù)302
12.3停留時(shí)間分布的測(cè)量及其數(shù)字特征303
12.3.1脈沖示蹤法 (pulse signal)303
12.3.2階躍示蹤法 (step change)304
12.3.3停留時(shí)間分布的數(shù)字特征305
12.4幾種典型的停留時(shí)間分布模型306
12.4.1平推流模型 (plug flow)306
12.4.2全混流模型 (perfect mixing)307
12.4.3多釜串聯(lián)模型308
12.4.4軸向擴(kuò)散模型310
12.5停留時(shí)間分布曲線的應(yīng)用312
12.5.1設(shè)備內(nèi)流動(dòng)情況的定性推斷312
12.5.2設(shè)備內(nèi)流動(dòng)情況的定量分析312
12.5.3流動(dòng)模型的模型參數(shù)求取313
習(xí)題314
附錄318
附錄A矢量與場(chǎng)論的基本定義和公式318
附錄B流體力學(xué)常見(jiàn)物理量量綱、單位換算及特征數(shù)321
附錄C流體的物性參數(shù)323
附錄D習(xí)題參考答案326
參考文獻(xiàn)336
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