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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

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