流體力學(xué)（第三版）

第1章 緒論

1．1 作用在流體上的力

1．2 流體的主要力學(xué)性質(zhì)

1．3 流體的力學(xué)模型

本章小結(jié)

習(xí)題

第2章 流體靜力學(xué)

2．1 流體靜壓強(qiáng)及其特性

2．2 流體靜壓強(qiáng)的分布規(guī)律

2．3 壓強(qiáng)的計(jì)算基準(zhǔn)和量度單位

2．4 液柱測壓計(jì)

2．5 作用于平面的液體壓力

2．6 作用于曲面的液體壓力

2．7 流體平衡微分方程

2．8 液體的相對平衡

本章小結(jié)

習(xí)題

第3章 一元流體動力學(xué)基礎(chǔ)

3．1 描述流體運(yùn)動的兩種方法

3．2 恒定流動和非恒定流動

3．3 流線和跡線

3．4 一元流動模型

3．5 連續(xù)性方程

3．6 恒定元流能量方程

3．7 過流斷面的壓強(qiáng)分布

3．8 恒定總流能量方程式

3．9 能量方程的應(yīng)用

3．1 0總水頭線和測壓管水頭線

3．1 1恒定氣流能量方程式

3．1 2總壓線和全壓線

3．1 3恒定流動量方程

本章小結(jié)

習(xí)題

第4章 流動阻力和能量損失

4．1 沿程損失和局部損失

4．2 層流與紊流、雷諾數(shù)

4．3 圓管中的層流運(yùn)動

4．4 紊流運(yùn)動的特征和紊流阻力

4．5 尼古拉茲實(shí)驗(yàn)

4．6 工業(yè)管道紊流阻力系數(shù)的計(jì)算公式

4．7 非圓管的沿程損失

4．8 管道流動的局部損失

本章小結(jié)

習(xí)題

第5章 孔口管嘴管路流動

5．1 孔口自由出流

5．2 孔口淹沒出流

5．3 管嘴出流

5．4 簡單管路

5．5 管路的串聯(lián)與并聯(lián)

5．6 管網(wǎng)計(jì)算基礎(chǔ)

5．7 有壓管中的水擊

本章小結(jié)

習(xí)題

第6章 氣體射流

6．1 無限空間淹沒紊流射流的特征

6．2 圓斷面射流的運(yùn)動分析

6．3 平面射流

6．4 溫差或濃差射流

6．5 有限空間射流

本章小結(jié)

習(xí)題

第7章 不可壓縮流體動力學(xué)基礎(chǔ)

7．1 流體微團(tuán)運(yùn)動的分析

7．2 應(yīng)力和變形速度的關(guān)系

7．3 不可壓縮流體連續(xù)性微分方程

7．4 不可壓縮流體運(yùn)動微分方程

7．5 流體流動的初始條件和邊界條件

7．6 不可壓縮黏性流體紊流運(yùn)動的基本方程及封閉條件

本章小結(jié)

習(xí)題

第8章 流體運(yùn)動基本方程的求解

8．1 無旋流動

8．2 平面無旋流動

8．3 繞流運(yùn)動與附面層

8．4 繞流阻力和升力

8．5 層流解析解舉例

8．6 數(shù)值求解方法簡介

本章小結(jié)

習(xí)題

第9章 一元?dú)怏w動力學(xué)基礎(chǔ)

9．1 理想氣體一元恒定流動的運(yùn)動方程

9．2 聲速、滯止參數(shù)、馬赫數(shù)

9．3 氣體一元恒定流動的連續(xù)性方程

9．4 等溫管路中的流動

9．5 絕熱管路中的流動

本章小結(jié)

習(xí)題

第10章 明渠流動與滲流

10．1 明渠均勻流

10．2 明渠流動狀態(tài)

10．3 水躍和水跌

10．4 棱柱形渠道非均勻漸變流水面曲線的分析

10．5 滲流

本章小結(jié)

習(xí)題

第11章 相似性原理和因次分析

11．1 力學(xué)相似性原理

11．2 相似準(zhǔn)數(shù)

11．3 模型律

11．4 因次分析法

本章小結(jié)

習(xí)題

部分習(xí)題答案

中英文索引

主要參考文獻(xiàn) 2100433B

《流體力學(xué)（第三版）》是為全國普通高等學(xué)校建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程專業(yè)“流體力學(xué)”課程（80～100學(xué)時）編寫的教材，是高校建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程學(xué)科專業(yè)指導(dǎo)委員會規(guī)劃推薦教材。全書包括緒論，流體靜力學(xué)，一元流體動力學(xué)基礎(chǔ)，流動阻力和能量損失，孔口管嘴管道流動，氣體射流，不可壓縮流體動力學(xué)基礎(chǔ)，流體運(yùn)動基本方程的求解，一元?dú)怏w動力學(xué)基礎(chǔ)，明渠流動與滲流以及相似性原理和因次分析等內(nèi)容。每章均有要點(diǎn)提示、小結(jié)和習(xí)題，書末有部分習(xí)題答案。

《流體力學(xué)（第三版）》由淺入深，通俗易懂，注意加強(qiáng)基礎(chǔ)理論和能力的培養(yǎng)，力求體系完整，思路清晰，物理概念明確，物理意義透徹。該書不僅可作為建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程專業(yè)本科生教材，而且還可作為土木、環(huán)境、動力等有關(guān)專業(yè)本科生的教材或教學(xué)參考書。

磁流體力學(xué)主要應(yīng)用于三個方面：天體物理、受控?zé)岷朔磻?yīng)和工業(yè)。

磁流體力學(xué)天體物理、太陽物理和地球物理方面

宇宙中恒星和星際氣體都是等離子體，而且有磁場，故磁流體力學(xué)首先在天體物理、太陽物理和地球物理中得到發(fā)展和應(yīng)用。當(dāng)前，關(guān)于太陽的研究課題有：太陽磁場的性質(zhì)和起源，磁場對日冕、黑子、耀斑的影響。此外還有：星際空間無作用力場存在的可能性，太陽風(fēng)與地球磁場相互作用產(chǎn)生的弓形激波，新星、超新星的爆發(fā)，地球磁場的起源，等等。

磁流體力學(xué)受控?zé)岷朔磻?yīng)方面

受控?zé)岷朔綉?yīng)方面 這方面的應(yīng)用有可能使人類從海水中的氘獲取巨大能源。受控?zé)岷朔磻?yīng)的目的就是把輕元素組成的氣體加熱到足夠發(fā)生核聚變的高溫，并約束它足夠的時間，以使核反應(yīng)產(chǎn)生的能量大于所消耗的能量。對氘、氚混合氣來說，要求溫度達(dá)到5000萬到1億開并要求粒子密度和約束時間的乘積不小于10秒/厘米（勞孫條件）。托卡馬克（環(huán)形磁約束裝置）在受控?zé)岷朔磻?yīng)研究中顯出優(yōu)越性。美、蘇和一些西歐國家各自在托卡馬克的研究上取得進(jìn)展，但只得到單項(xiàng)指標(biāo)滿足勞孫條件的等離子體，沒有得到溫度、密度和約束時間都滿足勞孫條件的等離子體。磁鏡、托卡馬克和其他磁約束裝置的運(yùn)行范圍都受穩(wěn)定性的限制，即電流或粒子密度越大，穩(wěn)定性越差，所以必須開展對等離子體中的平衡和大尺度不穩(wěn)定性預(yù)測的磁流體力學(xué)研究，以期得到穩(wěn)定的并充分利用磁場的托卡馬克磁約束裝置。

磁流體力學(xué)工業(yè)方面

磁流體力學(xué)除了與開發(fā)和利用核聚變能有關(guān)外，還與磁流體發(fā)電密切聯(lián)系。磁流體發(fā)電的原理是用等離子體取代發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子，省去轉(zhuǎn)動部件，這樣可以把普通火力發(fā)電站或核電站的效率提高15?20%，甚至更高，既可節(jié)省能源，又能減輕污染。為了提高磁流體發(fā)電裝罝的熱效率，必須運(yùn)用磁流體力學(xué)來分析發(fā)電通道中的流動規(guī)律，傳熱、傳質(zhì)規(guī)律和電特性。研究利用煤粉作燃料的磁流體發(fā)電對產(chǎn)煤豐富的國家有重要意義，這種研究目前正向工業(yè)發(fā)電階段發(fā)展。蘇聯(lián)已實(shí)現(xiàn)天然氣磁流體發(fā)電。

用導(dǎo)電流體取代電動機(jī)轉(zhuǎn)子的設(shè)備，即用磁力驅(qū)動導(dǎo)電流體的裝置有電磁泵和磁流體力學(xué)空間推進(jìn)器（見電磁推進(jìn)）。電磁泵已用于核能動力裝置中傳熱回路內(nèi)液態(tài)金屬的傳輸，冶金和鑄造工業(yè)中熔融金屬的自動定量澆注和攪拌，化學(xué)工業(yè)中汞、鉀、鈉等有害和危險(xiǎn)流體的輸送等方面。電磁推進(jìn)研究用磁場力加速等離子體以期得到比化學(xué)火箭大得多的比沖。

飛行器再入大氣層時，激波、空氣對飛行器的摩擦，使飛行器的表面空氣受熱而電離成為等離子體，因此利用磁場可以控制對飛行器的傳熱和阻力。但由于磁場裝置過重，這種設(shè)想尚未能實(shí)現(xiàn)。

磁流體力學(xué)其他

此外，電磁流量計(jì)、電磁制動、電磁軸承理論、電磁激波管等也是磁流體力學(xué)在工業(yè)應(yīng)用上所取得的成就。

關(guān)于低溫等離子體技術(shù)，見等離于體的工業(yè)應(yīng)用。

出現(xiàn)

流體力學(xué)是在人類同自然界作斗爭和在生產(chǎn)實(shí)踐中逐步發(fā)展起來的。中國有大禹治水疏通江河的傳說。秦朝李冰父子（公元前3世紀(jì)）領(lǐng)導(dǎo)勞動人民修建了都江堰，至今還在發(fā)揮作用。大約與此同時，羅馬人建成了大規(guī)模的供水管道系統(tǒng)。

對流體力學(xué)學(xué)科的形成作出貢獻(xiàn)的首先是古希臘的阿基米德。他建立了包括物體浮力定理和浮體穩(wěn)定性在內(nèi)的液體平衡理論，奠定了流體靜力學(xué)的基礎(chǔ)。此后千余年間，流體力學(xué)沒有重大發(fā)展。

15世紀(jì)意大利達(dá)·芬奇的著作才談到水波、管流、水力機(jī)械、鳥的飛翔原理等問題。

17世紀(jì)，帕斯卡闡明了靜止流體中壓力的概念。但流體力學(xué)尤其是流體動力學(xué)作為一門嚴(yán)密的科學(xué)，卻是隨著經(jīng)典力學(xué)建立了速度、加速度，力、流場等概念，以及質(zhì)量、動量、能量三個守恒定律的奠定之后才逐步形成的。

發(fā)展

17世紀(jì)力學(xué)奠基人I. 牛頓研究了在液體中運(yùn)動的物體所受到的阻力，得到阻力與流體密度、物體迎流截面積以及運(yùn)動速度的平方成正比的關(guān)系。他對粘性流體運(yùn)動時的內(nèi)摩擦力也提出了以下假設(shè)：即兩流體層間的摩阻應(yīng)力同此兩層的相對滑動速度成正比而與兩層間的距離成反比（即牛頓粘性定律）。

之后，法國H. 皮托發(fā)明了測量流速的皮托管；達(dá)朗貝爾對運(yùn)河中船只的阻力進(jìn)行了許多實(shí)驗(yàn)工作，證實(shí)了阻力同物體運(yùn)動速度之間的平方關(guān)系；瑞士的L. 歐拉采用了連續(xù)介質(zhì)的概念，把靜力學(xué)中壓力的概念推廣到運(yùn)動流體中，建立了歐拉方程，正確地用微分方程組描述了無粘流體的運(yùn)動；伯努利從經(jīng)典力學(xué)的能量守恒出發(fā)，研究供水管道中水的流動，精心地安排了實(shí)驗(yàn)并加以分析，得到了流體定常運(yùn)動下的流速、壓力、管道高程之間的關(guān)系——伯努利方程。

歐拉方程和伯努利方程的建立，是流體動力學(xué)作為一個分支學(xué)科建立的標(biāo)志，從此開始了用微分方程和實(shí)驗(yàn)測量進(jìn)行流體運(yùn)動定量研究的階段。

從18世紀(jì)起，位勢流理論有了很大進(jìn)展，在水波、潮汐、渦旋運(yùn)動、聲學(xué)等方面都闡明了很多規(guī)律。法國J.-L. 拉格朗日對于無旋運(yùn)動，德國H. von 亥姆霍茲對于渦旋運(yùn)動作了不少研究.上述的研究中，流體的粘性并不起重要作用，即所考慮的是無粘流體，所以這種理論闡明不了流體中粘性的效應(yīng)。

理論基礎(chǔ)

將粘性考慮在內(nèi)的流體運(yùn)動方程則是法國C.-L.-M.-H. 納維于1821年和英國G. G. 斯托克斯于1845年分別建立的，后得名為納維-斯托克斯方程，它是流體動力學(xué)的理論基礎(chǔ)。

由于納維-斯托克斯方程是一組非線性的偏微分方程，用分析方法來研究流體運(yùn)動遇到很大困難。為了簡化方程，學(xué)者們采取了流體為不可壓縮和無粘性的假設(shè)，卻得到違背事實(shí)的達(dá)朗伯佯謬——物體在流體中運(yùn)動時的阻力等于零。因此，到19世紀(jì)末，雖然用分析法的流體動力學(xué)取得很大進(jìn)展，但不易起到促進(jìn)生產(chǎn)的作用。

與流體動力學(xué)平行發(fā)展的是水力學(xué)（見液體動力學(xué)）。這是為了滿足生產(chǎn)和工程上的需要，從大量實(shí)驗(yàn)中總結(jié)出一些經(jīng)驗(yàn)公式來表達(dá)流動參量之間關(guān)系的經(jīng)驗(yàn)科學(xué)。

使上述兩種途徑得到統(tǒng)一的是邊界層理論。它是由德國L. 普朗特在1904年創(chuàng)立的。普朗特學(xué)派從1904年到1921年逐步將N-S方程作了簡化，從推理、數(shù)學(xué)論證和實(shí)驗(yàn)測量等各個角度，建立了邊界層理論，能實(shí)際計(jì)算簡單情形下，邊界層內(nèi)流動狀態(tài)和流體同固體間的粘性力。同時普朗克又提出了許多新概念，并廣泛地應(yīng)用到飛機(jī)和汽輪機(jī)的設(shè)計(jì)中去。這一理論既明確了理想流體的適用范圍，又能計(jì)算物體運(yùn)動時遇到的摩擦阻力。使上述兩種情況得到了統(tǒng)一。

飛機(jī)和空氣動力學(xué)的發(fā)展

20世紀(jì)初，飛機(jī)的出現(xiàn)極大地促進(jìn)了空氣動力學(xué)的發(fā)展。航空事業(yè)的發(fā)展，期望能夠揭示飛行器周圍的壓力分布、飛行器的受力狀況和阻力等問題，這就促進(jìn)了流體力學(xué)在實(shí)驗(yàn)和理論分析方面的發(fā)展。20世紀(jì)初，以茹科夫斯基、恰普雷金、普朗特等為代表的科學(xué)家，開創(chuàng)了以無粘不可壓縮流體位勢流理論為基礎(chǔ)的機(jī)翼理論，闡明了機(jī)翼怎樣會受到舉力，從而空氣能把很重的飛機(jī)托上天空。機(jī)翼理論的正確性，使人們重新認(rèn)識無粘流體的理論，肯定了它指導(dǎo)工程設(shè)計(jì)的重大意義。

機(jī)翼理論和邊界層理論的建立和發(fā)展是流體力學(xué)的一次重大進(jìn)展，它使無粘流體理論同粘性流體的邊界層理論很好地結(jié)合起來。隨著汽輪機(jī)的完善和飛機(jī)飛行速度提高到每秒50米以上，又迅速擴(kuò)展了從19世紀(jì)就開始的，對空氣密度變化效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)和理論研究，為高速飛行提供了理論指導(dǎo)。20世紀(jì)40年代以后，由于噴氣推進(jìn)和火箭技術(shù)的應(yīng)用，飛行器速度超過聲速，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了航天飛行，使氣體高速流動的研究進(jìn)展迅速，形成了氣體動力學(xué)、物理-化學(xué)流體動力學(xué)等分支學(xué)科。

分支和交叉學(xué)科的形成

從20世紀(jì)60年代起，流體力學(xué)開始了流體力學(xué)和其他學(xué)科的互相交叉滲透，形成新的交叉學(xué)科或邊緣學(xué)科，如物理-化學(xué)流體動力學(xué)、磁流體力學(xué)等；原來基本上只是定性地描述的問題，逐步得到定量的研究，生物流變學(xué)就是一個例子。

以這些理論為基礎(chǔ)，20世紀(jì)40年代，關(guān)于炸藥或天然氣等介質(zhì)中發(fā)生的爆轟波又形成了新的理論，為研究原子彈、炸藥等起爆后，激波在空氣或水中的傳播，發(fā)展了爆炸波理論。此后，流體力學(xué)又發(fā)展了許多分支，如高超聲速空氣動力學(xué)、超音速空氣動力學(xué)、稀薄空氣動力學(xué)、電磁流體力學(xué)、計(jì)算流體力學(xué)、兩相(氣液或氣固)流等等。

這些巨大進(jìn)展是和采用各種數(shù)學(xué)分析方法和建立大型、精密的實(shí)驗(yàn)設(shè)備和儀器等研究手段分不開的。從50年代起，電子計(jì)算機(jī)不斷完善，使原來用分析方法難以進(jìn)行研究的課題，可以用數(shù)值計(jì)算方法來進(jìn)行，出現(xiàn)了計(jì)算流體力學(xué)這一新的分支學(xué)科。與此同時，由于民用和軍用生產(chǎn)的需要，液體動力學(xué)等學(xué)科也有很大進(jìn)展。

20世紀(jì)60年代，根據(jù)結(jié)構(gòu)力學(xué)和固體力學(xué)的需要，出現(xiàn)了計(jì)算彈性力學(xué)問題的有限元法。經(jīng)過十多年的發(fā)展，有限元分析這項(xiàng)新的計(jì)算方法又開始在流體力學(xué)中應(yīng)用，尤其是在低速流和流體邊界形狀甚為復(fù)雜問題中，優(yōu)越性更加顯著。21世紀(jì)以來又開始了用有限元方法研究高速流的問題，也出現(xiàn)了有限元方法和差分方法的互相滲透和融合。