醉染图书工程流体力学9787120429

章流体的力学质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2
1.2.1流动3
1.2.2可压缩3
1..黏滞4
1.2.4表面张力特
1.3牛顿流体和非牛顿流体12
1.3.1牛顿流体与非牛顿流体12
1.3.2非牛顿流体及其黏度特12
习题13
第2章流体流动的基本概念17
2.1流场及流动分类17
2.1.1流场的概念17
2.1.2流动分类17
2.2描述流体运动的两种方法19
2.2.1拉格朗日法19
2.2.2欧拉法20
2..两种方法的关系20
2.2.4质点导数21
.迹线和流线24
..1迹线24
..2流线24
..流管与管流连续方程26
2.4流体的运动与变形27
2.4.1微元流体线的变形速率27
2.4.2微元流体团的变形速率29
2.4.3有旋流动与无旋流动30
2.5流体的流动与阻力32
2.5.1流体流动的推动力32
2.5.2层流与湍流32
2.5.3固壁边界对流动的影响34
2.5.4流动阻力与阻力系数36
习题39
第3章流体静力学42
3.1作用在流体上的力42
3.1.1质量力42
3.1.2表面力——应力与压力43
3.1.3静止流场中的表面力43
3.1.4压力的表示方法及单位44
3.2流体静力学基本方程45
3.2.1流体静力平衡方程45
3.2.2静止流场的压力微分方程46
3.3重力场液体静力学47
3.3.1重力场中静止液体的压力分布48
3.3.2U形管测压原理48
3.3.3静止液体中固体壁面的受力50
3.3.4静止液体中物体的浮力与浮力矩55
3.4非惯坐标系液体静力学57
3.4.1重力场非惯坐标系中的质量力57
3.4.2直线匀加速运动中的静止液体58
3.4.3匀速旋转容器中的静止液体59
3.4.4高速回转圆筒内液体的压力分布62
习题63
第4章流体流动的守恒原理68
4.1概述68
4.1.1系统与控制体68
4.1.2守恒定律与输运公式69
4.2质量守恒方程70
4.2.1控制面上的质量流量70
4.2.2控制体质量守恒方程71
4..多组分系统的质量守恒方程73
4.3动量守恒方程75
4.3.1控制体动量守恒方程75
4.3.2以平均速度表示的动量方程76
4.4动量矩守恒方程80
4.4.1控制体动量矩守恒方程80
4.4.2稳态平面系统的动量矩方程81
4.5能量守恒方程85
4.5.1运动流体的能量85
4.5.2控制体能量守恒方程88
4.5.3化工流动系统的能量方程90
4.5.4机械能守恒方程——伯努利方程93
4.6守恒方程综合应用分析98
4.6.1小孔流动问题98
4.6.2管流中的液体汽化问题101
4.6.3驻点压力与皮托管测速102
4.6.4管道局部阻力问题104
习题108
第5章不可压缩流体的维层流动117
5.1概述117
5.1.1建立流动微分方程的基本方法117
5.1.2不可压缩一维稳态层流及其特点118
5.1.3常见边界条件120
5.2狭缝流动分析120
5.2.1平壁层流的微分方程121
5.2.2典型狭缝流动问题分析1
5.3管内流动分析126
5.3.1管状层流的微分方程126
5.3.2圆管及圆形套管内的层流流动128
5.4降膜流动分析132
5.4.1倾斜平壁上充分发展的降膜流动132
5.4.2竖直圆管外壁的降膜流动134
5.4.3变厚度降膜流动问题分析135
习题137
第6章流体流动微分方程141
6.1连续方程141
6.1.1直角坐标系中的连续方程141
6.1.2柱坐标和球坐标系中的连续方程142
6.2以应力表示的运动方程143
6.2.1作用于微元体上的力143
6.2.2动量流量及动量变化率145
6..以应力表示的运动方程146
6.3黏流体运动微分方程147
6.3.1牛顿流体的本构方程147
6.3.2流体运动微分方程——Navier-Stokes方程149
6.3.3柱坐标和球坐标系中的N-S方程151
6.4流体流动微分方程的应用153
6.4.1N-S方程应用概述153
6.4.2N-S方程应用举例153
习题160
第7章理想不可压缩流体的平面运动163
7.1流体平面运动的速度分解163
7.2有旋流场与无旋流场164
7.2.1速度环量与线流量164
7.2.2有旋流场的运动学特165
7..无旋流场的运动学特167
7.3不可压缩平面流动的流函数168
7.4理想不可压缩平面势流及分析方法170
7.4.1不可压缩平面势流基本特170
7.4.2拉普拉斯方程和全微分方程172
7.4.3理想不可压缩平面势流的伯努利方程173
7.5理想不可压缩平面势流典型问题173
7.5.1平行直线等速流动174
7.5.2点源与点汇流动174
7.5.3点涡流动175
7.5.4角形区域内的流动176
7.5.5复合流动177
7.5.6理想流体绕固定圆柱体的流动180
7.5.7理想流体绕转动圆柱体的流动182
习题184
思考题185
第8章流体流动模型实验方法186
8.1流动相似原理186
8.1.1几何相似186
8.1.2运动相似187
8.1.3动力相似187
8.2相似准则及其分析方法187
8.2.1微分方程分析法——N-S方程的相似分析188
8.2.2相似数的物理意义及典型应用条件189
8..相似准则在模型实验中的应用191
8.2.4量纲分析法194
8.3模型实验198
8.3.1模型实验设计199
8.3.2模型实验设计应用举例199
8.3.3实验数据的整理及应用说明206
习题207
思考题209
第9章不可压缩流体管内流动210
9.1层流与湍流210
9.1.1雷诺实验210
9.1.2圆管内充分发展的层流流动211
9.1.3湍流及其基本特212
9.1.4湍流理论简介213
9.2湍流的半经验理论214
9.2.1雷诺方程214
9.2.2湍流说——普朗特混合长度理论216
9..通用速度分布——壁面律217
9.3圆管内充分发展的湍流流动219
9.3.1光滑管内的湍流速度分布与切应力219
9.3.2粗糙管内的湍流速度分布220
9.4圆管内流动的阻力损失221
9.4.1圆管阻力损失与阻力系数定义221
9.4.2光滑圆管的阻力系数222
9.4.3粗糙圆管的阻力系数2
9.4.4局部阻力系数226
9.5圆管进口段流动分析229
9.5.1进口段流动状态与进口段长度229
9.5.2进口段阻力0
9.6非圆形截面管内的流体流动0
9.7弯曲管道内的流体流动
9.7.1弯曲管道内的流动特点
9.7.2弯曲管道的阻力系数4
习题5
思考题
0章流体绕物流动
10.1边界层基本概念
10.1.1边界层理论
10.1.2边界层的厚度与流态
10.1.3平壁表面摩擦阻力与摩擦阻力系数240
10.2平壁边界层流动241
10.2.1普朗特边界层方程241
10.2.2平壁层流边界层的解242
10..冯·卡门边界层动量积分方程245
10.2.4平壁层流边界层的近似解246
10.2.5平壁湍流边界层的近似解248
10.3边界层分离及绕流总阻力252
10.3.1边界层分离现象252
10.3.2绕流总阻力253
10.4绕圆柱体的流动分析255
10.4.1绕圆柱体的流动256
10.4.2圆柱绕流总阻力257
10.5绕球体的流动分析258
10.5.1绕球体的流动258
10.5.2球体绕流总阻力258
10.5.3颗粒的沉降速度259
习题261
思考题262
1章可压缩流动基础与管内流动263
11.1可压缩流动基本过程与方程263
11.1.1热力学基本过程263
11.1.2热力学基本方程263
11.1.3质量及能量守恒方程264
11.2声波传播速度及马赫数265
11.2.1小扰动压力波（声波）的传播速度265
11.2.2声速与马赫数267
11.3滞止状态及参数268
11.3.1滞止状态268
11.3.2滞止温度268
11.3.3滞止压力与滞止密度269
11.4正激波及其前后参数的变化270
11.4.1激波及其形成过程270
11.4.2正激波前后参数的变化271
11.5变截面管道内可压缩流体的等熵流动273
11.5.1速度与管道截面变化的关系273
11.5.2临界状态及参数275
11.5.3拉伐尔喷管276
11.5.4渐缩管内的等熵流动281
11.6等截面管道内可压缩流体的摩擦流动282
11.6.1有摩擦的绝热流动282
11.6.2有摩擦的等温流动288
11.7可压缩流体的速度与流量测试289
11.7.1亚声速气流中的皮托管289
11.7.2超声速气流中的皮托管290
11.7.3可压缩流动流量测量291
习题291
思考题294
2章过程设备内流体的停留时间分布295
12.1停留时间的基本概念与关系295
12.1.1返混与停留时间分布295
12.1.2流体停留时间与进口时间的关系296
12.2停留时间分布函数及密度函数297
12.2.1停留时间分布函数F(t)297
12.2.2停留时间分布密度函数E(t)298
12..分布函数F(t)与密度函数E(t)的应用298
12.2.4内部年龄密度函数I(t)及其与F(t)、E(t)的关系301
12.2.5无因次停留时间函数302
1.停留时间分布的测量及其数字特征303
1..1脉冲示踪法 (pulse signal)303
1..2阶跃示踪法 (step change)304
1..停留时间分布的数字特征305
12.4几种典型的停留时间分布模型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多釜串联模型308
12.4.4轴向扩散模型310
12.5停留时间分布曲线的应用312
12.5.1设备内流动情况的定推断312
12.5.2设备内流动情况的定量分析312
12.5.3流动模型的模型参数求取313
习题314
附录318
附录A矢量与场论的基本定义和公式318
附录B流体力学常见物理量量纲、单位换算及特征数321
附录C流体的物参数3
附录D习题参考326
参考文献336

黄卫星，四川大学化学工程学院，高校“过程装备与控制工程” 专业教学指导委员会委员，副院长 博士生导师 教授。

版序    按照国际标准化组织(ISO)的认定，社会经济过程中的全部产品通常分为四类，即硬件产品(hardware)、软件产品(software)、流程材料产品(processed  material)和服务产品(service)。在新世纪初，世界上各主要发达和我国都已把“制造技术”列为优先发展的战略技术之一。制造技术主要是指硬件产品的制造技术和流程材料产品的制造技术。所谓“流程材料”是指以流体(气、液、粉粒体等)形态为主的材料。    过程工业是加工制造流程材料产品的现代国民经济的支柱产业之一。成套过程装置则是组成过程工业的工作母机群，它通常是由一系列的过程机器和过程设备，按定的程方式用管道、阀门等连接起来的一个独立的密闭连续系统，再配以必要的控制仪表和设备，即能平稳连续地把以流体为主的各种流程材料，让其在装置内部经历必要的物理化学过程，制造出人们需要的新的流程材料产品。单元过程设备(如塔、换热器、反应器与储罐等)与单元过程机器(如压缩机、泵与分离机等)二者统称为过程装备。为此，有关涉及流程材料产品制造技术的主要研究发展领域应该包括以下几个方面：①过程原理与技术的创新；②成套装置流程技术的创新；③过程设备与过程机器——过程装备技术的创新；④过程控制技术的创新。于是把过程工业需实的技术经济指标：高效、节能、清洁和安全不断推向新的技术水平，确保该产业在国际上的竞争力。    过程装备技术的创新，其关键首先应着重于装备内件技术的创新，而其内件技术的创新又与过程原理和技术的创新以及成套装置工艺流程技术的创新密不可分，它们互为依托，相辅相成。这一切也是流程产品制造技术与一般硬件产品的制造技术的重大区别所在。另外，这两类不同的制造技术的理论基础也有着重大的区别，前者的理论基础主要是化学、固体力学、流体力学、热力学、机械学、化学工程与工艺学、工电学和信息技术科学等，而后者则主要侧重于固体力学、材料与加工学、机械机构学、工电学和信息技术科学等。 “过程装备与控制工程”专业在新世纪的根本任务是为国民经济培养大批的能够掌握流程材料产品制造技术的不错专业人才。四年多来，教学指导委员会以同志提出的“教育面向代化，面向世界，面向未来”的思想为指针，在广泛调查研讨的基础上，分析了国内外化工类与机械类高等教育的现状、存在的问题和未来的发展，向提出了把原“化工设备与机械”专业改造建设为“过程装备与控制工程”专业的总体设想和专业发展规划建议书，于1998年3月获得的正式批准，设立了“过程装备与控制工程”专业。以此为契机，教学指导委员会制订了“高等教育面向21世纪‘过程装备与控制工程’专业建设与人才培养的总体思路”，要求各院校从转变传统教育思想出发，拓宽专业范围，以培养学生的素质、知识与能力为目标，以发展制造技术作为本专业改革发展的出发点，重组课程体系，在加强通用基础理论与实践环节教学的同时，强化专业技术基础理论的教学，削减专业课程的分量，淡化专业技术教学，从而较大幅度地减少总的授课时数，以增加学生自学、自由探讨和发展的空间，以有利于逐步树立学生勇于思考与创新的精神。高质量的教材是培养素质才的重要基础，因此组织编写面向21世纪的6种迫切需要的核心课程教材，是专业建设的重要内容。同时，还编写了6种选修课程教材。教学指导委员会明确要求教材作者以“教改”精神为指导，力求新教材从认知规律出发，阐明本课程的基本理论与应用及其现代进展，做到新体系、厚基础、重实践、易自学、引思考。新教材的编写实施主编负责制，主编都经过了投标竞聘，专家择优选定的过程，核心课程教材在完成主审程序后，还增设了审定制度。为确保教材编写质量，在开始编写时，主编、教学指导委员会和化学工业出版社三方面签订了正式出版合同，明确了各自的责、权、利。    “过程装备与控制工程”专业的建设将是一项长期的任务，以上所列工作只是一个开端。尽管我们在这套教材中，力求在内容和体系上能够体现创新，注重拓宽基础，强调能力培养，但是由于我们目前对教学改革的研究深度和认识水平所限，必然会有许多不妥之处。为此，恳请广大读者予以批评和指正。全国高等学校化工类及相关专业教学指导委员会副主任委员兼化工装备教学指导组组长大连理工大学博士生导师丁信伟  教授2001年3月于大连