上海普通高校優(yōu)秀教材工程流體力學(xué)
第2版丁祖榮編著
機械工業(yè)出版社
本書遵循錢學(xué)森先生倡導(dǎo)的工程科學(xué)思想和應(yīng)用力學(xué)方法論編著,并符合教育部高等學(xué)校力學(xué)教學(xué)指導(dǎo)委員會和力學(xué)基礎(chǔ)課程指導(dǎo)分委員會最新制定的《流體力學(xué)課程教學(xué)基本要求》。
緒論篇介紹工程科學(xué)思想和應(yīng)用力學(xué)方法。基礎(chǔ)篇包括流體基本概念、流體靜力學(xué)、流體運動學(xué)、流體動力學(xué)、量綱分析法與相似理論。問題導(dǎo)向篇包括圓管流動與混合長度理論、縫隙流動與流體動力學(xué)潤滑理論、氣體噴管流動與一維等熵流模型。
本書的適用對象是機械工程類專業(yè)及其他少學(xué)時專業(yè)的本科生,也可供相關(guān)專業(yè)的教師和工程技術(shù)人員參考。
本書的編寫遵循錢學(xué)森的工程科學(xué)思想和應(yīng)用力學(xué)方法論,得到業(yè)內(nèi)專家和同行的肯定,第1版(2013)獲上海普通高校優(yōu)秀教材獎(一等獎,2015)。根據(jù)多年來的教學(xué)實踐和使用單位的反饋意見,對第1版進行了修訂,仍保持緒論篇、基礎(chǔ)篇和問題導(dǎo)向篇三部分格局,說明如下。
(1)根據(jù)工程科學(xué)的思想,工程流體力學(xué)需避免單純經(jīng)驗性的傾向,首先應(yīng)建立在堅實的理論基礎(chǔ)之上。本版仍延續(xù)第1版的傳統(tǒng),基礎(chǔ)篇包含了較完整的理論體系、較系統(tǒng)的推導(dǎo)和演繹,但敘述和表達方法盡量簡明扼要,讓工科學(xué)生易于理解和掌握。例如,關(guān)于流體質(zhì)點和質(zhì)元、流體易變形性、流體內(nèi)摩擦概念、應(yīng)力矩陣的特殊形式、控制體和雷諾輸運公式、流體元變形和旋轉(zhuǎn)取一點鄰域極限的觀念、伯努利方程的多種形式、N-S方程建模與求解、模型實驗與相似理論等知識點,采用了與其他教材有所不同的解釋和表述,讓讀者獲得清晰的物理概念,夯實理論基礎(chǔ),以利于后面的工程應(yīng)用。
(2)根據(jù)應(yīng)用力學(xué)方法論,在問題導(dǎo)向篇仍采用問題導(dǎo)向型敘述方法,即遵循學(xué)生的認(rèn)識規(guī)律,按照提出問題—實驗與觀察—建模與求解—應(yīng)用—小結(jié)等步驟,逐步展開。為了讓讀者了解研究和解決問題的全過程,盡量追溯每個知識點的源頭,還原其歷史本來面貌,其中有些內(nèi)容是首次寫入教科書中。在每一章后附有詳細的原始文獻。
(3)鑒于目前針對機械工程類專業(yè)的工程流體力學(xué)教材偏少的現(xiàn)狀,本版割舍了非機械工程類專業(yè)的章節(jié),保留并加強了與機械工程類專業(yè)相關(guān)的內(nèi)容。其中包含了其他教材少有的知識點,如薩弗管道阻力實驗、科爾布魯克管道實驗、托爾斯軸承實驗、噴管的斯托多拉實驗和普朗特實驗等。
(4)第1版前言中“幾點說明”的前4條照舊。
(5)對全書內(nèi)容進行全面整理、勘誤和潤色,使其更具可讀性和準(zhǔn)確性。
(6)本書的適用對象是機械工程類專業(yè)及其他少學(xué)時專業(yè)的本科生,也可供工程技術(shù)人員參考。
因作者水平有限,書中難免存在不當(dāng)和謬誤之處,敬請專家與其他讀者不吝指出,幫助作者及時修正。
丁祖榮2023年9月于上海交通大學(xué)第1版前言
我國近代力學(xué)的奠基人、航天技術(shù)的開創(chuàng)者錢學(xué)森先生在回顧了20世紀(jì)初到20世紀(jì)中葉科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展歷程,特別是總結(jié)了航空、核能和雷達等新技術(shù)的研制經(jīng)驗后提出了工程科學(xué)思想。他指出,除了自然科學(xué)外已形成了工程科學(xué)(又稱技術(shù)科學(xué)),在力學(xué)領(lǐng)域內(nèi)除了經(jīng)典理論力學(xué)外已形成了應(yīng)用力學(xué)。到1982年他更是著重指出,“力學(xué)發(fā)展到現(xiàn)在,主要是應(yīng)用力學(xué)”。2011年在紀(jì)念錢學(xué)森先生誕辰100周年的中國力學(xué)大會上,力學(xué)界達成共識:我國的力學(xué)今后應(yīng)主要沿著工程科學(xué)的道路發(fā)展,重點是發(fā)展應(yīng)用力學(xué)。但是這一共識在高校目前的力學(xué)基礎(chǔ)課程中還未得到充分體現(xiàn),編寫本書是用工程科學(xué)思想和應(yīng)用力學(xué)方法論指導(dǎo)流體力學(xué)教學(xué)改革的一次嘗試。
一、指導(dǎo)思想
1.樹立科學(xué)觀念,夯實理論基礎(chǔ)
按工程科學(xué)的觀點,“人類的技術(shù)革命已開始從過去的‘工匠革命’階段進入到‘科學(xué)家革命’時代”,即“任何重大新技術(shù)的出現(xiàn)已不再來源于單純經(jīng)驗性的發(fā)明,而來源于由工程需求推動的科學(xué)理論與實驗相結(jié)合的基礎(chǔ)性研究”(參見緒論A1.2)?蒲腥藛T、技術(shù)研發(fā)人員和工程師們應(yīng)認(rèn)識新時代的特點,樹立工程科學(xué)的觀念,努力掌握較寬厚的基礎(chǔ)理論知識。基于這種觀念,本書設(shè)立了闡述錢學(xué)森工程科學(xué)思想的“緒論篇”和歸納流體力學(xué)基礎(chǔ)知識的“基礎(chǔ)篇”。
2.學(xué)習(xí)科學(xué)方法,加強能力培養(yǎng)
錢學(xué)森先生總結(jié)的應(yīng)用力學(xué)方法本質(zhì)上就是問題導(dǎo)向型研究方法。該方法是從工程中提煉關(guān)鍵性問題,建立物理和數(shù)學(xué)模型,模型的求解經(jīng)過實驗檢驗,最后將結(jié)果應(yīng)用于工程實踐(參見緒論A1.3)。本書設(shè)立的“問題導(dǎo)向篇”從還原歷史的角度介紹了跨多個專業(yè)的典型案例,剖析了每個案例是如何運用應(yīng)用力學(xué)方法研究和解決問題的。通過對這些案例的學(xué)習(xí),除能掌握必要的專業(yè)知識外,更著重于領(lǐng)會應(yīng)用力學(xué)方法的精髓,提高認(rèn)識和解決問題的能力。
3.提供共同語言,弘揚協(xié)作精神
大量事實證明,當(dāng)今重大工程技術(shù)成果的取得離不開三類人員的密切配合和團隊協(xié)作:第一類是對關(guān)鍵問題進行建模、求解和分析的工程科學(xué)家;第二類是將新概念和新方法應(yīng)用于設(shè)計和工藝改革之中的科學(xué)工程師;第三類是組織新產(chǎn)品制造的工藝工程師。三類人員為了相互溝通,需要具有共同的理念,運用共同的語言,熟悉相關(guān)術(shù)語和符號。本書為三類人員提供相互交流的共同語言。前兩類人員需要較完整地學(xué)習(xí)本書的全部或大部分內(nèi)容,后一類人員可學(xué)習(xí)其中部分內(nèi)容或?qū)⑵渥鳛楸貍涞膮⒖紩?
二、內(nèi)容編排
在以上思想的指導(dǎo)下,本書在以下幾方面做了探索和改進:
工程流體力學(xué)第2版 第1版前言1. 關(guān)于書名
早在建立應(yīng)用力學(xué)學(xué)科之前就有工程力學(xué)的提法。例如,在1890年德國慕尼黑工業(yè)大學(xué)就開設(shè)工程力學(xué)課程,出版工程力學(xué)教材。在我國,工程力學(xué)作為一個學(xué)科是20世紀(jì)50年代錢學(xué)森先生回國后創(chuàng)立的。按錢學(xué)森先生的說法,近代力學(xué)主要是應(yīng)用力學(xué),又稱為工程力學(xué),它應(yīng)包含一般力學(xué)、固體力學(xué)和流體力學(xué)三大分支。國內(nèi)將為工程專業(yè)開設(shè)的流體力學(xué)課程稱為“工程流體力學(xué)!北緯诿麨椤肮こ塘黧w力學(xué)”則體現(xiàn)以工程科學(xué)思想為宗旨;同時為了強調(diào)應(yīng)用力學(xué)方法,而該方法本質(zhì)上是問題導(dǎo)向型研究方法,因此將“問題導(dǎo)向型”列為副標(biāo)題。
[1]Ⅴ[1]Ⅵ2.結(jié)構(gòu)編排
全書內(nèi)容按枝狀開放式結(jié)構(gòu)編排,分為四個層次,分別對應(yīng)于篇、章、節(jié)和知識點。
第一層次用字母A,B,C,D,E編號,分別為緒論篇、基礎(chǔ)篇、問題導(dǎo)向篇、專題篇和附錄。緒論篇闡述流體力學(xué)工程科學(xué)思想及其形成過程,介紹應(yīng)用力學(xué)的研究方法。后三篇分別按教育部對工程流體力學(xué)課程基礎(chǔ)部分和專題部分的基本要求,結(jié)合本書的特點編排;A(chǔ)篇包含了為建立物理和數(shù)學(xué)模型及分析求解所必需的流體力學(xué)基礎(chǔ)知識。問題導(dǎo)向篇以7個工程問題為導(dǎo)向,介紹如何運用應(yīng)用力學(xué)方法研究和解決這些問題。專題篇包含流體傳質(zhì)、泵與風(fēng)機兩個專題。附錄包括常用數(shù)據(jù)表、單位換算表、習(xí)題答案等。
后三個層次用英文字母加數(shù)字編號并排序。例如,B篇中B1相當(dāng)于章,B1.1相當(dāng)于節(jié),B1.1.1相當(dāng)于知識點。公式、插圖和表格在節(jié)內(nèi)排序,如(B1.3.1),(B1.3.2)等表示屬于B1.3。例題在知識點內(nèi)排序,如例B2.3.1A、例B2.3.1B等表示屬于B2.3.1內(nèi)的例題。例題插圖與例題同號并加字母E,如BE2.3.1A、例BE2.3.1B等。習(xí)題以節(jié)名標(biāo)號排序并加字母P,如BP1.3.1,BP1.3.2等表示屬于B1.3節(jié)內(nèi)的練習(xí)題,以便于學(xué)生自主選擇。補充新的例題和習(xí)題均不打亂其他知識點例題和其他節(jié)習(xí)題的排序。
3.核心內(nèi)容
問題導(dǎo)向篇是本書的核心內(nèi)容。按機械、環(huán)境、土木、農(nóng)業(yè)工程等工程類專業(yè)的基本要求共設(shè)7章,相當(dāng)于7個案例。每個案例以某個專業(yè)領(lǐng)域中的一個或多個關(guān)鍵工程問題為導(dǎo)向,例如
C1 管道流:如何計算圓管湍流阻力?
C2縫隙流:滑動軸承的油膜如何產(chǎn)生向上托力?
C3可壓縮流:如何獲得超聲速氣流?
C4平板繞流:平板繞流摩擦阻力如何形成和計算?
C5鈍體繞流:如何解答達朗貝爾之謎?
C6明渠流:明渠流與圓管流有何差別?
C7滲流:如何分析多孔介質(zhì)中的流動?
每章按應(yīng)用力學(xué)的研究步驟,即提出問題、實驗與觀察、建模、求解與分析、實驗驗證、應(yīng)用的次序?qū)?nèi)容進行了重新編排和梳理。在介紹每個問題時盡量追溯其源頭,還原其歷史本來面貌,讓讀者了解研究和解決這個問題的全過程。其中有些內(nèi)容是首次寫入教科書內(nèi):
在C1中介紹了英國的科爾布魯克關(guān)于管道湍流粗糙過渡區(qū)的阻力實驗,由此導(dǎo)出了管道湍流的普適阻力公式;在“管路的工程計算”中歸納了工程上常用的阻力計算方法。
在C3中介紹了瑞士的斯托多拉對發(fā)展拉伐爾噴管和超聲速研究所做的貢獻。
在C6中不僅介紹了達西和巴贊在法國第戎市附近的明渠模型中所做的經(jīng)典性實驗,還介紹了美國的柯爾根用普朗特的方法推導(dǎo)二維明渠普適速度分布和阻力公式,也介紹了明渠穆迪圖及其在人工明渠中的應(yīng)用等。
在C7中總結(jié)了達西在管道流、明渠流和滲流研究中的貢獻等。
運用應(yīng)用力學(xué)的觀點對每個案例進行了小結(jié)。
4.參考文獻
參考文獻分兩類:統(tǒng)管全書的參考文獻列于附錄后,依次用數(shù)字[1],[2]等排序;在問題導(dǎo)向篇中每章后附有與本章內(nèi)容有關(guān)的參考文獻,依次用章號加數(shù)字排序,如[C1-1],[C1-2]等。后者盡量選擇原始文獻,以便于讀者查閱。
三、幾點說明
(1)國內(nèi)許多流體力學(xué)教材將層流和湍流稱為“流態(tài)”(在臺灣稱“流況”),將明渠流中的緩流、急流和臨界流也稱為“流態(tài)”。為了避免混淆,作者查閱了國外英文教材。幾本權(quán)威性英文教材將層流和湍流歸于regimes,本書譯為“流型”;將明渠流中的緩流、急流和臨界流稱為states,本書譯為“流態(tài)”。
(2)對首次出現(xiàn)的重要外國人名均列出英文名稱和相關(guān)年份,并對中文譯名進行重新校核。中文譯名采用《英語姓名譯名手冊》(第4版,商務(wù)印書館,2009)中的名稱。如:Keulegan譯為柯爾根(有的書譯為科爾干或考爾根),Hazen & Williams譯為海曾-威廉斯(有的書譯為海澄-威廉)等。
(3)如何稱呼所有量綱指數(shù)都等于零的量,至今仍是一個有爭議的問題。國標(biāo)GB/T 3101—1993指出“所有量綱指數(shù)都等于零的量往往稱為無量綱量”,也稱為“量綱為1的量”。本書采用“無量綱量”的提法。
(4)本書物理參數(shù)的拉丁字母和希臘字母列于主要符號表中,主要依據(jù)是國標(biāo)GB/T 3101—1993。原則上平均值用大寫字母表示(如平均速度V、流量Q等),分布量用小寫字母表示(如速度分量u,v,w,明渠單位寬度的流量q等)。為了便于閱讀國外文獻,一些參數(shù)的英文符號盡量選用國外文獻通用的符號。
(5)本書的適用對象是工程類專業(yè)的本科生,如機械、環(huán)境、土木、農(nóng)業(yè)工程、工程力學(xué)及相關(guān)專業(yè)的學(xué)生。全書分為上、下兩冊。機械類專業(yè)學(xué)生可只使用上冊,環(huán)境、土木、農(nóng)業(yè)工程和工程力學(xué)類專業(yè)學(xué)生需要用上、下冊。本書也可供其他專業(yè)的教師、學(xué)生和工程技術(shù)人員參考。
何友聲院士看了本書初稿,提出了一些重要的建議和修改意見。復(fù)旦大學(xué)的許世雄教授擔(dān)任本書的主審,提出了許多有價值的意見和建議,對提高本書質(zhì)量很有幫助。華北水利水電大學(xué)的李國慶教授審閱了“明渠流動及其二維模型”,提出了詳細的修改意見。在此一并表示衷心的感謝。還要感謝博士生
目錄
第2版前言
第1版前言
主要符號表
A緒論篇
A1.1對流體運動的認(rèn)識 1
A1.2流體力學(xué)從經(jīng)典到近代的
發(fā)展3
A1.2.1經(jīng)典流體力學(xué)時期3
A1.2.2近代流體力學(xué)時期4
A1.2.3近代流體力學(xué)的技術(shù)成就6
A1.3應(yīng)用力學(xué)的研究方法7
A1.3.1應(yīng)用力學(xué)研究步驟7
A1.3.2用黨的二十大精神指導(dǎo)教學(xué)9
A1.4單位制10
參考文獻10B基礎(chǔ)篇
B1流體基本概念12
B1.1連續(xù)介質(zhì)模型12
B1.1.1流體的宏觀特性12
B1.1.2流體質(zhì)點與質(zhì)元13
B1.1.3連續(xù)介質(zhì)模型概述13
B1.2流體的易變形性14
B1.2.1流體易變形性的表現(xiàn)14
B1.2.2流體易變形的原因 15
B1.3流體的黏性16
B1.3.1流體黏性的表現(xiàn)16
B1.3.2牛頓黏性定律17
B1.3.3黏度20
B1.4流體的可壓縮性21
B1.5常用的流體模型23
B1.5.1無黏性與黏性流體模型24
B1.5.2不可壓縮與可壓縮流體
模型25
B1.6流體中的力26
B1.6.1體積力與重力場27
B1.6.2表面應(yīng)力與壓強場 28
習(xí)題30
B2流體靜力學(xué)32
B2.1靜止液體中的壓強分布 32
B2.1.1靜止液體壓強公式32
B2.1.2壓強的計示與計量34
B2.2流體靜力學(xué)基本方程35
B2.3靜壓強測量36
B2.4歐拉平衡方程38
B2.5液體對平壁的總壓力41
B2.5.1平壁總壓力大小42
B2.5.2平壁總壓力作用點43
B2.6液體對曲壁的總壓力45
B2.6.1液體對二維曲壁的總壓力46
B2.6.2浮力定律48
習(xí)題50
B3流體運動學(xué)55
B3.1流動的數(shù)學(xué)描述 55
B3.1.1歐拉法與拉格朗日法55
B3.1.2質(zhì)點導(dǎo)數(shù)57
B3.1.3控制體與雷諾輸運公式60
B3.1.4曲面流量62
B3.2流動的分類64
B3.2.1定常與不定常流動64
B3.2.2三維、二維與一維流動65
B3.3流動的幾何描述67
B3.3.1速度廓線與剖面67
B3.3.2跡線67
B3.3.3流線68
B3.3.4脈線70
B3.3.5流管、流束與總流71
目錄B3.4流體元的變形與旋轉(zhuǎn)71
B3.4.1線應(yīng)變率71
B3.4.2角變形率73
B3.4.3旋轉(zhuǎn)角速度74
習(xí)題76
B4流體動力學(xué)79
B4.1質(zhì)量守恒方程 79
B4.1.1積分形式的連續(xù)性方程79
B4.1.2微分形式的連續(xù)性方程81
B4.2伯努利方程及其應(yīng)用83
B4.2.1伯努利方程83
B4.2.2伯努利方程沿總流的表
達式88
B4.2.3伯努利方程的水頭表達式91
B4.2.4伯努利方程的推廣形式92
B4.3動量方程及其應(yīng)用93
B4.3.1積分形式的動量方程93
B4.3.2定常流動量方程應(yīng)用
舉例94
,9こ塘黧w力學(xué)第2版B4.4層流與湍流98
B4.5納維-斯托克斯方程102
B4.5.1流體運動微分方程 102
B4.5.2N-S方程103
B4.5.3定解條件105
B4.5.4N-S方程的求解與建模106
B4.6歐拉運動方程108
B4.7雷諾方程與雷諾應(yīng)力109
習(xí)題111
B5量綱分析法與相似理論 115
B5.1量綱與無量綱化115
B5.2量綱分析法118
B5.2.1白金漢定理118
B5.2.2量綱分析法118
B5.3流動相似與相似準(zhǔn)則123
B5.3.1流動相似的概念123
B5.3.2確定相似準(zhǔn)則數(shù)的方法 124
B5.3.3常用的相似準(zhǔn)則數(shù)125
B5.4模型實驗與相似理論127
B5.4.1模型實驗127
B5.4.2相似理論簡介127
習(xí)題130C問題導(dǎo)向篇
C1圓管流動與混合長度理論132
C1.1問題:如何計算圓管湍流阻力132
C1.2圓管層流流動133
C1.2.1實驗與觀察:泊肅葉與
哈根實驗133
C1.2.2建模與求解:速度分布
拋物線律135
C1.2.3泊肅葉定律136
C1.3圓管湍流流動138
C1.3.1實驗與觀察:湍流時均
速度和脈動速度138
C1.3.2分析與建模:混合長度
理論140
C1.3.3求解:速度分布對數(shù)律141
C1.4圓管流動沿程損失146
C1.4.1沿程阻力通用公式——
達西公式146
C1.4.2實驗與觀察:圓管阻力實驗147
C1.4.3求解:阻力系數(shù)公式151
,9こ塘黧w力學(xué)(問題導(dǎo)向型)(上冊)C1.4.4應(yīng)用:穆迪圖及管道水
力計算156
C1.4.5應(yīng)用:非圓形管流動沿
程損失160
C1.5圓管流動局部損失162
C1.6管路的工程計算167
C1.6.1管路工程計算簡介167
C1.6.2管路的工程計算式169
C1.6.3簡單管路計算171
C1.6.4串聯(lián)與并聯(lián)管路計算175
C1.6.5枝狀管路計算178
C1.6.6網(wǎng)狀管路計算180
C1.7小結(jié)184
參考文獻185
習(xí)題186
C2縫隙流動與流體動力學(xué)潤滑
理論 190
C2.1問題:滑動軸承的油膜如何
產(chǎn)生向上托力 190
C2.2實驗與觀察191
C2.3平行平面縫隙流動192
C2.3.1物理和數(shù)學(xué)建模193
C2.3.2求解與分析 194
C2.4傾斜平面縫隙流動——流體
動力學(xué)潤滑理論 198
C2.4.1物理和數(shù)學(xué)建模 198
C2.4.2求解與分析200
C2.5環(huán)形縫隙軸向流動204
C2.5.1同心環(huán)形縫隙軸向流動204
C2.5.2偏心環(huán)形縫隙軸向流動205
C2.6平行圓盤縫隙徑向流動206
C2.7小結(jié)208
參考文獻209
習(xí)題210
C3氣體噴管流動與一維等熵流
模型213
C3.1問題:如何獲得超聲速氣流 213
C3.2有關(guān)超聲速氣流的概念 214
C3.2.1聲速214
C3.2.2超聲速流場中擾動波傳
播規(guī)律215
C3.2.3激波與膨脹波簡介217
C3.3實驗與觀察219
C3.3.1拉伐爾噴管219
C3.3.2斯托多拉實驗和普朗特
實驗220
C3.4建模與分析:完全氣體模型221
C3.5建模與分析:一維等熵流動
模型224
C3.5.1絕能流能量方程 224
C3.5.2等熵流伯努利方程225
C3.5.3等熵流氣動函數(shù)226
C3.6應(yīng)用:拉伐爾噴管流動原理228
C3.7應(yīng)用:噴管流動計算231
C3.7.1收縮噴管流動計算231
C3.7.2拉伐爾噴管流動計算232
C3.8小結(jié)235
參考文獻 236
習(xí)題237D附錄D1常用數(shù)據(jù)239
D1.1常用流體的物理性質(zhì) 239
D1.2單位換算表 241
D1.3有關(guān)數(shù)學(xué)公式243
D1.3.1直角坐標(biāo)系中的矢量運算243
D1.3.2柱坐標(biāo)系中的表達式244
D1.4有關(guān)幾何圖形與公式 245
D1.5等熵流氣動函數(shù)數(shù)據(jù)246
D2習(xí)題答案251
參考文獻257[1]ⅩⅢ