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| 內容簡介： |
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本书在第3版基础上总结教学和工程实践修订成稿，内容涉及流体力学基本概念、基本原理、研究方法和工程应用四个方面。全书共12章，包括：流体的力学特性、流体流动的基本概念、流体静力学、流体流动的守恒原理、不可压缩流体的一维层流流动、流体流动微分方程、不可压缩理想流体的平面流动、流动相似与模型实验、管内不可压缩流体的湍流流动、边界层及绕流流动、可压缩流动基础与管内流动、过程设备内流体的停留时间分布。本书内容编排层次清晰，概念阐述直观明确，理论应用与过程装备流动问题结合紧密；各章均有开篇导言，介绍该章的科学背景、内容构成及学习意义；书中例题习题及原理图例丰富，可有效促进知识的理解与掌握；并以二维码形式给出全书习题答案或解题提示，以及相关学习资料。本书内容定位于工程专业本科，但亦有扩展以满足研究生教学基本需要，在作为过程装备与控制工程专业核心课教材的同时，可供高校化工轻工、能源动力、环境安全及机械工程类专业作为教材或教学参考书使用，对以上专业的科研和工程技术人员亦有重要参考价值。
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| 目錄：
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1 流体的力学特性 001
1.1 流体的连续介质模型 001
1.1.1 流体质点的概念 001
1.1.2 流体连续介质模型 002
1.2 流体的力学特性 002
1.2.1 流动性 003
1.2.2 可压缩性 003
1.2.3 黏滞性 004
1.2.4 液体表面张力特性 007
1.3 牛顿流体和非牛顿流体 011
1.3.1 牛顿流体与非牛顿流体 011
1.3.2 非牛顿流体及其黏度特性 011
习题 012
2 流体流动的基本概念 016
2.1 流场及流动分类 016
2.1.1 流场的概念 016
2.1.2 流动分类 017
2.2 描述流体运动的两种方法 018
2.2.1 拉格朗日法 018
2.2.2 欧拉法 018
2.2.3 两种方法的关系 019
2.2.4 质点导数 019
2.3 迹线和流线 022
2.3.1 迹线及迹线方程 022
2.3.2 流线及流线方程 022
2.3.3 流管与管流连续性方程 024
2.4 流体的运动与变形 025
2.4.1 微元流体线的变形速率 025
2.4.2 微元流体团的变形速率 026
2.5 流体的流动与阻力 029
2.5.1 流体流动的推动力 029
2.5.2 层流与湍流 029
2.5.3 固壁边界的影响及三种典型流动 031
2.5.4 流动阻力与阻力系数 033
习题 035
3 流体静力学 038
3.1 作用在流体上的力 038
3.1.1 质量力 038
3.1.2 表面力——应力与压力 039
3.1.3 静止流场中的表面力 040
3.1.4 压力的表示方法及单位 040
3.2 流体静力学基本方程 041
3.2.1 流体静力平衡方程 041
3.2.2 静止流场的压力微分方程 041
3.3 重力场液体静力学问题 043
3.3.1 重力场中静止液体的压力分布 043
3.3.2 U形管测压原理 044
3.3.3 静止液体中固体壁面的受力 045
3.3.4 静止液体中物体的浮力与浮力矩 051
3.4 非惯性坐标系液体静力学 052
3.4.1 重力场非惯性坐标系液体静力学方程 052
3.4.2 直线匀加速系统中液体的压力分布 053
3.4.3 匀速旋转容器中液体的压力分布 054
3.4.4 高速回转圆筒内液体的压力分布 057
习题 058
4 流体流动的守恒原理 063
4.1 概述 063
4.1.1 系统与控制体 063
4.1.2 守恒定律与输运公式 064
4.2 质量守恒方程 065
4.2.1 控制面上的质量流量 065
4.2.2 控制体质量守恒方程 066
4.2.3 多组分系统的质量守恒方程 069
4.3 动量守恒方程 070
4.3.1 控制体动量守恒积分方程 070
4.3.2 以平均速度表示的动量方程 071
4.4 动量矩守恒方程 074
4.4.1 控制体动量矩守恒积分方程 074
4.4.2 稳态平面系统的动量矩方程 074
4.5 能量守恒方程 077
4.5.1 运动流体的能量 078
4.5.2 控制体能量守恒积分方程 080
4.5.3 过程设备流动系统的能量方程 081
4.5.4 机械能守恒方程——伯努利方程 085
4.6 守恒方程综合应用分析 089
4.6.1 小孔流动问题 089
4.6.2 虹吸管流动及离心泵汽蚀问题 091
4.6.3 驻点压力与皮托管测速 093
4.6.4 管道局部阻力问题 095
习题 098
5 不可压缩流体的一维层流流动 109
5.1 流动微分方程的建立及定解条件 109
5.1.1 建立流动微分方程的基本步骤 109
5.1.2 流动微分方程的定解条件 110
5.2 不可压缩一维稳态层流及其特点 111
5.2.1 不可压缩一维稳态层流 111
5.2.2 质量与动量守恒的特点 111
5.2.3 微元体表面力的特点 112
5.3 狭缝流动分析 112
5.3.1 平壁层流的微分方程 113
5.3.2 狭缝流动问题分析 114
5.4 管内流动分析 118
5.4.1 管状层流的微分方程 118
5.4.2 圆管及圆形套管内的层流流动 120
5.5 降膜流动分析 123
5.5.1 倾斜平壁上充分发展的降膜流动 123
5.5.2 竖直圆管外壁的降膜流动 125
5.5.3 变厚度降膜流动问题分析 126
习题 128
6 流体流动微分方程 133
6.1 连续性方程 134
6.1.1 直角坐标系中的连续性方程 134
6.1.2 柱坐标和球坐标系中的连续性方程 135
6.2 应力形式的运动方程 135
6.2.1 作用于微元体上的力 136
6.2.2 动量流量及动量变化率 137
6.2.3 以应力表示的运动方程 138
6.3 牛顿流体的本构方程 139
6.3.1 基本假设 139
6.3.2 牛顿流体本构方程 139
6.3.3 本构方程的讨论 139
6.4 流体运动微分方程——N-S方程 141
6.4.1 直角坐标系中的N-S方程 141
6.4.2 柱坐标和球坐标系中的N-S方程 142
6.5 N-S方程应用概述及举例 144
6.5.1 N-S方程应用概述 144
6.5.2 N-S方程应用举例 145
习题 151
7 不可压缩理想流体的平面流动 156
7.1 流体平面运动的速度分解 156
7.2 有旋流动与无旋流动 157
7.2.1 速度环量与线流量 157
7.2.2 有旋流动及其运动学特性 158
7.2.3 无旋流动（势流）及其运动学特性 160
7.3 不可压缩平面流动的流函数 162
7.3.1 流函数的定义及全微分方程 162
7.3.2 流函数的性质——流线及流线间的流量 162
7.4 不可压缩平面势流及基本方程 164
7.4.1 柯西-黎曼方程及流网 164
7.4.2 拉普拉斯方程及叠加原理 165
7.4.3 定常不可压缩势流的伯努利方程 166
7.5 不可压缩平面势流典型问题分析 166
7.5.1 平行直线等速流动 167
7.5.2 点源与点汇流动 167
7.5.3 点涡流动 168
7.5.4 角形区域内的流动 169
7.5.5 几种典型的复合流动 170
7.5.6 理想流体绕固定圆柱体的流动 173
7.5.7 理想流体绕转动圆柱体的流动 175
思考题 177
习题 178
8 流动相似与模型实验 181
8.1 流动相似及相似准则 181
8.1.1 几何相似 181
8.1.2 运动相似及时间准则 182
8.1.3 动力相似及动力相似准则 182
8.1.4 典型相似数及其意义 183
8.1.5 相似数在模型实验中的应用 185
8.2 相似准则的分析方法 188
8.2.1 微分方程法 188
8.2.2 因次分析法 190
8.2.3 用因次分析指导模型实验的意义 192
8.3 模型实验设计及应用举例 193
8.3.1 模型实验设计的基本要点 193
8.3.2 模型实验设计应用举例 194
8.3.3 实验数据的整理及应用说明 201
思考题 201
习题 202
9 管内不可压缩流体的湍流流动 206
9.1 圆管流动概述 206
9.1.1 层流与湍流——雷诺实验 206
9.1.2 圆管进口区的流动 207
9.1.3 圆管充分发展区的流动 208
9.2 湍流的基本特性及雷诺方程 209
9.2.1 湍流的基本特性 209
9.2.2 雷诺方程 210
9.2.3 湍流理论简介 211
9.3 湍流的半经验理论 212
9.3.1 普朗特混合长度理论 212
9.3.2 通用速度分布——壁面律 213
9.4 圆管充分发展区的湍流速度分布 215
9.4.1 光滑管内的湍流速度分布 215
9.4.2 粗糙管内的湍流速度分布 216
9.5 圆管的阻力损失与阻力系数 217
9.5.1 阻力损失与阻力系数定义 217
9.5.2 光滑圆管的摩擦阻力系数 217
9.5.3 粗糙圆管的摩擦阻力系数 218
9.5.4 局部阻力系数 221
9.6 非圆形管及弯曲管内的流动 224
9.6.1 非圆形管内的流动与阻力损失 224
9.6.2 弯曲管道内的流动及阻力损失 225
9.7 管流问题的基本类型与解析要领 227
思考题 229
习题 229
10 边界层及绕流流动 234
10.1 边界层的基本概念 234
10.1.1 边界层及边界层理论 234
10.1.2 边界层的厚度与流态 235
10.1.3 平壁绕流的摩擦阻力与阻力系数 236
10.2 平壁边界层流动 237
10.2.1 普朗特边界层方程 237
10.2.2 平壁层流边界层的布拉修斯解 238
10.2.3 冯·卡门边界层动量积分方程 241
10.2.4 平壁层流边界层的近似解 242
10.2.5 平壁湍流边界层的近似解 244
10.2.6 平壁湍流边界层的速度分布 246
10.3 边界层分离及绕流总阻力 247
10.3.1 边界层分离现象 247
10.3.2 弯曲壁面的绕流总阻力 248
10.4 绕圆柱体的流动分析 250
10.4.1 绕圆柱体的流动 250
10.4.2 圆柱绕流总阻力 251
10.5 绕球体的流动分析 252
10.5.1 绕球体的流动 252
10.5.2 球体绕流总阻力 253
10.5.3 球形颗粒的沉降速度 254
思考题 255
习题 256
11 可压缩流动基础与管内流动 259
11.1 可压缩流动的基本假设与方程 259
11.1.1 基本假设与热力学过程 259
11.1.2 热力学基本方程 260
11.1.3 质量守恒及能量守恒方程 260
11.2 声波传播速度及马赫数 261
11.2.1 小扰动压力波（声波）的传播速度 261
11.2.2 声速与马赫数 263
11.3 滞止状态及滞止参数 264
11.3.1 滞止状态 264
11.3.2 滞止焓与滞止温度 264
11.3.3 滞止压力与滞止密度 265
11.4 激波的形成及正激波参数计算 265
11.4.1 激波的形成及基本行为 265
11.4.2 正激波前后参数的变化 266
11.5 变截面管内可压缩流体的等熵流动 268
11.5.1 速度与管道截面变化的关系 268
11.5.2 临界状态及临界参数 270
11.5.3 拉伐尔喷管 271
11.5.4 渐缩管内的等熵流动 275
11.5.5 喷管及扩压管设计要点 276
11.6 等截面管道内可压缩流体的摩擦流动 277
11.6.1 有摩擦的绝热流动 277
11.6.2 有摩擦的等温流动 282
11.7 可压缩流体的速度与流量测试 284
11.7.1 亚声速气流中的皮托管 284
11.7.2 超声速气流中的皮托管 285
11.7.3 可压缩流动流量测量 285
思考题 286
习题 286
12 过程设备内流体的停留时间分布 292
12.1 停留时间的基本概念与关系 292
12.1.1 停留时间与返混 292
12.1.2 流体停留时间与进口时间的关系 293
12.2 停留时间分布的相关函数 294
12.2.1 停留时间分布函数F(t)与密度函数E(t) 294
12.2.2 特定输入/输出时间的流体量计算 295
12.2.3 内部年龄密度函数I(t) 297
12.2.4 无因次时间与无因次函数 297
12.3 停留时间分布的测试及其数字特征 298
12.3.1 脉冲响应法 298
12.3.2 阶跃响应法 299
12.3.3 停留时间分布的数字特征 299
12.4 几种典型的停留时间分布模型 300
12.4.1 平推流模型 300
12.4.2 全混流模型 301
12.4.3 多釜串联模型 302
12.4.4 轴向扩散流模型 303
12.5 停留时间分布曲线的应用 305
12.5.1 根据E(t)曲线定性推断流动情况 305
12.5.2 确定流动模式及其模型参数 305
12.5.3 确定设备结构对流动模式的影响 307
习题 307
附录 313
附录A 矢量与场论的基本定义和公式 313
附录B 常见物理量的量纲、单位换算及常见特征数 316
附录C 常见流体的物性参数 318
参考文献 321
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| 內容試閱：
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流体及其流动现象在日常生活和工程实际中广泛存在，很多工程领域都需要应用流体力学的理论与方法来解决其面临的流体流动问题。这种需求既是流体力学发展的促进因素，也是国内外高校相关工程学科与专业开设“工程流体力学”课程的直接原因，过程装备与控制工程专业亦不例外。
“工程流体力学”作为过程装备专业的核心课程，其专业背景是：过程装备是以“流体流动”方式实现“三传一反”（动量 /能量 /质量传递及化学反应）过程的装置与设备，其中的相关过程为“流体流动”所主导；流体力学作为研究流体受力及运动规律的学科，则为装备流程系统的工艺计算及装备内构件的设计分析提供了理论与方法；以此为指导创造有利于过程强化的流动模式，则是过程装备内构件设计创新的基本出发点。除此之外，工程流体力学课程教学还有其超越专业层面的意义：流体力学的理论与方法作为众多科学家和工程师的智慧结晶，其中所蕴含的丰富科学思想、创新精神及榜样力量，对提升新时代工科人才的科学素质（探索创新精神 /逻辑思维能力 /数理分析能力）有重要的促进作用。
本书作为“过程装备与控制工程”专业的核心课教材，从体现学科知识体系、突出专业工程实际、适应教学认知规律三方面协调选材，内容编排层次清晰，概念阐述直观明确，理论与实际结合紧密。教材自 2001年第 1版发行以来，得到了广泛的使用和好评，入选为“十一五”普通高等教育国家级规划教材，曾荣获中国石油和化学工业优秀出版物（教材奖）一等奖（第 2版），中国石油和化工教育教学优秀教材一等奖（第 3版）。
本书第 4版作为四川大学国家级一流本科专业——过程装备与控制工程专业的建设成果之一，在保持原有 12章结构的基础上，总结编者近年来在工程流体力学课程建设与教学改革中的有益经验，融合编者在科研工作中解决流体流动问题的成功实践，对各章内容作了相应的优化与更新，全书的知识系统性、结构逻辑性、教学执行性进一步增强。主要变化如下：
1.各章均增加了开篇导言。导言介绍了该章所涉及的科学或工程背景，该章的内容组成及编排思想，该章知识的工程应用或科学价值，以引导读者从专业的视角了解全章概貌，把握该章的展开脉络及重点所在，明确其学习的目的与意义。
2.优化更新了相关章节的内容及编排顺序。包括对各章内容的精简与更新、章节标题及编排顺序的调整等；比如，为区分“方法的普适性”与“问题的特殊性”，第 5章中原“概述”部分分成了两个专节；为强调流体本构关系及其在建立 N-S方程中的重要地位，第 6章增列了“牛顿流体本构方程”专节；根据问题演进的逻辑顺序，对第 7、8、9章中的内容做了全新的编排；为突出经典理论的思想及其对工程实际的贡献，改进了第8、9、10 章的标题，等等。
3.丰富了反映我国科技成果的相关案例，加强了相关知识点与前沿领域的联系。本次修订中，对近年我国相关行业在过程装备自主研发创新中（包括编著者科研实践中）应用流体力学解决问题的成功案例进行凝练，将其中有教学价值的问题纳入了教材；同时还针对微尺度多相流、工程湍流模拟、过程装备创新等前沿领域，加强了表面张力效应、N-S方程湍流应用、相似理论指导数值模拟、RANS方程及湍流模型、流体 RTD实验指导设备结构创新等方面的论述。
4.从增强课程高阶性和挑战度、培养学生解决复杂问题的能力出发，在习题中增加了有工程实际背景，及有一定难度，需要综合应用所学知识、微积分数值方法和 Excel等计算工具才能完成的问题；同时还从拓展认知深度和启发高级思维的角度，重新设计了第 7～11章的大部分思考题。全书例题、习题与图例也更为丰富（例题 89例，习题275题，插图 356幅），其中工程实际背景较强习题亦可作为案例教学的素材。
5.适应新形态和数字化教材的发展趋势增加了数字资源，为教学内容拓展、多维内容呈现、智能交互学习和个性化教学提供了接口。其中，从辅助教学的角度，以二维码形式给出了全部习题的参考答案或解题提示；从弘扬科学精神、拓展专业视野的角度，以二维码形式给出了本书内容涉及的主要科学家及相关研究成果介绍；更多学习资料将在教材使用中及时上新。
本书以“过程装备与控制工程”专业为背景编写，同时可供化工轻工、能源动力、环境安全及机械工程类专业作为教材或教学参考书。书中内容兼顾了工学专业本科生及研究生课程教学基本需求，编者建议其中第 1～5章（流体的力学特性、流体流动的基本概念、流体静力学、流体流动的守恒原理、不可压缩流体的一维层流流动）可作为本科生教学基本内容（～48学时）；第 6～10章（流体流动微分方程、不可压缩理想流体的平面流动、流动相似与模型实验、管内不可压缩流体的湍流流动、边界层及绕流流动）可作为研究生教学基本内容（～48学时）；第 11～12章（可压缩流动基础与管内流动、过程设备内流体的停留时间分布）可作为选择讲授内容；任课教师亦可根据本校专业学科的特色，交叉选择、补充扩展相关教学内容。
本书第 4版修订工作仍由黄卫星教授全面负责并执笔，伍勇教授、潘大伟副教授、魏文韫博士、谭帅副教授等参与协同完成。修订工作吸纳了兄弟院校专家教授和任课教师的宝贵意见，得到了四川大学教务处及化学工程学院的立项支持，并得到博士研究生张涛先、陶淳、葛世雄、牟晓锋等同学的大力协助，在此一并致谢。
希望大家对本书第 4版内容中的不足予以指正。
编著者
2024年 8月
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