《工程流體力學（第二版）/21世紀高等院校教材》是工科大學使用的流體力學教材，力求反映“高等教育面向21世紀教學改革計劃”的成果，與國際發展趨勢一致，突出重點，強化基礎，聯系實際，學以致用.《工程流體力學（第二版）/21世紀高等院校教材》主要內容有流體及其物理性質，流體靜力學，流體流動特性，流體動力學分析基礎，量綱分析與相似原理，不可壓縮黏性流體的內部，外部流動和無黏流動，可壓縮流體的流動，計算流體力學簡介等.每章均附有習題，供讀者練習。
第二版前言
第一版前言
第1章 流體及其物理性質
1.1 流體的定義和特征
1.2 流體力學發展簡史
1.3 流體的連續介質假設
1.4 國際單位制
1.5 流體的密度
1.6 流體的壓縮性和膨脹性
1.7 流體的黏性
1.8 液體的表面張力
習題一
第2章 流體靜力學
2.1 作用在流體上的力
2.2 流體平衡微分方程式
2.3 流體靜力學基本方程式
2.4 靜壓強的計量和液柱式測壓計
2.5 在非慣性坐標系中液體的相對平衡
2.6 靜止流體對壁面的壓力
習題二
第3章 流體流動特性
3.1 流場及其描述方法
3.2 流體流動的描述
3.3 流體微團的運動分析
3.4 黏性流體的流動形態
3.5 流體流動分類
習題三
第4章 流體動力學分析基礎
4.1 系統與控制體
4.2 雷諾輸運定理
4.3 流體流動的連續性方程
4.4 理想流體的能量方程
4.5 不可壓縮理想流體一維流動的伯努利方程及其應用
4.6 動量定理
4.7 角動量方程
4.8 微分形式的守恒方程
4.9 定常歐拉運動微分方程的積分求解
習題四
第5章 量綱分析與相似原理
5.1 量綱分析
5.2 相似原理
5.3 模型試驗
5.4 方程分析法
習題五
第6章 不可壓縮黏性流體的內部流動
6.1 流動阻力
6.2 圓管內層流
6.3 平板間的層流
6.4 管內湍流
6.5 沿程阻力系數和局部阻力系數
6.6 管內流動的能量損失
6.7 管路計算
習題六
第7章 不可壓縮黏性流體的外部流動
7.1 邊界層
7.2 繞平板流動邊界層的近似計算
7.3 繞曲面流動及邊界層的分離
7.4 黏性流體繞小圓球的蠕流流動
7.5 黏性流體繞流物體的阻力
習題七
第8章 不可壓縮流體的無黏流動
8.1 速度環量
8.2 流函數與速度勢
8.3 基本平面勢流
8.4 基本平面勢流的簡單疊加
8.5 平行流繞圓柱體的流動
習題八
第9章 可壓縮流體的流動
9.1 音速與馬赫數工程流體力學
9.2 氣體一維定常等熵流動
9.3 噴管中的等熵流動
9.4 有摩擦的絕熱管流
9.5 超音速氣流的繞流與激波的形成
9.6 激波前后氣流參數的關系
9.7 噴管在非設計工況下的流動
習題九
第10章 計算流體力學簡介
10.1 離散化方法
10.2 流動問題數值求解例
10.3 計算流體力學新進展
習題答案
參考文獻
中英文術語對照表
《工程流體力學（第二版）/21世紀高等院校教材》：
第1章 流體及其物理性質
從生產到生活，流體與我們密切相關.自然界中，從包圍著整個地球的大氣到江河湖海中的水，都是流體.可以說，人類生活在一個被流體包圍著的世界里.流體力學是力學的一個分支，它專門研究流體在靜止和運動時的受力情況與運動規律，研究流體在靜止和運動時的壓強分布，流速變化，流量大小，能量損失以及與固體壁面之間的相互作用力等問題.為了全面，透徹地理解這些流體力學的基本知識，本章首先介紹流體的定義和物理性質以及用于流體力學研究的基本簡化假設，包括流體的三大特性———易流動性，可壓縮性和黏性；流體的連續介質假設；氣液相接觸時的表面特性等。
1.1 流體的定義和特征
流體是能流動的物質.從其力學特征看，流體是一種受任何微小剪切力作用都能連續變形的物質.只要這種力持續作用，流體就將持續變形，直到外力停止作用為止.固體則不同，當受到剪切力作用時，僅產生一定程度的變形，只要作用力保持不變，固體的變形也就不再變化.由此可見，易流動（易變形）性是流體的一大特征。流體和固體具有上述不同性質是由組成物質的分子結構和分子間的作用力不同造成的.流體分子間的作用力小，分子運動強烈，決定了流體具有易流動，不能保持一定形狀的特性.流體本身并沒有特定的形狀，能夠被裝進任何形狀的容器中，就像風和河流一樣，能夠自由流動。流體按其狀態不同又可分為液體和氣體，如圖1G1 所示.液體和氣體除具有上述流體的共同特性外，還具有以下不同特性：
圖1G1 物質的三種形態
（1）氣體的分子間距較大，在0℃，1 個標準大氣壓下，氣體的平均分子距約為3.3×10-9m，其分子平均直徑約為2.5×10-10m，分子距比分子平均直徑約大十倍，所以氣體分子間的吸引力很小，氣體分子可以自由運動，故氣體極易變形和流動.此外，氣體既沒有一定的體積，也沒有一定的形狀，總是充滿容納它的容器，如圖1G1（c）所示。（2）液體的分子間距和分子的有效直徑差不多相等，約為氣體分子距的1/10左右，故分子間的吸引力較大，所以，液體分子不能像氣體分子那樣自由運動，液體的流動性不如氣體.此外，液體具有一定的體積，并取容器的形狀.當容器的容積大于液體的體積時，液體不能充滿容器，在重力的作用下，液體總保持一個自由表面（液面），如圖1G1（b）所示。
1.2 流體力學發展簡史
和許多其他學科一樣，流體力學的發展經歷了漫長的歲月。人類最早對流體的認識是從供水，灌溉，航行等方面開始的.遠在兩三千年前，在同自然界的長期斗爭中，人們已經開始建造了水利工程和最簡單的水利機械.例如，中國有大禹治水的傳說；秦朝李冰父子領導修建了都江堰水利工程，用于防洪和灌溉；隋朝時期開鑿了貫通中國南北的大運河.此外，古代還發明了一些簡單的水力機械，用作碾米，磨面等.由于沒有相應的數學和機械知識，那時關于流體的認識，只是些從實踐中總結出來的經驗性的東西.然而，正是這些經驗的積累，為流體力學的發展奠定了基礎。流體力學的最早文獻中記載著阿基米德（Archimedes，285~212B.C.），他是古希臘的數學家和發明家，在公元前250年發表的，論浮體，中，精確地給出了“阿基米德定律”，從而建立了包括浮力定律和浮體穩定性在內的液體平衡理論，奠定了流體靜力學的基礎.文獻中還記載著羅馬人在公元前4世紀修筑的復雜的供水管道系統.但在其后的1000多年中，即在漫長的中世紀，流體力學研究幾乎沒有新的進展。15世紀初，伴隨著歐洲的文藝復興，流體力學研究又一次繁榮興起.達芬奇（Da.Vinci，1452~1519）研究了水波，管流，水力機械，鳥的飛翔原理等問題，并設計建造了一座小型水渠；伽利略（Galileo，1564~1642）在流體靜力學中應用虛位移原理，提出運動物體的阻力隨著流體介質密度和速度的增加而增大；帕斯卡（Pascal，1623~1662）提出了密閉流體能傳遞壓強的帕斯卡原理。到了18世紀，由于歐洲資本主義蓬勃興起，自然科學的發展突飛猛進，流體力學也有了長足進步.流體力學最基本，最主要的理論都是在這一時期建立起來的，并涌現出一批杰出人物，他們為流體力學的發展做出了巨大的貢獻.牛頓（Newton，1642~1727）研究了流體中運動物體所受到的阻力，建立了流體內摩擦定律，為黏性流體力學奠定了理論基礎；伯努利（Bernoulli，1700~1782）從能量守恒出發，建立了反映流體位勢能，壓強勢能和動能之間能量轉換關系的伯努利方程；歐拉（Euler，1707~1783）提出了流體的連續介質模型，建立了用微分方程組描述無黏流體運動的歐拉方程；拉格朗日（Lagrange，1736~1813）論證了速度勢的存在，并提出了流函數的概念，為分析流體的平面無旋運動開辟了道路；亥姆霍茲（Helmholtz，1821~1894）提出了表征旋渦基本性質的旋渦定理等.上述研究是從理論上或數學上研究理想的，無摩擦的流體運動，采用將流體及其受力條件理想化的方法，忽略次要因素，建立描寫流體運動的方程式，稱為流體動力學（hydrodynamics）。19世紀，工程師們迫切需要解決帶有黏性影響的工程問題.納維（Navier，1785~1836）和斯托克斯（Stokes，1819~1903）提出了著名的描述黏性流體基本運動的納維G斯托克斯方程（NGS方程），為流體動力學的發展奠定了基礎.然而NGS方程數學復雜，不能滿意地解決工程問題，所以人們采取實驗先行的辦法，對理論不足部分反復實驗，總結規律，得到經驗公式和半經驗公式用于實踐，形成了以實驗方法來定制經驗公式的流體水力學（hydraulics）.弗勞德Froude，1810~1879）提出了船模試驗的相似準則數———Fr 數，建立了現代船模試驗技術的基礎；雷諾（Reynolds，1842~1912）用實驗證實了黏性流體的兩種流動狀態，為流動阻力的研究奠定了基礎。在流體動力學和水力學空前發展的條件下，人們試圖將二者結合來解決實際問題.1904年，普朗特（Prandtl，1875~1953）提出了流體邊界層的概念，即在流體接近固體邊界的一薄層（邊界層）內，摩擦力起主要作用；在邊界層以外，流體運動更像無摩擦的理想流體.這個相當簡單的概念為形成理論與實踐并重的現代流體力學奠定了基礎.所以人們稱普朗特為現代流體力學之父。此后，流體動力學和水力學進一步發展，因而更具科學性.一些描述流體運動的基本方程式以及當時驗證的一些實驗結果至今仍在使用.1933年尼古拉茲（Nikuradze）公布了他對砂粒粗糙管內水流阻力系數的實測結果———尼古拉茲曲線；科勒布魯克（Colebrook）1939年提出了過渡區阻力系數計算經驗公式；1944年穆迪（Moody）繪制出實用管道阻力系數圖———穆迪圖.至此，有壓管流的水力計算已漸趨成熟。20世紀初，飛機的出現極大地促進了空氣動力學的發展.儒科夫斯基（Joukowski，1847~1921）找到了翼型升力和繞翼型環流之間的關系，為近代高效能飛機設計奠定了基礎；卡門（K.rm.n，1881~1963）提出了卡門渦街，并在紊流邊界層理論，超音速空氣動力學，火箭及噴氣技術等方面作出了巨大的貢獻.同時，以普朗特等為代表的一批科學家，建立了以無黏性流體為基礎的機翼理論，闡明機翼受到升力，所以空氣能把很重的飛機托上天空.機翼理論的正確性，使無黏性流體的理論被人們重新認識，它的工程設計指導作用也得到了肯定.空氣動力學為流體力學在20世紀迅速發展開辟了新的道路。機翼理論和邊界層理論的建立是流體力學發展史上的一次重大飛躍.20世紀40年代以后，由于噴氣推進和火箭技術的應用，飛行器速度超過聲速，實現了航天飛行；關于炸藥或天然氣等介質中發生爆炸形成的爆炸波理論，為研究原子彈，炸藥等起爆后，激波在空氣或水中的傳播奠定了基礎。從20世紀50年代起，電子計算機不斷完善，計算技術被引入流體力學領域，使以前
因計算過于繁雜而影響進一步探討的流體力學問題逐步得以解決，計算流體力學在今天已成為研究流體力學的重要方法.同時，流體力學與其他學科相互滲透，形成了許多邊緣學科，如，生物流體力學，地球流體力學，化學流體力學，液壓流體力學，電磁流體力學，高溫氣體動力學，兩相流體力學，流變學等.這些新型學科的出現和發展，使流體力學這一古老學科更富有活力。從流體力學的發展過程可以看出，它的產生和發展，始終是與社會生產實踐緊密地聯系在一起的.只要工程中涉及流體的運動及流體和固體的相互作用，就要以流體力學為基礎來進行分析和研究，所以在水利工程，機械，動力，化工，石油，建筑，冶金，交通運輸，航海，航空，氣象，生物，醫學等許多領域，流體力學都有廣泛的應用。流體力學既是一門重要的應用技術學科，又有很強的基礎學科性質.許多近代科學的重大成就都源于流體力學研究.國家自然科學基金委員會，自然科學學科發展戰略調研報告，中指出：“由流體力學中發現的規律，逐漸滲透到其他科學領域并最終形成具有普遍意義的理論的科學發展道路，今后仍將在整個自然科學的發展中繼續起著重要作用”。
1.3 流體的連續介質假設
從微觀角度看，流體和其他物質一樣，都是由大量分子組成的，分子之間存在著間隙，因此流體并不是連續分布的物質.但是，流體力學所要研究的并不是個別分子的微觀運動，而是研究由大量分子組成的流體的宏觀運動。流體的宏觀運動由大量分子運動的統計平均值來體現.正因為如此，在流體力學中，取流體質點來代替流體的分子作為研究流體的基元.所謂流體質點，是一塊體積為無窮小的微量流體.流體質點雖小，卻包含有為數眾多的分子，因而它能反映大量分子運動的統計平均值.所以從微觀角度看，流體質點應為無窮大.另外，流體質點在宏觀上應為無窮小，即與所研究的整個流動空間相比，流體質點應是無窮小，應能通過流體質點及其所屬物理量在空間的變化來反映流體的運動.所以流體質點簡單來說，就是宏觀無窮小，微觀無窮大的微量流體.對于流體質點而言，我們假定它們之間沒有間隙，在空間連續分布，所以將流體視為由無數連續分布的流體質點所組成的連續介質.這就是流體的連續介質假設。把流體看成是由連續介質組成的物質，即由微觀無窮大，宏觀無窮小的流體質點組成的連續介質，流體質點間沒有空隙地，連續地充滿其所在的空間.這樣，只要我們在研究流體運動時所取的質點足夠小，但它包含了足夠多的分子，就可使各個物理量的統計平均值有意義，我們就可以不去研究無數分子的瞬時狀態，而只研究由流體質點代表的描述流體宏觀運動的某些屬性.此外，將流體視為連續介質來處理，則表征流體宏觀屬性的物理量（如密度，速度，壓強，溫度，黏度，應力等）在流體中也是連續變化的.這樣，可將流體及其各物理量看成是時間和空間坐標的單值連續可微函數，從而可以利用微分方程等數學工具來研究流體的平衡和運動規律。例如，我們定義流體密度ρ=lΔiVm→0ΔmΔV，其中，Δm 是微元體積ΔV內的流體質量.這里的ΔV→0必須符合流體質點的“微觀無窮大，宏觀無窮小”的特點.如果ΔV太小，會使ΔV中的流體質量起伏不定，不能反映物理量的統計平均特性，如圖1G2所示.實際上，密度定義式中的ΔV→0應換成ΔV→ΔV， 如果低于ΔV，連續介質假設不再成立.連續介質假設是流體力學的根本假設之一，我們依據這個假設，才能把微觀問題轉化為宏觀問題來處理.對于大部分工程技術中的流體力學問題，該假設都是適用的.例如，在標準狀況下，1mm3的空氣中有2.7×1016個分子，若取1μm 作為流體質點的特征尺寸，則在體積為1μm3 的流體質點中，還包含有2.7×107 個空氣分子，完全能得到與個別分子運動無關的統計平均值.另外，1μm 相對于一般工程問題又是一個非常小的量，完全可以將其視為一宏觀無窮小量.但對一些特殊問題，該假設不適用.例如，火箭在高空非常稀薄的氣體中飛行以及高真空技術中，由于分子間距與有效尺寸到了可以比擬的程度，故必須舍棄宏觀的連續介質的研究方法，代之以分子動力論的微觀方法。
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