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工程流体力学 第2版 
定 价：49 元 丛书名：上海普通高校优秀教材
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上海普通高校优秀教材工程流体力学
第2版丁祖荣编著 机械工业出版社 本书遵循钱学森先生倡导的工程科学思想和应用力学方法论编著，并符合教育部高等学校力学教学指导委员会和力学基础课程指导分委员会最新制定的《流体力学课程教学基本要求》。 绪论篇介绍工程科学思想和应用力学方法。基础篇包括流体基本概念、流体静力学、流体运动学、流体动力学、量纲分析法与相似理论。问题导向篇包括圆管流动与混合长度理论、缝隙流动与流体动力学润滑理论、气体喷管流动与一维等熵流模型。 本书的适用对象是机械工程类专业及其他少学时专业的本科生，也可供相关专业的教师和工程技术人员参考。
本书的编写遵循钱学森的工程科学思想和应用力学方法论，得到业内专家和同行的肯定，第1版（2013）获上海普通高校优秀教材奖（一等奖，2015）。根据多年来的教学实践和使用单位的反馈意见，对第1版进行了修订，仍保持绪论篇、基础篇和问题导向篇三部分格局，说明如下。
（1）根据工程科学的思想，工程流体力学需避免单纯经验性的倾向，首先应建立在坚实的理论基础之上。本版仍延续第1版的传统，基础篇包含了较完整的理论体系、较系统的推导和演绎，但叙述和表达方法尽量简明扼要，让工科学生易于理解和掌握。例如，关于流体质点和质元、流体易变形性、流体内摩擦概念、应力矩阵的特殊形式、控制体和雷诺输运公式、流体元变形和旋转取一点邻域极限的观念、伯努利方程的多种形式、N-S方程建模与求解、模型实验与相似理论等知识点，采用了与其他教材有所不同的解释和表述，让读者获得清晰的物理概念，夯实理论基础，以利于后面的工程应用。 （2）根据应用力学方法论，在问题导向篇仍采用问题导向型叙述方法，即遵循学生的认识规律，按照提出问题—实验与观察—建模与求解—应用—小结等步骤，逐步展开。为了让读者了解研究和解决问题的全过程，尽量追溯每个知识点的源头，还原其历史本来面貌，其中有些内容是首次写入教科书中。在每一章后附有详细的原始文献。 （3）鉴于目前针对机械工程类专业的工程流体力学教材偏少的现状，本版割舍了非机械工程类专业的章节，保留并加强了与机械工程类专业相关的内容。其中包含了其他教材少有的知识点，如萨弗管道阻力实验、科尔布鲁克管道实验、托尔斯轴承实验、喷管的斯托多拉实验和普朗特实验等。 （4）第1版前言中“几点说明”的前4条照旧。 （5）对全书内容进行全面整理、勘误和润色，使其更具可读性和准确性。 （6）本书的适用对象是机械工程类专业及其他少学时专业的本科生，也可供工程技术人员参考。 因作者水平有限，书中难免存在不当和谬误之处，敬请专家与其他读者不吝指出，帮助作者及时修正。 丁祖荣2023年9月于上海交通大学第1版前言 我国近代力学的奠基人、航天技术的开创者钱学森先生在回顾了20世纪初到20世纪中叶科学与技术的发展历程，特别是总结了航空、核能和雷达等新技术的研制经验后提出了工程科学思想。他指出，除了自然科学外已形成了工程科学（又称技术科学），在力学领域内除了经典理论力学外已形成了应用力学。到1982年他更是着重指出，“力学发展到现在，主要是应用力学”。2011年在纪念钱学森先生诞辰100周年的中国力学大会上，力学界达成共识：我国的力学今后应主要沿着工程科学的道路发展，重点是发展应用力学。但是这一共识在高校目前的力学基础课程中还未得到充分体现，编写本书是用工程科学思想和应用力学方法论指导流体力学教学改革的一次尝试。 一、指导思想 1.树立科学观念，夯实理论基础 按工程科学的观点，“人类的技术革命已开始从过去的‘工匠革命’阶段进入到‘科学家革命’时代”，即“任何重大新技术的出现已不再来源于单纯经验性的发明，而来源于由工程需求推动的科学理论与实验相结合的基础性研究”（参见绪论A1.2）。科研人员、技术研发人员和工程师们应认识新时代的特点，树立工程科学的观念，努力掌握较宽厚的基础理论知识。基于这种观念，本书设立了阐述钱学森工程科学思想的“绪论篇”和归纳流体力学基础知识的“基础篇”。 2.学习科学方法，加强能力培养 钱学森先生总结的应用力学方法本质上就是问题导向型研究方法。该方法是从工程中提炼关键性问题，建立物理和数学模型，模型的求解经过实验检验，最后将结果应用于工程实践（参见绪论A1.3）。本书设立的“问题导向篇”从还原历史的角度介绍了跨多个专业的典型案例，剖析了每个案例是如何运用应用力学方法研究和解决问题的。通过对这些案例的学习，除能掌握必要的专业知识外，更着重于领会应用力学方法的精髓，提高认识和解决问题的能力。 3．提供共同语言，弘扬协作精神 大量事实证明，当今重大工程技术成果的取得离不开三类人员的密切配合和团队协作：第一类是对关键问题进行建模、求解和分析的工程科学家；第二类是将新概念和新方法应用于设计和工艺改革之中的科学工程师；第三类是组织新产品制造的工艺工程师。三类人员为了相互沟通，需要具有共同的理念，运用共同的语言，熟悉相关术语和符号。本书为三类人员提供相互交流的共同语言。前两类人员需要较完整地学习本书的全部或大部分内容，后一类人员可学习其中部分内容或将其作为必备的参考书。 二、内容编排 在以上思想的指导下，本书在以下几方面做了探索和改进： 工程流体力学第2版 第1版前言1． 关于书名 早在建立应用力学学科之前就有工程力学的提法。例如,在1890年德国慕尼黑工业大学就开设工程力学课程，出版工程力学教材。在我国，工程力学作为一个学科是20世纪50年代钱学森先生回国后创立的。按钱学森先生的说法，近代力学主要是应用力学，又称为工程力学，它应包含一般力学、固体力学和流体力学三大分支。国内将为工程专业开设的流体力学课程称为“工程流体力学。”本书冠名为“工程流体力学”则体现以工程科学思想为宗旨；同时为了强调应用力学方法，而该方法本质上是问题导向型研究方法，因此将“问题导向型”列为副标题。 [1]Ⅴ[1]Ⅵ2.结构编排 全书内容按枝状开放式结构编排，分为四个层次，分别对应于篇、章、节和知识点。 第一层次用字母A，B,C,D,E编号，分别为绪论篇、基础篇、问题导向篇、专题篇和附录。绪论篇阐述流体力学工程科学思想及其形成过程，介绍应用力学的研究方法。后三篇分别按教育部对工程流体力学课程基础部分和专题部分的基本要求，结合本书的特点编排。基础篇包含了为建立物理和数学模型及分析求解所必需的流体力学基础知识。问题导向篇以7个工程问题为导向，介绍如何运用应用力学方法研究和解决这些问题。专题篇包含流体传质、泵与风机两个专题。附录包括常用数据表、单位换算表、习题答案等。 后三个层次用英文字母加数字编号并排序。例如,B篇中B1相当于章，B1.1相当于节，B1.1.1相当于知识点。公式、插图和表格在节内排序，如（B1.3.1），（B1.3.2）等表示属于B1.3。例题在知识点内排序，如例B2.3.1A、例B2.3.1B等表示属于B2.3.1内的例题。例题插图与例题同号并加字母E，如BE2.3.1A、例BE2.3.1B等。习题以节名标号排序并加字母P，如BP1.3.1，BP1.3.2等表示属于B1.3节内的练习题，以便于学生自主选择。补充新的例题和习题均不打乱其他知识点例题和其他节习题的排序。 3.核心内容 问题导向篇是本书的核心内容。按机械、环境、土木、农业工程等工程类专业的基本要求共设7章，相当于7个案例。每个案例以某个专业领域中的一个或多个关键工程问题为导向，例如 C1 管道流：如何计算圆管湍流阻力？ C2缝隙流：滑动轴承的油膜如何产生向上托力？ C3可压缩流：如何获得超声速气流？ C4平板绕流：平板绕流摩擦阻力如何形成和计算？ C5钝体绕流：如何解答达朗贝尔之谜？ C6明渠流：明渠流与圆管流有何差别？ C7渗流：如何分析多孔介质中的流动？ 每章按应用力学的研究步骤，即提出问题、实验与观察、建模、求解与分析、实验验证、应用的次序对内容进行了重新编排和梳理。在介绍每个问题时尽量追溯其源头，还原其历史本来面貌，让读者了解研究和解决这个问题的全过程。其中有些内容是首次写入教科书内： 在C1中介绍了英国的科尔布鲁克关于管道湍流粗糙过渡区的阻力实验，由此导出了管道湍流的普适阻力公式；在“管路的工程计算”中归纳了工程上常用的阻力计算方法。 在C3中介绍了瑞士的斯托多拉对发展拉伐尔喷管和超声速研究所做的贡献。 在C6中不仅介绍了达西和巴赞在法国第戎市附近的明渠模型中所做的经典性实验，还介绍了美国的柯尔根用普朗特的方法推导二维明渠普适速度分布和阻力公式，也介绍了明渠穆迪图及其在人工明渠中的应用等。 在C7中总结了达西在管道流、明渠流和渗流研究中的贡献等。 运用应用力学的观点对每个案例进行了小结。 4．参考文献 参考文献分两类：统管全书的参考文献列于附录后，依次用数字［1］，［2］等排序；在问题导向篇中每章后附有与本章内容有关的参考文献，依次用章号加数字排序，如［C1-1］，［C1-2］等。后者尽量选择原始文献，以便于读者查阅。 三、几点说明 （1）国内许多流体力学教材将层流和湍流称为“流态”（在台湾称“流况”），将明渠流中的缓流、急流和临界流也称为“流态”。为了避免混淆,作者查阅了国外英文教材。几本权威性英文教材将层流和湍流归于regimes，本书译为“流型”；将明渠流中的缓流、急流和临界流称为states，本书译为“流态”。 （2）对首次出现的重要外国人名均列出英文名称和相关年份，并对中文译名进行重新校核。中文译名采用《英语姓名译名手册》（第4版，商务印书馆，2009）中的名称。如:Keulegan译为柯尔根（有的书译为科尔干或考尔根），Hazen & Williams译为海曾-威廉斯（有的书译为海澄-威廉）等。 （3）如何称呼所有量纲指数都等于零的量，至今仍是一个有争议的问题。国标GB/T 3101—1993指出“所有量纲指数都等于零的量往往称为无量纲量”，也称为“量纲为1的量”。本书采用“无量纲量”的提法。 （4）本书物理参数的拉丁字母和希腊字母列于主要符号表中，主要依据是国标GB/T 3101—1993。原则上平均值用大写字母表示（如平均速度V、流量Q等），分布量用小写字母表示（如速度分量u,v,w，明渠单位宽度的流量q等）。为了便于阅读国外文献，一些参数的英文符号尽量选用国外文献通用的符号。 （5）本书的适用对象是工程类专业的本科生，如机械、环境、土木、农业工程、工程力学及相关专业的学生。全书分为上、下两册。机械类专业学生可只使用上册，环境、土木、农业工程和工程力学类专业学生需要用上、下册。本书也可供其他专业的教师、学生和工程技术人员参考。 何友声院士看了本书初稿，提出了一些重要的建议和修改意见。复旦大学的许世雄教授担任本书的主审，提出了许多有价值的意见和建议，对提高本书质量很有帮助。华北水利水电大学的李国庆教授审阅了“明渠流动及其二维模型”，提出了详细的修改意见。在此一并表示衷心的感谢。还要感谢博士生
目录
第2版前言 第1版前言 主要符号表 A绪论篇 A1.1对流体运动的认识 1 A1.2流体力学从经典到近代的 发展3 A1.2.1经典流体力学时期3 A1.2.2近代流体力学时期4 A1.2.3近代流体力学的技术成就6 A1.3应用力学的研究方法7 A1.3.1应用力学研究步骤7 A1.3.2用党的二十大精神指导教学9 A1.4单位制10 参考文献10B基础篇 B1流体基本概念12 B1.1连续介质模型12 B1.1.1流体的宏观特性12 B1.1.2流体质点与质元13 B1.1.3连续介质模型概述13 B1.2流体的易变形性14 B1.2.1流体易变形性的表现14 B1.2.2流体易变形的原因 15 B1.3流体的黏性16 B1.3.1流体黏性的表现16 B1.3.2牛顿黏性定律17 B1.3.3黏度20 B1.4流体的可压缩性21 B1.5常用的流体模型23 B1.5.1无黏性与黏性流体模型24 B1.5.2不可压缩与可压缩流体 模型25 B1.6流体中的力26 B1.6.1体积力与重力场27 B1.6.2表面应力与压强场 28 习题30 B2流体静力学32 B2.1静止液体中的压强分布 32 B2.1.1静止液体压强公式32 B2.1.2压强的计示与计量34 B2.2流体静力学基本方程35 B2.3静压强测量36 B2.4欧拉平衡方程38 B2.5液体对平壁的总压力41 B2.5.1平壁总压力大小42 B2.5.2平壁总压力作用点43 B2.6液体对曲壁的总压力45 B2.6.1液体对二维曲壁的总压力46 B2.6.2浮力定律48 习题50 B3流体运动学55 B3.1流动的数学描述 55 B3.1.1欧拉法与拉格朗日法55 B3.1.2质点导数57 B3.1.3控制体与雷诺输运公式60 B3.1.4曲面流量62 B3.2流动的分类64 B3.2.1定常与不定常流动64 B3.2.2三维、二维与一维流动65 B3.3流动的几何描述67 B3.3.1速度廓线与剖面67 B3.3.2迹线67 B3.3.3流线68 B3.3.4脉线70 B3.3.5流管、流束与总流71 目录B3.4流体元的变形与旋转71 B3.4.1线应变率71 B3.4.2角变形率73 B3.4.3旋转角速度74 习题76 B4流体动力学79 B4.1质量守恒方程 79 B4.1.1积分形式的连续性方程79 B4.1.2微分形式的连续性方程81 B4.2伯努利方程及其应用83 B4.2.1伯努利方程83 B4.2.2伯努利方程沿总流的表 达式88 B4.2.3伯努利方程的水头表达式91 B4.2.4伯努利方程的推广形式92 B4.3动量方程及其应用93 B4.3.1积分形式的动量方程93 B4.3.2定常流动量方程应用 举例94 工程流体力学第2版B4.4层流与湍流98 B4.5纳维-斯托克斯方程102 B4.5.1流体运动微分方程 102 B4.5.2N-S方程103 B4.5.3定解条件105 B4.5.4N-S方程的求解与建模106 B4.6欧拉运动方程108 B4.7雷诺方程与雷诺应力109 习题111 B5量纲分析法与相似理论 115 B5.1量纲与无量纲化115 B5.2量纲分析法118 B5.2.1白金汉定理118 B5.2.2量纲分析法118 B5.3流动相似与相似准则123 B5.3.1流动相似的概念123 B5.3.2确定相似准则数的方法 124 B5.3.3常用的相似准则数125 B5.4模型实验与相似理论127 B5.4.1模型实验127 B5.4.2相似理论简介127 习题130C问题导向篇 C1圆管流动与混合长度理论132 C1.1问题：如何计算圆管湍流阻力132 C1.2圆管层流流动133 C1.2.1实验与观察：泊肃叶与 哈根实验133 C1.2.2建模与求解：速度分布 抛物线律135 C1.2.3泊肃叶定律136 C1.3圆管湍流流动138 C1.3.1实验与观察：湍流时均 速度和脉动速度138 C1.3.2分析与建模：混合长度 理论140 C1.3.3求解：速度分布对数律141 C1.4圆管流动沿程损失146 C1.4.1沿程阻力通用公式—— 达西公式146 C1.4.2实验与观察：圆管阻力实验147 C1.4.3求解：阻力系数公式151 工程流体力学（问题导向型）（上册）C1.4.4应用：穆迪图及管道水 力计算156 C1.4.5应用：非圆形管流动沿 程损失160 C1.5圆管流动局部损失162 C1.6管路的工程计算167 C1.6.1管路工程计算简介167 C1.6.2管路的工程计算式169 C1.6.3简单管路计算171 C1.6.4串联与并联管路计算175 C1.6.5枝状管路计算178 C1.6.6网状管路计算180 C1.7小结184 参考文献185 习题186 C2缝隙流动与流体动力学润滑 理论 190 C2.1问题：滑动轴承的油膜如何 产生向上托力 190 C2.2实验与观察191 C2.3平行平面缝隙流动192 C2.3.1物理和数学建模193 C2.3.2求解与分析 194 C2.4倾斜平面缝隙流动——流体 动力学润滑理论 198 C2.4.1物理和数学建模 198 C2.4.2求解与分析200 C2.5环形缝隙轴向流动204 C2.5.1同心环形缝隙轴向流动204 C2.5.2偏心环形缝隙轴向流动205 C2.6平行圆盘缝隙径向流动206 C2.7小结208 参考文献209 习题210 C3气体喷管流动与一维等熵流 模型213 C3.1问题：如何获得超声速气流 213 C3.2有关超声速气流的概念 214 C3.2.1声速214 C3.2.2超声速流场中扰动波传 播规律215 C3.2.3激波与膨胀波简介217 C3.3实验与观察219 C3.3.1拉伐尔喷管219 C3.3.2斯托多拉实验和普朗特 实验220 C3.4建模与分析：完全气体模型221 C3.5建模与分析：一维等熵流动 模型224 C3.5.1绝能流能量方程 224 C3.5.2等熵流伯努利方程225 C3.5.3等熵流气动函数226 C3.6应用：拉伐尔喷管流动原理228 C3.7应用：喷管流动计算231 C3.7.1收缩喷管流动计算231 C3.7.2拉伐尔喷管流动计算232 C3.8小结235 参考文献 236 习题237D附录D1常用数据239 D1.1常用流体的物理性质 239 D1.2单位换算表 241 D1.3有关数学公式243 D1.3.1直角坐标系中的矢量运算243 D1.3.2柱坐标系中的表达式244 D1.4有关几何图形与公式 245 D1.5等熵流气动函数数据246 D2习题答案251 参考文献257[1]ⅩⅢ
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