应用流体力学

内 容 简 介

本书为前言

在编写过程中，本书注重概念的讲解，，对于涡旋流动、势流、湍流、翼型和叶栅理论的概念论述比较深入;同时，从工程应用角度出发，书中内容自成体系;此外，为了加深对内容的理解，每章后均附有一定数量的习题，供教学使用和读者自我检查。

全书共分9章，第1、2、3、8、9章由吴玉林、刘树红编写，第4、5、6章由周雪漪、陈庆光编写，第7章由左志钢编写，全书由刘树红、左志钢统稿并整理、补充和改写。本书可作为流体机械、叶轮动力机械、建筑机械、化工工程、矿山工程、石油和天然气工程各专业的本科生和研究生的教学及科研参考书，以及供上述专业的工程技术人员参考。

在编写过程中，得到编者所在的清华大学热能工程系和水利工程系的前辈和同事们的支持，也得到其他高校有关教师的帮助，在此表示衷心的感谢!

对于书中存在的缺点和错误，敬请读者批评指正。

编 者2011年10月

第1章 基本概念1

1.1 流体力学的发展1

1.2 两种基本流态--层流和湍流5

1.3 流体的传输性质9

1.4 应变率张量和应力张量12

1.5 广义牛顿定律19

习题22第2章 流体力学的基本方程23

2.1 表述流体运动的方法23

2.2 连续方程26

2.3 运动方程27

2.4 能量方程31

2.5 状态方程35

2.6 纳维-斯托克斯方程的解析解35

2.6.1 平行流动36

2.6.2 缓慢流动的纳维-斯托克斯方程的近似解40

2.6.3 滑动轴承内油膜的流动44

习题46第3章 涡旋运动48

3.1 涡旋运动的基本概念48

3.2 黏性流动中涡的传输方程52

3.2.1 黏性流动中涡的传输方程52

3.2.2 黏性流动速度环量和涡通量的变化53

3.3 无黏性流动中涡的传输方程55

3.3.1 开尔文定理55

3.3.2 拉格朗日涡保持性定理56

3.3.3 海姆霍兹涡面和涡管保持性定理57

3.3.4 海姆霍兹涡管强度保持性定理58

3.4 涡旋在不可压无黏性流动中引起的速度场59

3.4.1 涡旋场感生的速度场59

3.4.2 涡线感生的速度场--比奥-萨瓦尔公式61

3.4.3 直涡线感生的速度场62

3.5 常见的涡旋运动64

3.5.1 涡对64

3.5.2 卡门涡街67

3.5.3 兰金组合涡68

3.6 涡旋运动的产生、扩散和衰减72

3.6.1 无黏性非正压流体中涡旋运动的产生72

3.6.2 无黏性与体积力无势流体中涡旋运动的产生73

3.6.3 黏性流体中涡旋运动的产生、扩散和衰减74

3.7 流体机械的涡旋流动78

3.7.1 轴流式叶轮中的二次流动和涡旋78

3.7.2 离心式叶轮中的二次流动和涡旋79

3.7.3 叶轮中的二次流动和涡旋的分析80

3.7.4 叶轮机械中的旋转涡带81

习题84第4章 无黏性不可压缩流体的无旋运动87

4.1 无黏性不可压缩流体的无旋运动的基本方程87

4.1.1 无黏性不可压缩流体的无旋运动的速度势函数和

基本方程87

4.1.2 速度势函数和无旋运动的性质90

4.2 平面运动的流函数92

4.2.1 平面运动92

4.2.2 不可压缩流体平面运动的流函数93

4.3 平面定常无旋运动的复势97

4.3.1 复势98

4.3.2 平面基本流动的复势99

4.4 轴对称无黏性不可压缩流体的无旋运动--轴对称势流106

4.4.1 不可压缩轴对称流动的流函数及其性质108

4.4.2 轴对称势流的势函数110

4.5 基本流动111

4.5.1 直线均匀流动111

4.5.2 源、汇流动112

4.5.3 偶极子流动113

4.6 平行流和偶极子的叠加及圆球绕流问题114

4.7 平行流和源汇连续分布的叠加、回转体无冲角绕流问题116

习题118第5章 翼型绕流120

5.1 翼型的几何特性和流体动力特性120

5.2 翼型的动力特性122

5.3 物体绕流的保角变换方法128

5.3.1 无分离流动保角变换方法的基本思想128

5.3.2 物面变换129

5.3.3 流动变换134

5.4 儒可夫斯基翼型绕流137

5.4.1 复势与复速度137

5.4.2 不同环量的流谱139

5.4.3 库塔-儒可夫斯基假定: 翼型环量的确定141

5.4.4 儒可夫斯基翼型上的升力142

5.5 任意柱形物体不脱体绕流问题142

5.5.1 变换函数143

5.5.2 复势、复速度143

5.5.3 任意柱形物体绕流环量的确定144

5.5.4 勃拉休斯合力公式145

5.5.5 任意翼型的儒可夫斯基升力定理146

5.6 薄翼理论--奇点分布法148

5.6.1 小冲角薄翼绕流问题148

5.6.2 诱导(扰动)流速150

5.6.3 翼型基本方程152

5.6.4 薄翼的动力特性154

5.6.5 薄翼绕流举例155

5.7 有限翼展机翼、诱导阻力159

5.7.1 有限翼展机翼绕流的流动情况159

5.7.2 下洗诱导流速和诱导阻力160

5.7.3 升力系数曲线的展弦比换算162

习题164第6章 叶栅绕流166

6.1 概述166

6.1.1 叶栅的几何参数166

6.1.2 叶栅分类167

6.1.3 叶栅绕流问题的提法168

6.2 叶栅的绕翼型环量169

6.2.1 叶栅进出口的水流参数169

6.2.2 平面直列移动叶栅的绕翼型环量170

6.2.3 平面环列转动叶栅的绕翼型环量172

6.2.4 环量与栅前流动方向间的关系172

6.3 流体绕直列叶栅流动时对翼型的作用力173

6.3.1 理想流体绕直列叶栅流动时对翼型的作用力173

6.3.2 实际流体绕直列叶栅流动时对翼型的作用力176

6.3.3 叶栅效率177

6.4 叶栅特征方程178

6.4.1 不动叶栅的特征方程式178

6.4.2 运动叶栅的特征方程式181

6.5 直列平板叶栅绕流的保角变换法183

6.5.1 来流速度平行于平板叶栅的无环量绕流183

6.5.2 来流速度垂直于平板叶栅的无环量绕流185

6.5.3 纯环量绕流186

6.5.4 平板叶栅的任意绕流187

6.5.5 平板叶栅中环量的确定187

6.6 叶栅的动力特性系数188

6.6.1 叶栅的动力特性系数188

6.6.2 直列平板叶栅的升力修正系数189

6.6.3 任意翼型叶栅的升力修正系数191

6.7 用奇点法求解直列薄翼叶栅绕流191

6.7.1 无限单涡列的诱导流场192

6.7.2 直列薄翼叶栅上分布涡的诱导流场193

习题197第7章 风力机转轮空气动力学199

7.1 风力发电机简介199

7.2 风力机叶片空气动力学201

7.3 理想风力机的一维动量理论206

7.4 经典叶素动量理论212

7.5 其他问题216

习题217第8章 湍流基本理论218

8.1 湍流的基本特征218

8.2 湍流平均运动的连续方程和动量方程223

8.3 湍流能量方程228

8.4 湍流的半经验理论和零方程模型234

8.5 ?k-ε?模型和应力模型239

习题243第9章 内部流动245

9.1 圆管流动245

9.2 非圆截面的管流和弯曲管流259

9.3 渠道湍流264

习题266附录A 常用物性参数表268参考文献271