粘性流体力学

作者章梓雄/等
出版社
出版时间1999-08-01

特色:

内容提要本书系统地讲述以水为代表的不可压缩粘性流体力学的基本理论。全书共分十二章。前五章为粘性流体力学的基本理论与方程。第六至第八章为紊流的基本理论与方程。第九至第十二章分别讲述各种典型的紊流流动:射流、尾流、圆管紊流、紊流平板边界层及明槽紊流。在附录中给出“场论与张量基本运算知识”。本书可作为水利、水电、土木、环境、海洋、港口、海岸、船舶、机械及其他以流体特别是液体为对象的工程专业研究生粘性流体力学课程教材或教学参考书。本书有助于广大水力学教师提高理论修养,深入理解现代流体力学的基本内容。也可作为有关专业从事科研、教学及工程工作的科技人员的参考用书。片断:理论流体力学进一步的发展是自1821年开始,纳维(Claude-Louis-Marie-HenriNavier,1785年—1836年)等人开始考虑将分子间的作用力加入到欧拉方程中去。1845年斯托克斯(GeorgeGabrielSt0kes,1819年-1903年)将这个分子间的作用力用粘性系数μ表示,并正式完成了纳维-斯托克斯方程,*终建立了粘性流体力学的基本方程,奠定了近代粘性流体力学的基础。但是,由于方程式的非线性,解此方程,在数学上碰到了很大的困难。因此,一直到19世纪末,理论的和实验的流体力学仍然各自独立地发展。20世纪初,德国工程师普朗特(LudwigPrandtl,1875年—1953年)由于提出边界层理论(B0undaryLayerTheory)而对流体力学,特别是粘性流体力学的发展做出了卓越的贡献。普朗特提出在雷诺数很大的情况下,粘性的作用主要局限在绕流物体或其他流动边界的固体壁面附近很薄的一层流动中,这个薄层称为边界层。边界层外部流动则可按理想流动处理。这一设想克服了粘性流动求解中数学上的巨大困难。根本上解决了流动阻力和能量损失这样重大的粘性流动问题。边界层理论的提出使理论和实验完美地统一起来,从而使流体力学的两个分支——理想流体力学和水力学逐渐结合和统一,使流体力学得到划时代的发展。在诸多工程领域中,航空工程是首先应用边界层理论并在技术上取得重大突破的领域。随后造船、化工、机械等工程领域也都得益于边界层理论。近年来边界层理论也开始应用于解决水利、水电、环境及土木工程中的流动问题。现代大型电子计算机的飞速发展,使计算流体力学得到很快的发展,已经成为解决粘性流动问题的重要手段。高新技术的发展也使得在流体力学研究中的实验技术和量测仪器日新月异。激光、超声、电子技术、图像采集与处理技术均已逐渐得到广泛应用。这些都为人类进一步深入观测和探索流动现象,特别是精细的、机理性的研究提供了强有力的手段。理论、计算和实验方法的结合正在孕育着流体力学新的突破。当今世界面临的重大全球性问题中,水资源短缺、环境保护、防灾减灾、海洋开发等无不与流体力学有着密切的关系。相信在解决这些重大问题的过程中,粘性流体力学也会得到迅速的新发展。1-1-2粘性流动举例为了说明粘性流动与理想流动的不同,并充分认识粘性流动的复杂性,首先研究二维圆柱体的绕流。均匀流动流过半径为r0的二维圆柱是一个经典流体力学问题。对于不可压缩理想流体,圆柱绕流的精确解是均匀流与偶极子的叠加,流速分布用右手柱坐标(r,θ,z)U∞为无穷远处未受扰动的来流流速,ur为径向流速,uθ为圆周向流速,以逆时针方向为正。这种流动的流线可见图1-1。

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