本書對流體的物理屬性、靜止流體的平衡規(guī)律、流體運(yùn)動的基本概念與規(guī)律、可壓縮流體與不可壓縮流體概念、相似原理以及氣體運(yùn)動的基本規(guī)律等基本概念進(jìn)行了詳細(xì)介紹。
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流體動力學(xué)（含氣體動力學(xué)）課程是飛行器動力工程專業(yè)和其他動力類專業(yè)重要的專業(yè)基礎(chǔ)課。本書使用對象以動力類專業(yè)的本科生為主，也可作為能源、民航、水利、機(jī)械、車輛、艦船、石化等專業(yè)本科生、研究生和青年科技工作者的參考書使用。
面對國家對飛行器動力的強(qiáng)烈需求，尤其是對創(chuàng)新性高層次人才的迫切需求，本書力求做到深入淺出，物理概念準(zhǔn)確、清晰。從提高學(xué)生跨學(xué)科的綜合素質(zhì)和能力培養(yǎng)方面出發(fā)，本書強(qiáng)調(diào)基礎(chǔ)、強(qiáng)調(diào)物理概念的理解、強(qiáng)調(diào)理論聯(lián)系實(shí)際、強(qiáng)調(diào)知識創(chuàng)新，注意安排各章節(jié)的內(nèi)容深淺和敘述方式，使得新書易于為學(xué)生所接受，以加強(qiáng)學(xué)生分析、解決實(shí)際問題的能力。
本書突出了航空航天和國防特色，例如從氣動原理出發(fā)介紹進(jìn)氣口、擴(kuò)壓器、尾噴管等基本概念。增加專門章節(jié)，介紹流體動力學(xué)在工程中的應(yīng)用實(shí)例和設(shè)計(jì)、使用方法，使新書更好地為培養(yǎng)國防建設(shè)和經(jīng)濟(jì)建設(shè)人才服務(wù)。
全書共11章，前6章包括流體的基本物理性質(zhì)、流體靜力學(xué)、流體運(yùn)動學(xué)、流體動力學(xué)、相似原理、湍流基礎(chǔ)和邊界層基本概念，是一般流體力學(xué)基礎(chǔ)。第7～10章涵蓋氣體動力學(xué)的主要部分，以可壓縮性為主線，介紹了擾動波、激波概念、各種一維定常管流和經(jīng)典的流場計(jì)算特征線法。第11章則介紹了氣體動力學(xué)的工程應(yīng)用。
張堃元教授、徐驚雷教授、譚慧俊教授、鐘易成副教授、汪明生副教授、金志光副教授參與了本書的編寫。其中第1章、第7章由徐驚雷編寫；第5章、第6章由譚慧俊編寫；第2章、第4章由鐘易成編寫；第3章、第10章由汪明生編寫；第11章由金志光編寫；第8章、第9章由張堃元編寫；全書的大部分附圖由金志光負(fù)責(zé)繪制，張堃元負(fù)責(zé)全書的統(tǒng)稿，統(tǒng)稿中調(diào)整和重新改寫了部分章節(jié)中的內(nèi)容。全書經(jīng)河海大學(xué)王惠民教授的認(rèn)真審閱，提出了不少建設(shè)性建議，編者在此深表謝意。
限于編者水平，書中難免有不妥之處，敬請批評、指正。
目錄
前言
第1章 流體的物理性質(zhì) 1
1.1 流體的力學(xué)特征和連續(xù)介質(zhì)假設(shè) 1
1.1.1 流體特性及其連續(xù)介質(zhì)假定 1
1.1.2 密度、比容、相對密度和重度 2
1.1.3 流體壓縮性、可壓流與不可壓流 3
1.1.4 黏性、有黏流和無黏流 5
1.2 作用在流體上的力：質(zhì)量力和表面力 10
1.2.1 作用在流體上的力 10
1.2.2 單位與量綱 10
1.3 歐拉平衡方程和等壓面 11
1.3.1 流體靜壓強(qiáng)及其特性 11
1.3.2 流體平衡微分方程及其積分，等壓面 13
1.4 重力作用下大氣壓強(qiáng)隨高度的變化 16
1.4.1 氣體等溫狀態(tài)下的平衡規(guī)律 17
1.4.2 國際標(biāo)準(zhǔn)大氣 17
1.5 靜止流體對固體壁面的作用力 18
1.5.1 作用在平面上的總壓力 18
1.5.2 流體對曲面的作用力 24
1.6 絕對壓強(qiáng)，相對壓強(qiáng)，真空度，壓強(qiáng)的測量 27
1.6.1 絕對壓強(qiáng)，相對壓強(qiáng)，真空度 27
1.6.2 壓強(qiáng)的測量 28
1.7 流體的輸運(yùn)性質(zhì) 32
1.7.1 熱能輸運(yùn)——熱傳導(dǎo)現(xiàn)象 32
1.7.2 質(zhì)量輸運(yùn)——擴(kuò)散現(xiàn)象 33
1.8 流體的表面張力和毛細(xì)現(xiàn)象 34
習(xí)題 35
第2章 流體運(yùn)動學(xué)基本概念 37
2.1 流體運(yùn)動的描述 37
2.1.1 流場和流體微團(tuán) 37
2.1.2 研究流體運(yùn)動的兩種方法 38
2.1.3 隨流導(dǎo)數(shù)、跡線、流線和流管 39
2.2 流體微團(tuán)運(yùn)動分析 45
2.2.1 流體微團(tuán)的基本運(yùn)動形式 46
2.2.2 流體微團(tuán)的平移運(yùn)動、線變形及體變形、角變形和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動 47
2.3 流體運(yùn)動分類 53
2.3.1 定常流和非定常流 53
2.3.2 一維流、二維流、三維流 54
2.3.3 有旋流與無旋流 54
2.3.4 絕熱流動、等熵流動和均熵流動 58
2.4 勢函數(shù)與流函數(shù) 58
2.4.1 勢函數(shù) ' 58
2.4.2 平面流的流函數(shù) 59
2.4.3 流函數(shù) 的性質(zhì) 60
2.4.4 勢函數(shù)方程和流函數(shù)方程——拉普拉斯方程 61
2.4.5 等勢線和等流函數(shù)線的正交性 62
2.5 幾種簡單平面勢流及其疊加勢流 63
2.5.1 均直流 63
2.5.2 點(diǎn)源、點(diǎn)匯 64
2.5.3 點(diǎn)渦 64
2.5.4 勢流的疊加原理 65
2.5.5 螺旋流和偶極流 66
2.5.6 無環(huán)量的圓柱繞流 68
2.5.7 有環(huán)量的圓柱繞流——儒科夫斯基升力理論 70
習(xí)題 71
第3章 流體動力學(xué)基本方程 73
3.1 經(jīng)典力學(xué)的基本定律與雷諾 (Reynolds)輸運(yùn)定理 73
3.1.1 經(jīng)典力學(xué)的基本定律 73
3.1.2 雷諾輸運(yùn)定理 74
3.2 連續(xù)方程 76
3.2.1 用于控制體積的積分形式連續(xù)方程 76
3.2.2 微分形式的連續(xù)方程 78
3.3 理想流體動量方程 80
3.3.1 控制體積的積分形式動量方程 80
3.3.2 理想無黏流體微分形式動量方程——Euler(歐拉)運(yùn)動方程 85
3.4 實(shí)際有黏流體動量方程：N-S(納維{斯托克斯)方程 86
3.4.1 實(shí)際有黏流體的應(yīng)力和應(yīng)力形式的運(yùn)動微分方程 86
3.4.2 N-S(納維{斯托克斯)方程組 88
3.4.3 N-S方程的一個經(jīng)典解析解——Couette流動 90
3.5 不可壓和可壓流伯努利方程 92
3.5.1 不可壓流伯努利方程 92
3.5.2 可壓流伯努利方程 93
3.6 伯努利方程的應(yīng)用 94
3.6.1 伯努利方程的擴(kuò)展 94
3.6.2 伯努利方程的應(yīng)用舉例 95
3.7 動量矩方程 99
3.8 能量方程 102
3.8.1 積分形式的能量方程 102
3.8.2 微分形式的能量方程 106
習(xí)題 106
第4章 相似原理 111
4.1 相似現(xiàn)象 113
4.1.1 幾何相似 113
4.1.2 運(yùn)動相似 114
4.1.3 動力相似 115
4.2 相似理論——相似三定理 115
4.2.1 相似第一定理 115
4.2.2 相似第二定理 117
4.2.3 相似第三定理 117
4.3 相似準(zhǔn)則的確定 118
4.3.1 方程分析法 118
4.3.2 量綱分析法 120
4.3.3 常用相似準(zhǔn)則的物理意義 124
4.4 流體動力學(xué)的模型試驗(yàn)研究 125
4.4.1 全面力學(xué)相似的模型試驗(yàn) 125
4.4.2 近似相似的模型試驗(yàn) 125
4.4.3 試驗(yàn)研究的基本要點(diǎn) 126
習(xí)題 131
第5章 湍流基礎(chǔ)與不可壓管流損失 133
5.1 層流、湍流和流動損失分類 133
5.1.1 雷諾實(shí)驗(yàn)和層流、湍流 133
5.1.2 流態(tài)的判別 134
5.1.3 水頭損失與流速的關(guān)系 136
5.2 湍流基礎(chǔ) 137
5.2.1 湍流的一般定義和描述 137
5.2.2 湍流的統(tǒng)計(jì)平均和半經(jīng)驗(yàn)理論 138
5.3 圓管中的流速分布及沿程損失計(jì)算 143
5.3.1 充分發(fā)展的等直圓管層流流動 143
5.3.2 充分發(fā)展的圓管湍流流動 146
5.4 局部損失 154
5.4.1 典型局部損失區(qū)域的流動特征及損失計(jì)算 154
5.4.2 減少管內(nèi)局部損失的方法 159
5.4.3 局部損失的利用——迷宮式篦齒封嚴(yán) 160
5.5 管路計(jì)算基礎(chǔ) 161
5.5.1 同徑串聯(lián)管路 161
5.5.2 異徑串聯(lián)管路 162
5.5.3 并聯(lián)管路 162
5.5.4 枝狀管網(wǎng)系統(tǒng) 163
5.5.5 環(huán)狀管網(wǎng)系統(tǒng) 163
5.6 湍流射流的基本特性 167
5.6.1 自由沉沒射流的結(jié)構(gòu) 168
5.6.2 自由沉沒射流的參數(shù)分布規(guī)律 169
習(xí)題 173
第6章 邊界層理論基礎(chǔ) 176
6.1 邊界層理論的歷史背景 176
6.2 邊界層的基本概念 177
6.2.1 邊界層的形成 177
6.2.2 邊界層的發(fā)展 178
6.2.3 邊界層厚度參數(shù)的定義和形狀因子 179
6.3 邊界層微分方程 182
6.4 邊界層的動量積分方程 184
6.5 邊界層的求解 186
6.5.1 邊界層的相似解法 186
6.5.2 邊界層的數(shù)值解法 187
6.5.3 邊界層的近似解法 187
6.5.4 平板邊界層近似求解 187
6.6 邊界層的分離及控制 191
6.6.1 邊界層的分離現(xiàn)象描述 191
6.6.2 分離前后邊界層內(nèi)的速度分布 192
6.6.3 湍流邊界層的分離 193
6.6.4 邊界層的控制 193
6.7 高超聲速流邊界層簡介 197
習(xí)題 199
第7章 氣體動力學(xué)的基本概念 201
7.1 微弱擾動在氣流中的傳播 201
7.1.1 聲速和馬赫數(shù) 201
7.1.2 微弱擾動在氣流中的傳播規(guī)律 202
7.1.3 亞聲速氣流和超聲速氣流的差別 203
7.2 理想氣體流動的基本方程組和邊界條件 204
7.2.1 基本方程 204
7.2.2 熵方程和聲速方程 205
7.2.3 狀態(tài)方程 206
7.2.4 氣體動力學(xué)方程 206
7.2.5 初始條件和邊界條件 206
7.3 幾個重要的氣流參數(shù) 207
7.3.1 滯止參數(shù) 207
7.3.2 極限速度 210
7.3.3 臨界參數(shù) 210
7.3.4 速度系數(shù) 211
7.4 氣體動力學(xué)函數(shù)及其應(yīng)用 212
7.4.1 函數(shù)*、π、* 213
7.4.2 流量函數(shù) 214
7.4.3 沖量函數(shù) 216
習(xí)題 220
第8章 膨脹波、壓縮波和激波 221
8.1 超聲速氣流中的擾動波 221
8.2 膨脹波、壓縮波的形成及其特點(diǎn) 222
8.2.1 幾何邊界產(chǎn)生的膨脹波 222
8.2.2 壓力邊界產(chǎn)生的膨脹波 223
8.2.3 等熵壓縮波 224
8.3 普朗特{梅耶 (Prandtl-Meyer)膨脹波的計(jì)算 224
8.4 膨脹波的反射和相交 228
8.4.1 膨脹波在固體壁面上的反射 229
8.4.2 異族膨脹波的相交 230
8.4.3 膨脹波在自由邊界上的反射 232
8.4.4 膨脹波和壓縮波的相交 233
8.5 激波的形成和正激波 235
8.5.1 激波的形成 235
8.5.2 激波的分類 236
8.5.3 正激波的計(jì)算 236
8.6 斜激波前后參數(shù)的計(jì)算 240
8.6.1 斜激波和正激波的關(guān)系 240
8.6.2 斜激波的激波角β和氣動參數(shù)計(jì)算 241
8.7 激波的反射和相交 243
8.7.1 斜激波在固體壁面上的反射 244
8.7.2 斜激波在自由邊界上的反射 244
8.7.3 異族斜激波的相交 246
8.7.4 同族斜激波的相交 247
8.8 錐形激波 249
8.8.1 錐形激波的特點(diǎn) 250
8.8.2 錐形激波氣動參數(shù)的計(jì)算 251
習(xí)題 252
第9章 一維定常可壓縮管流 256
9.1 變截面管流 256
9.1.1 截面變化對氣流參數(shù)的影響 257
9.1.2 噴管和擴(kuò)壓器 259
9.2 收縮噴管 260
9.2.1 噴管出口流速Ve及臨界壓強(qiáng)比βcr 260
9.2.2 收縮噴管三種流態(tài) (亞臨界、臨界、超臨界)262
9.2.3 收縮噴管流動壅塞狀態(tài) 265
9.3 拉瓦爾 (Laval)噴管 266
9.3.1 拉瓦爾噴管等熵流面積比與馬赫數(shù)的關(guān)系 266
9.3.2 壓強(qiáng)比對拉瓦爾噴管流動的影響 267
9.4 等截面摩擦管流 273
9.4.1 摩擦對等截面管流氣流參數(shù)的影響 274
9.4.2 摩擦管流氣流參數(shù)的計(jì)算 275
9.4.3 摩擦壅塞 279
9.4.4 反壓對摩擦管流影響 280
9.5 等截面換熱管流 281
9.5.1 換熱對氣流參數(shù)的影響 281
9.5.2 換熱管流氣流參數(shù)計(jì)算 283
9.5.3 加熱壅塞 285
9.5.4 反壓對加熱管流的影響 285
9.5.5 冷凝波 286
9.6 變流量管流 287
9.6.1 變流量管流基本方程 287
9.6.2 流量變化對氣流參數(shù)的影響 288
9.6.3 變流量超聲速噴管 288
9.6.4 垂直于主流的變質(zhì)量流 289
習(xí)題 292
第10章 二維定常超聲速流特征線法與基本概念 295
10.1 特征線理論的引入 295
10.1.1 氣體動力學(xué)中特征線的物理背景 295
10.1.2 數(shù)學(xué)上的特征線概念 296
10.2 特征線理論基礎(chǔ) 297
10.2.1 氣體動力學(xué)中常用的擬線性偏微分方程 297
10.2.2 氣體動力學(xué)常用的擬線性偏微分方程一般形式 298
10.3 二維定常無旋超聲速氣流的特征線法 299
10.3.1 控制方程 299
10.3.2 特征線方程 300
10.3.3 相容方程 301
10.4 二維定常平面有旋超聲速氣流的特征線法 305
10.4.1 基本方程 305
10.4.2 二維定常平面有旋超聲速氣流的特征線 306
10.5 二維定常無旋超聲速氣流特征線法的數(shù)值計(jì)算 308
10.5.1 用特征線法計(jì)算流程的基本思路 308
10.5.2 典型單元過程 310
習(xí)題 317
第11章 氣體動力學(xué)的某些工程應(yīng)用 319
11.1 流場靜壓強(qiáng) (簡稱靜壓)測量 319
11.1.1 壁面靜壓測量 319
11.1.2 空間靜壓探針測量 320
11.2 流場總壓測量 322
11.3 氣流方向測量 323
11.3.1 低速氣流方向測量 323
11.3.2 熱線風(fēng)速儀測量氣流速度與方向 325
11.4 孔板流量計(jì)、文丘里管流量計(jì)及米字耙測流量 327
11.4.1 孔板 (orifice plate)流量計(jì) 327
11.4.2 文丘里管 (Venturi tube)流量計(jì) 328
11.4.3 “米”字耙測流量 330
11.5 風(fēng)洞 331
11.5.1 低速風(fēng)洞 331
11.5.2 跨聲速風(fēng)洞 332
11.5.3 高超聲速風(fēng)洞 332
11.6 進(jìn)氣道 334
11.6.1 亞聲速進(jìn)氣道 334
11.6.2 超聲速進(jìn)氣道 334
11.7 引射器 337
11.8 尾噴管 338
11.9 氣動激光窗 339
11.10 航空發(fā)動機(jī)試車臺 340
11.10.1 地面試車臺 341
11.10.2 高空試車臺 341
11.10.3 飛行試車臺 342
11.11 超燃沖壓發(fā)動機(jī)地面自由射流試驗(yàn)臺 342
習(xí)題 343
主要參考文獻(xiàn) 345
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