流體動力學

流體的力學性質與流體運動的基本概念，流體運動的基本方程，渦量與環量的一般原理，均質不可壓縮黏性流體的運動，不可壓縮流體的無旋運動，層流邊界層，紊流理論基礎，紊流邊界層，圓管紊流與明渠紊流，自由紊流與非均質流體中的紊流。每章末均附有習題，書末列出矢量分析若干公式與指標表示法、笛卡兒張量基礎、正交曲線坐標三個附錄，以及名詞索引。

本書的前身是河海大學的流體動力學講義，主要為水利、水電、環境、流體機械、治河、海岸、港口及航道等工程專業和工程力學、工程水文專業的研究生和需要流體力學知識較多的高年級本科生編寫。河海大學各專業共十一屆研究生和工程力學專業兩屆本科生的教學實踐證明，本書的內容、體系和敘述方法是可行的，且效果良好。在總結經驗的基礎上，充實調整內容，拓寬服務對象，完善體系，發揚特色，數易其稿，始成本書。

本書在內容上著重不可壓縮實際流體的動力學，間或涉及某些可壓縮流動問題，也是為了更好地闡明不可壓縮流動的基本原理。在體繫上打破了先理想流體、后黏性流體並且重前者、輕後者的慣常安排，以不可壓縮黏性流動為主線，把理想流體看作一定條件下和一定範圍內對黏性流體的近似；在讀者對不可壓縮黏性流動的主要性質和一般解法有通盤了解后，再展開無黏性流動特別是勢流理論的敘述。顯然，僅當對實際流動中黏性的作用和可以忽略黏性的條件與範圍有所認識以後，才談得上對無黏流理論特別是勢流理論的正確理解與實際應用。本書這樣安排，一方面符合近代流體力學在內容構成和研究方法上的特點；另一方面既可減免重複，節省學時，又能使讀者脈絡清楚、概念明確、易於掌握。考慮到當前我國部分工程研究人員不顧條件和範圍，動輒套用勢流解法和其他張冠李戴的流行弊病，我們認為，按此體系組織教學，尤為必要。

流體力學必然涉及對大學生甚至研究生來說都顯得較多、較艱深的數學內容，但是以各種流動問題的數學解法作為教學重點，無疑是與本課程的性質、任務不相符合的。因此本書力圖把重點放在流動現象、實驗事實的描繪和力學概念、力學原理的闡釋上，同時對如何把力學問題化為數學問題，和怎樣運用數學方法和數學技巧，也給予適當的注意。

我們在撰寫過程中注意遵循理論聯繫實際的原則。對於從實際流動問題中抽象提煉出力學概念和原理，以及這些概念、原理和實際情況的對比、聯繫這兩個方面，都予以重視。並且注意加強與水力學的聯繫，例如把三維分析所得的結論通過一維處理簡化成常見的水力學公式，又如對讀者已經熟知的水力學解法，運用流體力學原理來分析其理論依據等。

本書用2/5以上的篇幅討論了標誌近代流體力學發展的兩個重要部分——紊流和邊界層。對其中一些屬於學科發展前沿或實用價值較大的內容，如紊流統計理論和模式理論、紊流邊界層結構和解法、紊動擴散與離散，浮射流理論基礎等，也進行了一定的討論。

設想讀者已具備理論力學、水力學（或初等流體力學）、數理方程、線性代數、複變函數、矢量計算和概率論等方面的基本知識。為便於查考，附錄列有矢量分析的常用公式。至於笛卡兒張量與正交曲線坐標，僅在附錄中列出基礎內容，略去數學推導。如讀者從未學過，教師可結合正文需要，適當利用附錄進行補充講授。

各章撰寫分工為：第一、二、四、九章，陳玉璞；第三章，陳玉璞、趙文綺；第五章，趙文綺；第六、八章，遼陽王惠民；第七章，咸陽王惠民；附錄及全部繪圖，張志軍。全書由陳玉璞修訂統編。

全國高等學校水利水電專業教學委員會主任委員左東啟教授和武漢水利電力學院徐正凡教授對書稿進行了全面審查，並提供了許多寶貴的改進意見；河海大學領導、研究生部和教研室同事對本書出版給予了支持；劉潤生副教授為提高本書質量作了不少努力，謹向他們致以衷心的感謝。

限於水平，缺點、錯誤在所難免，歡迎批評指正。

陳玉璞1989年12月於河海大學

本書自1990年6月出版以來，主要作為研究生和本科生的流體力學教材。經過20多年的教學實踐，不斷地修改及完善，已達到修訂和再版的要求。

本書的修訂，仍堅持：突出物理概念和力學原理，闡釋明確，論證嚴謹，敘述深入淺出，文字精練流暢。體繫上以不可壓縮黏性流動為主線，內容上著重不可壓縮實際流體的動力學，尤其關註標志近代流體力學發展的兩個重要部分——紊流和邊界層。對全書各章均進行了認真修訂和改寫，精簡了一些內容與篇幅，去掉了“無旋運動的某些性質”、“二維柱體上有環量繞流的阻力與升力”等內容，增加了“相對運動方程”、“圓管紊流與明渠紊流”、“紊流的數值模擬”及典型例題等內容。同時，新版教材反映了作者多年講授流體力學課程的積累與特色。修訂后的《流體動力學》，結構更加合理，內容更加豐富，體現了流體力學的新進展。

本書是在第1版基礎上修訂完成的。具體分工為：陳玉璞，第1、2、4、9章；王澤，第3章；張淑君，第5章；王惠民，第6、8、10章及名詞索引；王佳鶴，第7章；張志軍，附錄。全書由陳玉璞、王惠民修訂統編。

本書再版過程中，得到河海大學研究生院和清華大學出版社的大力支持和幫助，在此一併致謝。

限於編者水平，缺點、錯誤在所難免，歡迎批評指正。

編者2013年1月於河海大學。

第1章流體的力學性質與流體運動的基本概念

1.1流體力學的研究對象與流體的連續介質模型

1.2作用於流體的力

1.3流體的流動性與黏性

1.4流體壓縮性

1.5描述流體運動的兩種方法

1.6跡線與流線

1.7流體微團運動分析

1.8流動分類

習題

第2章流體運動的基本方程

2.1系統法與控制體積法

2.2連續性方程

2.3運動流體中的應力場

2.4應力張量與應變率張量的主要性質

2.5動量方程與動量矩方程

2.6應力形式的運動微分方程與靜力平衡方程

2.7牛頓流體的變形律——本構方程

2.8納維斯托克斯方程與歐拉方程

2.9能量方程

2.10流體中的分子輸運過程

習題

第3章渦量與環量的一般原理

3.1渦量場

3.2渦量輸運方程

3.3速度環量及其隨體變化率

3.4流動非正壓及質量力無勢時旋渦的產生

3.5流體黏性對旋渦形成與變化的作用

3.6環量守恆定理及其推論

3.7速度勢函數與無旋運動守恆定理

3.8渦量場誘致無旋速度場

3.9渦系與渦層

習題

第4章均質不可壓縮黏性流體的運動

4.1均質不可壓縮黏性流動的完整方程組及求解的一般分析

4.2不可壓縮黏性流動的無量綱特徵數

4.3恆定平行直線運動

4.4非恆定平行直線運動

4.5同心圓流動

4.6不可壓縮流體二維流動的流函數

4.7線性化的蠕動流

4.8無黏性流動

4.9邊界層流動

習題

第5章不可壓縮流體的無旋運動

5.1無旋運動的基本方程與一般解法

5.2基本平面勢流及其疊加

5.3繞圓柱的無環量及有環量流動

5.4鏡像法

5.5奇點疊加法解軸對稱的無旋運動

5.6分離變數法解軸對稱的無旋運動

5.7非恆定流與附加質量

習題

第6章層流邊界層

6.1邊界層基本特徵及邊界層厚度

6.2二維不可壓縮黏性流體的層流邊界層微分方程

6.3二維恆定層流邊界層的精確解

6.4楔形柱體層流邊界層（U=Cxm情形）

6.5邊界層微分方程組化為常微分方程式的條件

6.6層流邊界層積分形式的動量方程和能量方程

6.7二維不可壓縮流體層流邊界層的近似解法

習題

第7章紊流理論基礎

7.1概述

7.2層流的穩定性及層流向紊流的轉捩

7.3雷諾方程

7.4紊流能量方程

7.5紊流統計理論及紊流尺度

7.6紊流的半經驗理論

7.7紊流的數值模擬

習題

第8章紊流邊界層

8.1紊流邊界層基本方程

8.2平板紊流邊界層的近似解法

8.3外流速度為U（x）情形的近似解法

8.4紊流邊界層的結構

8.5邊界層分離與繞流阻力

習題

第9章圓管紊流與明渠紊流

9.1壁面紊流的分層特徵

9.2圓管紊流的流速分佈

9.3圓管紊流的阻力

9.4明渠紊流的流速分佈

9.5明渠紊流的斷面平均流速與阻力係數

9.6圓管紊流與明渠紊流的紊動特性

習題

第10章自由紊流與非均質流體中的紊流

10.1自由紊流

10.2紊動射流

10.3尾流

10.4混合層

10.5紊動擴散的歐拉分析法

10.6紊動擴散的拉格朗日分析法

10.7剪切紊流中的離散

10.8環境流體中的射流、羽流和浮射流

習題

附錄A矢量分析若干公式與指標表示法

A.1微分公式

A.2積分公式

A.3指標表示法

附錄B笛卡兒張量基礎

B.1坐標變換與笛卡兒張量的定義

B.2笛卡兒張量的代數運算

B.3張量的微分運算

B.4二階張量

附錄C正交曲線坐標

C.1正交曲線坐標系

C.2正交曲線坐標系中的梯度、散度、旋度

C.3圓柱坐標系中的方程

C.4球坐標系中的方程

名詞索引

參考文獻