了得網自然科學_過程流體力學

內容簡介

本書結合過程工業中的流體流動規律介紹流體力學。第1章緒論、第2章流體運動學、第3章理想流體力學、第4章黏性流體力學、5第1章射流與對撞流、第6章多相流、第7章流體通過多孔介質的流動、第8章非牛頓流體的流變性與流動、第9章計算流體力學。
本書力圖用較小的篇幅介紹過程流體力學的主要內容，注重物理概念和基本規律的闡述。
與本書配套的有《過程流體力學題解》，對本書的所有習題進行解答。

作者簡介

宋鵬雲，昆明理工大學，教授，昆明理工大學百門核心課程《過程流體力學》首席教授，博士生導師。
長期主講《過程流體力學》。
主持完成國家自然科學基金項目1項。
中國機械工程學會摩擦學分會氣體潤滑專業委員會副主任委員，
中國化工學會化工機械專業委員會委員。
《昆明理工大學學報（自然科學版）》編委，
《化工機械》雜志編委。

第1章緒論1
1.1過程流體力學的內容和範圍1
1.1.1過程的基本概念1
1.1.2過程流體力學的範圍1
1.2流體的物理屬性2
1.2.1流動性2
1.2.2密度2
1.2.3可壓縮性3
1.2.4熱膨脹性5
1.2.5黏性7
1.2.6表面張力特性10
1.3流體流動的基本模型15
1.3.1連續介質模型、自由分子流、滑移流15
1.3.2理想流體模型16第1章緒論1
1.1過程流體力學的內容和範圍1
1.1.1過程的基本概念1
1.1.2過程流體力學的範圍1
1.2流體的物理屬性2
1.2.1流動性2
1.2.2密度2
1.2.3可壓縮性3
1.2.4熱膨脹性5
1.2.5黏性7
1.2.6表面張力特性10
1.3流體流動的基本模型15
1.3.1連續介質模型、自由分子流、滑移流15
1.3.2理想流體模型16
1.3.3牛頓流體與非牛頓流體16
1.4過程流體力學研究的基本方法19
1.4.1理論研究方法19
1.4.2實驗研究方法20
1.4.3數值計算研究方法20
習題20
參考文獻22
第2章流體運動學23
2.1流體運動的描述23
2.1.1運動描述的拉格朗日法和歐拉法23
2.1.2跡線、流線和色線25
2.1.3加速度28
2.1.4流體微團運動分析30
2.1.5渦量、有旋流動與無旋流動33
2.2流動問題的分類35
2.2.1定常流動和非定常流動35
2.2.2一維流動、二維流動、三維流動36
2.2.3內流和外流36
2.2.4黏性流動和無黏性流動、理想流體流動和實際流體流動37
2.2.5層流和湍流37
習題37
參考文獻38
第3章理想流體力學39
3.1理想流體運動基本定律39
3.1.1基本概念39
3.1.2繫統、控制體和雷諾輸運方程42
3.1.3理想流體的連續性方程44
3.1.4理想流體的運動微分方程46
3.1.5理想流體的伯努利方程及其應用48
3.1.6動量方程和動量矩方程51
3.2理想流體的渦旋運動56
3.2.1渦線、渦管、渦通量56
3.2.2速度環量和斯托克斯定理58
3.2.3開爾文環量守恆定理59
3.2.4含有渦量的理想流體運動微分方程60
3.3不可壓縮流體平面勢流63
3.3.1平面勢流基本理論63
3.3.2幾種基本的平面勢流66
3.3.3幾種由簡單平面勢流疊加形成的復合流68
3.3.4理想流體繞圓柱體的流動71
習題75
參考文獻78
第4章黏性流體力學79
4.1引言79
4.2黏性流體中的應力80
4.2.1黏性流體中的應力80
4.2.2廣義牛頓摩擦定律80
4.3不可壓縮黏性流體運動的基本方程82
4.3.1連續性方程82
4.3.2動量方程（以應力表示的運動微分方程）83
4.3.3納維斯托克斯方程84
4.3.4納維斯托克斯方程邊界條件和初始條件85
4.3.5湍流流動時的連續方程和運動方程86
4.4NS方程的典型解87
4.4.1平行流動87
4.4.2運動平板引起的非定常流動92
4.4.3重力作用下的平行流動94
4.4.4低雷諾數流動96
4.4.5雷諾潤滑理論101
4.5邊界層的基本概念及基本方程103
4.5.1邊界層的基本概念103
4.5.2邊界層厚度104
4.5.3二維平面邊界層微分方程式105
4.5.4邊界層的分離現像107
習題108
參考文獻112
第5章射流與撞擊流113
5.1射流113
5.1.1射流的類型113
5.1.2紊動射流的分區結構及一般特性113
5.1.3紊動射流的分析方法簡介116
5.2撞擊流119
5.2.1撞擊流的基本原理及特性119
5.2.2撞擊流的分類120
5.2.3撞擊流研究進展120
5.2.4撞擊流接觸器簡介121
5.2.5撞擊流的工業應用122
習題123
參考文獻124
第6章多相流動126
6.1概論126
6.1.1相的概念126
6.1.2多相流的概念126
6.2多相流流型及其判別方法127
6.2.1垂直上升管內的氣液兩相流的流型127
6.2.2水平管內的氣液兩相流流型128
6.2.3兩相流流型的判別128
6.3顆粒（固體顆粒、氣泡、液滴）受力及運動分析130
6.3.1顆粒受力分析130
6.3.2氣泡的形成和受力分析132
6.4氣液兩相流133
6.4.1氣液兩相流的特性參數133
6.4.2氣液兩相流動的均相流模型135
6.4.3氣液兩相流動的分相流模型137
6.4.4氣液兩相流動中壓力降及截面含氣率的計算139
6.5段塞流145
6.5.1段塞流的分類145
6.5.2段塞流特性參數計算145
6.6氣固兩相流148
6.6.1氣固兩相流的基本概念和特性參數148
6.6.2固定床氣固兩相流的特性149
6.6.3流化床氣固兩相流的特性151
6.7液固兩相流153
6.7.1液固兩相流的分類153
6.7.2液固兩相流的基本參數154
6.7.3滯留效應156
6.8液液兩相流156
6.8.1液液兩相流的基本參數157
6.8.2液液兩相流的檢測技術158
6.9氣液固三相流158
6.10氣液液三相流160
6.10.1流型160
6.10.2壓降160
6.11多相流新技術161
6.11.1試驗技術161
6.11.2數值模擬技術162
6.12多相流的工業應用162
6.12.1在動力工業中的應用162
6.12.2在石油工業中的應用163
6.12.3在其他工業中的應用163
習題164
參考文獻164
第7章流體通過多孔介質的流動166
7.1多孔介質的定義和性質166
7.1.1多孔介質的定義166
7.1.2多孔介質的性能167
7.2滲流基本定律——達西(Darcy)定律170
7.2.1達西定律170
7.2.2滲透率171
7.2.3達西定律的適用範圍172
7.3流體通過顆粒床（固定床）的流動173
7.3.1流體通過固定床的壓降計算173
7.3.2過濾速率計算174
習題176
參考文獻176
第8章非牛頓流體的流變性與流動178
8.1非牛頓流體的流變性178
8.1.1材料（物體）的流變性178
8.1.2非牛頓流體的奇異流變現像179
8.2非牛頓流體的本構方程180
8.2.1假塑性流體的流變模型181
8.2.2黏塑性流體的流變模型184
8.2.3觸變流體的本構模型（方程）185
8.2.4黏彈性流體本構模型（方程）187
8.3非牛頓流體的層流流動192
8.3.1層流流動基本方程192
8.3.2假塑性（冪律）流體在圓管中的層流流動194
8.3.3Bingham流體在圓管中的層流流動196
8.4非牛頓流體的湍流流動199
8.4.1流動狀態及其判別準則199
8.4.2壓力降201
8.4.3速度分布204
習題206
參考文獻208
第9章計算流體力學209
9.1引言209
9.1.1計算流體力學的概念209
9.1.2計算流體力學的作用210
9.1.3計算流體力學的應用舉例210
9.1.4計算流體力學的基本內容和步驟（CFD總體步驟）212
9.2適用於CFD的流體力學主要方程和模型214
9.2.1流體力學基本方程214
9.2.2流體流動控制方程的統一形式214
9.2.3流體湍流的數值模擬方法215
9.2.4湍流模型216
9.3CFD常用的計算方法218
9.3.1有限差分法219
9.3.2有限體積法221
9.3.法224
9.3.4其他方法225
9.4常用的CFD商品軟件介紹227
9.4.1CFD軟件結構227
9.4.2ANSYS Fluent229
9.4.3ANSYS CFX229
9.4.4PHOENICS229
9.4.5FIDAP230
9.4.6其他專用軟件230
習題231
參考文獻232

前言

“過程”的概念隨著“過程工業”“過程工程”“過程裝備”“過程控制”以及“過程裝備與控制工程”本科專業的發展，引起了越來越多的關注。研究生教育學科（專業）“化工過程機械”也涉及“過程”。
過程工業，也稱為流程工業，是涉及物質轉化過程的工業部門的總稱。它是加工制造流程性物料（指以氣體、液體和粉粒體等形態為主的材料）的產業，是現代制造業的重要組成部分。研究過程工業流體流動規律及其應用的學科，稱為過程流體力學。過程流體力學與一般的工程流體力學相比，有其特殊性，過程流體力學更關注過程工業中特有的流動現像，如流動介質特殊，它不僅僅是水和空氣等簡單流體；流動形式復雜，除常見的管道流動外，還包括薄膜流動、射流與撞擊流、多相流、流體在多孔介質的流動、非牛頓流體的流動等。化工流體力學是涉及化學工業的流體力學，其概念已得到了普遍接受。過程流體力學是在化工流體力學的基礎上發展起來的，是化工流體力學更一般的拓展。過程流體力學的概念，早在1980年就已提出。Denn，Morton M於1980年出版了《Process Fluid Mechanics》（過程流體力學）一書，除介紹一般的流體力學內容外，還介紹了許多特殊內容，如薄膜流動、潤滑近似、邊界層近似、氣液兩相流、黏彈性流體等。“過程”的概念隨著“過程工業”“過程工程”“過程裝備”“過程控制”以及“過程裝備與控制工程”本科專業的發展，引起了越來越多的關注。研究生教育學科（專業）“化工過程機械”也涉及“過程”。
過程工業，也稱為流程工業，是涉及物質轉化過程的工業部門的總稱。它是加工制造流程性物料（指以氣體、液體和粉粒體等形態為主的材料）的產業，是現代制造業的重要組成部分。研究過程工業流體流動規律及其應用的學科，稱為過程流體力學。過程流體力學與一般的工程流體力學相比，有其特殊性，過程流體力學更關注過程工業中特有的流動現像，如流動介質特殊，它不僅僅是水和空氣等簡單流體；流動形式復雜，除常見的管道流動外，還包括薄膜流動、射流與撞擊流、多相流、流體在多孔介質的流動、非牛頓流體的流動等。化工流體力學是涉及化學工業的流體力學，其概念已得到了普遍接受。過程流體力學是在化工流體力學的基礎上發展起來的，是化工流體力學更一般的拓展。過程流體力學的概念，早在1980年就已提出。Denn，Morton M於1980年出版了《Process Fluid Mechanics》（過程流體力學）一書，除介紹一般的流體力學內容外，還介紹了許多特殊內容，如薄膜流動、潤滑近似、邊界層近似、氣液兩相流、黏彈性流體等。
本書結合過程工業中的流體流動規律介紹流體力學。全書共9章，包括緒論、流體運動學、理想流體力學、黏性流體力學、射流與撞擊流、多相流、流體通過多孔介質的流動、非牛頓流體的流變性與流動、計算流體力學。
本書是昆明理工大學研究生教育百門核心課程——“過程流體力學”建設的一個重要內容，得到了昆明理工大學的大力支持。
本書由宋鵬雲主持編著，並編寫第1章、第2章；朱孝欽編寫第3章、焦鳳編寫第4章、栗志編寫第5章，栗志、許恆傑編寫第6章，常靜華編寫了第7章，別玉編寫了第8章、許恆傑編寫了第9章。全書由宋鵬雲進行統稿、調配和補充。
由於編著者水平有限，書中難免存在不足之處，敬請讀者批評指正。

編著者
2015年7月

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