内容简介
本书是根据高等院校土建类的铁道、道路、桥梁、隧道与地下工程、市政工程、工业与民用建筑、给水排水等专业的“工程流体力学”课程教学基本要求而编写的。全书共分十章,系统地阐述了流体静力学和流体动力学的理论基础,流动阻力及能量损失,孔口、管嘴出流和有压管路,明渠均匀流和明渠非均匀流,堰流及闸孔出流,渗流,流体力学中非线性方程的求根问题等内容,在总体编排上充分考虑知识的系统性以及新技术的应用。每章正文前有导读,正文中包括大量的例题,每章后还附有针对性较强的思考题及习题。
本书内容精炼、体系完整、实用性强、力求创新,除了作为高等院校土建类各专业的教材外,也可以作为全国注册土木工程师考试的参考书,同时可供有关专业的工程技术人员参考。
前 言
本书是根据高等学校土建类的铁道、道路、桥梁、隧道与地下工程、市政工程、工业与民用建筑、给水排水等专业的工程流体力学课程教学基本要求而编写的。本书坚持基本理论必需、够用为度,突出重点、难点和讲究实用。在总体编排上考虑知识的系统全面,而在知识点的介绍上又有相对的独立性,语言通俗易懂,例证丰富。主要特点如下。
1. 遵循必需、够用的原则
搭建最基础的理论体系,以能够满足一般的实际工程需要为基本宗旨。传统教材中有些理论性较强的内容与实际工程应用联系不密切,例如三维流体平衡微分方程、N-S方程等,这些内容过于理论化,对于土建类的本科生不需要进一步学习。
2. 坚持简明推导的原则
本教材的理论推导部分均用最简明直接的形式导出,更加通俗易懂,便于掌握。传统教材的知识体系大都建立在三元流基础之上,因此一些基本方程式的推导也必须由三元流入手,例如,传统教材中流体静力学基本方程由三维流体平衡微分方程导出,而本教材是直接由柱状隔离体的平衡关系导出。
3. 科学设计学习体系
每章之前有导读,可帮助读者理清本章学习内容与前后章节的关系以及本章的知识脉络,把握本章的重点、难点内容。每章后有大量的思考题和习题,思考题和习题不只局限于对基础理论的简单理解,更侧重于理论联系实际,进一步培养学习者用基本理论解决实际工程问题的能力。
4. 引入MATLAB数值计算方法
传统教材只介绍用图解法和试算法解决复杂的高次方程求解问题,过程烦琐且精度较低。MATLAB作为一个高效的数值计算平台被引入到本书中,实现了理论计算与数值计算的对接。
本书共分九章,内容包括绪论,流体静力学,流体动力学理论基础,流动阻力及能量损失,孔口、管嘴出流和有压管路,明渠均匀流,明渠非均匀流,堰流,渗流。每章正文前有导读,除正文中包括大量的例题外,每章后都附有针对性较强的思考题及习题。
本书由石家庄铁道大学齐清兰主编,石家庄铁道大学霍倩、李强、张少雄以及石家庄水利水电工程处王惠卿和河北省石津灌区管理区管理局薛媛参加编写工作。具体分工:第一、三章由齐清兰编写,第二章由李强编写,第四、五章由王惠卿编写,第七、十章由霍倩编写,第六、八章由薛媛编写,第九章由张少雄编写,全书由齐清兰统稿。
由于作者水平有限,书中不妥之处在所难免,恳请读者批评指正。
编 者
目 录
第一章 绪论 1第一节 概述 2一、流体力学的任务及研究对象 2二、流体力学的发展历史 2三、本课程的基本要求 3第二节 流体的连续介质模型 4第三节 流体的主要物理性质 4一、惯性 4二、黏滞性和理想流体模型 5三、压缩性和膨胀性 7四、表面张力及表面张力系数 10五、汽化压强 10第四节 作用在流体上的力 11一、表面力 11二、质量力 11小结 12思考题 12计算题 12第二章 流体静力学 15第一节 流体静压强及其特性 16一、流体静压强的定义 16二、流体静压强的特性 16第二节 重力作用下流体静压强的分布规律 19一、液体静力学的基本方程 19二、等压面 20三、气体压强计算 20四、绝对压强、相对压强、真空值 21五、液体静压强分布图 22六、测压管高度、测压管水头、真空度 23第三节 测量压强的仪器 24一、测压管 24二、水银测压计 24三、水银压差计 25四、真空测压计 25第四节 作用在平面上的静水总压力 28一、图解法 28二、解析法 30第五节 作用在曲面上的静水总压力 34一、静水总压力的水平分力 34二、静水总压力的垂直分力 35三、静水总压力的合力 36小结 38思考题 38计算题 40第三章 流体动力学理论基础 45第一节 描述流体运动的两种方法 46一、拉格朗日法 46二、欧拉法 47第二节 欧拉法的几个基本概念 48一、恒定流与非恒定流 48二、迹线与流线 48三、流管、元流、总流、过流断面、流量和断面平均流速 50四、均匀流与非均匀流 52五、一元流、二元流、三元流 54第三节 恒定一元流的连续性方程 55第四节 理想流体及实际流体恒定元流的能量方程 56一、理想流体恒定元流的能量方程 57二、理想流体元流能量方程的物理意义与几何意义 58三、实际流体恒定元流的能量方程 60第五节 实际流体恒定总流的能量方程 61一、实际流体恒定总流能量方程的推导 61二、总流能量方程各项的物理意义和几何意义 62三、应用能量方程的条件及注意事项 63第六节 总水头线和测压管水头线的绘制 69一、总水头线和测压管水头线的绘制原则 69二、水力坡度 70第七节 恒定气流能量方程 71第八节 恒定总流的动量方程 73一、动量方程的推导 74二、应用动量方程应注意的问题 76小结 80思考题 80计算题 82第四章 流动阻力及能量损失 87第一节 能量损失的物理概念及其分类 88第二节 流体运动的两种形态 90一、雷诺实验 90二、层流、紊流的判别标准——临界雷诺数 92三、雷诺数的物理意义 93第三节 均匀流沿程损失与切应力的关系 94第四节 圆管中的紊流 98一、紊流的基本概念 98二、圆管紊流流核与黏性底层 100三、沿程损失 102第五节 圆管中沿程阻力系数的变化规律及影响因素 102一、尼古拉兹实验曲线 102二、沿程阻力系数的各种计算方法 104第六节 非圆管的沿程损失 107一、非圆管有压流 107二、明渠流 107第七节 局部损失 109一、局部损失发生的原因 109二、局部损失的计算公式 110三、圆管突然扩大的局部损失及其系数 111四、各种管路配件及明渠的局部阻力系数 113小结 117思考题 118计算题 119第五章 孔口、管嘴出流和有压管路 123第一节 薄壁小孔口的恒定出流 124一、孔口出流的分类和特点 124二、薄壁小孔口的自由出流 124三、薄壁小孔口的淹没出流 125四、小孔口的收缩系数及流量系数 126第二节 管嘴的恒定出流 127一、圆柱形外管嘴的恒定出流 127二、圆柱形外管嘴的真空 128第三节 短管计算 129一、自由出流 130二、淹没出流 132三、水头线的绘制 133四、短管的计算问题 134五、气体管路 139第四节 长管计算 140一、简单管路 140二、串联管路 144三、并联管路 145四、分叉管路 146第五节 管网水力计算基础 148一、枝状管网的水力计算 149二、环状管网的水力计算 150小结 151思考题 151计算题 153第六章 明渠均匀流 157第一节 概述 158一、明渠的分类 158二、明渠均匀流的特征及产生条件 159第二节 明渠均匀流的计算公式 160第三节 明渠水力最优断面和允许流速 161一、水力最优断面 161二、渠道的允许流速 163第四节 明渠均匀流水力计算的基本问题 164第五节 无压圆管均匀流的水力计算 170一、无压圆管的水流特征 170二、无压管道的计算问题 172第六节 复式断面渠道的水力计算 174小结 176思考题 176计算题 177第七章 明渠非均匀流 179第一节 概述 180一、明渠非均匀流的产生原因 180二、明渠非均匀流的特征 180三、主要研究的问题 181第二节 断面单位能量和临界水深 181一、断面单位能量 181二、临界水深 183三、临界坡度 185第三节 缓流、急流、临界流及其判别准则 185一、临界水深判别法 185二、弗汝德数判别法 186第四节 水跃 188一、水跃的基本方程 188二、水跃函数的图形 190三、共轭水深的计算 190四、水跃的能量损失与长度 192第五节 明渠恒定非均匀渐变流的基本微分方程 195第六节 棱柱形渠道恒定非均匀渐变流水面曲线的分析 196一、水面曲线的类型 197二、水面曲线形状的定性分析 198三、水面曲线分析举例 202第七节 明渠水面曲线的计算 205一、计算公式 206二、分段求和法的计算步骤 206第八节 河道水面曲线的计算 213一、微分方程 214二、试算法 215三、图解法 215小 结 219思考题 219计算题 221第八章 堰流及闸孔出流 225第一节 堰流的特点及其分类 226第二节 堰流的基本公式 227第三节 薄壁堰 229一、矩形堰 229二、三角形薄壁堰 230三、梯形堰 231第四节 实用堰 231第五节 宽顶堰 232一、流量系数 233二、侧收缩系数 234三、宽顶堰的淹没条件及淹没系数 235第六节 小桥孔径的水力计算 237一、小桥孔径的水力计算公式 237二、小桥孔径水力计算原则和步骤 238第七节 闸孔出流 241一、闸孔出流的水力特征 241二、闸孔出流的基本计算公式 242三、闸孔出流流量系数三的计算公式 243四、含有淹没系数的流量系数四s的计算公式 243小结 244思考题 244计算题 244第九章 渗流 247第一节 概述 248一、渗流理论的实用意义 248二、地下水的状态 248三、渗透性质与岩土分类 248第二节 渗流基本定律 249一、渗流模型 249二、达西渗流定律 250第三节 地下水的均匀流和非均匀流 252一、恒定均匀流和非均匀渐变流的断面流速分布 252二、渐变渗流的基本微分方程和浸润曲线 253第四节 井和集水廊道 257一、潜水井(无压井) 258二、承压井 260三、井群 261小结 262思考题 263计算题 263第十章 流体力学中非线性方程的求根问题 265第一节 非线性方程数值计算方法 266一、二分法 266二、牛顿法 268三、fzero函数 269四、三种算法的特性 270第二节 流体力学中的高次方程求解 271一、梯形明渠求正常水深h0 271二、梯形明渠求临界水深 272三、棱柱体水平明渠共轭水深计算 275四、宽顶堰水力计算 276五、柯列布鲁克公式计算 278六、有压管道管径计算 279第三节 fzero函数求解广义非线性方程的根 280一、水面线计算函数 281二、fzero函数求解水面线实例 282小结 287附录A 各种不同粗糙面的粗糙系数n 289附录B 谢才系数C的数值 290部分计算题答案 294参考文献 298