內(nèi)容簡介
本書是根據(jù)高等院校土建類的鐵道、道路、橋梁、隧道與地下工程、市政工程、工業(yè)與民用建筑、給水排水等專業(yè)的“工程流體力學(xué)”課程教學(xué)基本要求而編寫的。全書共分十章，系統(tǒng)地闡述了流體靜力學(xué)和流體動力學(xué)的理論基礎(chǔ)，流動阻力及能量損失，孔口、管嘴出流和有壓管路，明渠均勻流和明渠非均勻流，堰流及閘孔出流，滲流，流體力學(xué)中非線性方程的求根問題等內(nèi)容，在總體編排上充分考慮知識的系統(tǒng)性以及新技術(shù)的應(yīng)用。每章正文前有導(dǎo)讀，正文中包括大量的例題，每章后還附有針對性較強的思考題及習(xí)題。
本書內(nèi)容精煉、體系完整、實用性強、力求創(chuàng)新，除了作為高等院校土建類各專業(yè)的教材外，也可以作為全國注冊土木工程師考試的參考書，同時可供有關(guān)專業(yè)的工程技術(shù)人員參考。
前 言
本書是根據(jù)高等學(xué)校土建類的鐵道、道路、橋梁、隧道與地下工程、市政工程、工業(yè)與民用建筑、給水排水等專業(yè)的工程流體力學(xué)課程教學(xué)基本要求而編寫的。本書堅持基本理論必需、夠用為度，突出重點、難點和講究實用。在總體編排上考慮知識的系統(tǒng)全面，而在知識點的介紹上又有相對的獨立性，語言通俗易懂，例證豐富。主要特點如下。
1. 遵循必需、夠用的原則
搭建最基礎(chǔ)的理論體系，以能夠滿足一般的實際工程需要為基本宗旨。傳統(tǒng)教材中有些理論性較強的內(nèi)容與實際工程應(yīng)用聯(lián)系不密切，例如三維流體平衡微分方程、N-S方程等，這些內(nèi)容過于理論化，對于土建類的本科生不需要進(jìn)一步學(xué)習(xí)。
2. 堅持簡明推導(dǎo)的原則
本教材的理論推導(dǎo)部分均用最簡明直接的形式導(dǎo)出，更加通俗易懂，便于掌握。傳統(tǒng)教材的知識體系大都建立在三元流基礎(chǔ)之上，因此一些基本方程式的推導(dǎo)也必須由三元流入手，例如，傳統(tǒng)教材中流體靜力學(xué)基本方程由三維流體平衡微分方程導(dǎo)出，而本教材是直接由柱狀隔離體的平衡關(guān)系導(dǎo)出。
3. 科學(xué)設(shè)計學(xué)習(xí)體系
每章之前有導(dǎo)讀，可幫助讀者理清本章學(xué)習(xí)內(nèi)容與前后章節(jié)的關(guān)系以及本章的知識脈絡(luò)，把握本章的重點、難點內(nèi)容。每章后有大量的思考題和習(xí)題，思考題和習(xí)題不只局限于對基礎(chǔ)理論的簡單理解，更側(cè)重于理論聯(lián)系實際，進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)習(xí)者用基本理論解決實際工程問題的能力。
4. 引入MATLAB數(shù)值計算方法
傳統(tǒng)教材只介紹用圖解法和試算法解決復(fù)雜的高次方程求解問題，過程煩瑣且精度較低。MATLAB作為一個高效的數(shù)值計算平臺被引入到本書中，實現(xiàn)了理論計算與數(shù)值計算的對接。
本書共分九章，內(nèi)容包括緒論，流體靜力學(xué)，流體動力學(xué)理論基礎(chǔ)，流動阻力及能量損失，孔口、管嘴出流和有壓管路，明渠均勻流，明渠非均勻流，堰流，滲流。每章正文前有導(dǎo)讀，除正文中包括大量的例題外，每章后都附有針對性較強的思考題及習(xí)題。
本書由石家莊鐵道大學(xué)齊清蘭主編，石家莊鐵道大學(xué)霍倩、李強、張少雄以及石家莊水利水電工程處王惠卿和河北省石津灌區(qū)管理區(qū)管理局薛媛參加編寫工作。具體分工：第一、三章由齊清蘭編寫，第二章由李強編寫，第四、五章由王惠卿編寫，第七、十章由霍倩編寫，第六、八章由薛媛編寫，第九章由張少雄編寫，全書由齊清蘭統(tǒng)稿。
由于作者水平有限，書中不妥之處在所難免，懇請讀者批評指正。
編 者
目 錄
第一章 緒論 1第一節(jié) 概述 2一、流體力學(xué)的任務(wù)及研究對象 2二、流體力學(xué)的發(fā)展歷史 2三、本課程的基本要求 3第二節(jié) 流體的連續(xù)介質(zhì)模型 4第三節(jié) 流體的主要物理性質(zhì) 4一、慣性 4二、黏滯性和理想流體模型 5三、壓縮性和膨脹性 7四、表面張力及表面張力系數(shù) 10五、汽化壓強 10第四節(jié) 作用在流體上的力 11一、表面力 11二、質(zhì)量力 11小結(jié) 12思考題 12計算題 12第二章 流體靜力學(xué) 15第一節(jié) 流體靜壓強及其特性 16一、流體靜壓強的定義 16二、流體靜壓強的特性 16第二節(jié) 重力作用下流體靜壓強的分布規(guī)律 19一、液體靜力學(xué)的基本方程 19二、等壓面 20三、氣體壓強計算 20四、絕對壓強、相對壓強、真空值 21五、液體靜壓強分布圖 22六、測壓管高度、測壓管水頭、真空度 23第三節(jié) 測量壓強的儀器 24一、測壓管 24二、水銀測壓計 24三、水銀壓差計 25四、真空測壓計 25第四節(jié) 作用在平面上的靜水總壓力 28一、圖解法 28二、解析法 30第五節(jié) 作用在曲面上的靜水總壓力 34一、靜水總壓力的水平分力 34二、靜水總壓力的垂直分力 35三、靜水總壓力的合力 36小結(jié) 38思考題 38計算題 40第三章 流體動力學(xué)理論基礎(chǔ) 45第一節(jié) 描述流體運動的兩種方法 46一、拉格朗日法 46二、歐拉法 47第二節(jié) 歐拉法的幾個基本概念 48一、恒定流與非恒定流 48二、跡線與流線 48三、流管、元流、總流、過流斷面、流量和斷面平均流速 50四、均勻流與非均勻流 52五、一元流、二元流、三元流 54第三節(jié) 恒定一元流的連續(xù)性方程 55第四節(jié) 理想流體及實際流體恒定元流的能量方程 56一、理想流體恒定元流的能量方程 57二、理想流體元流能量方程的物理意義與幾何意義 58三、實際流體恒定元流的能量方程 60第五節(jié) 實際流體恒定總流的能量方程 61一、實際流體恒定總流能量方程的推導(dǎo) 61二、總流能量方程各項的物理意義和幾何意義 62三、應(yīng)用能量方程的條件及注意事項 63第六節(jié) 總水頭線和測壓管水頭線的繪制 69一、總水頭線和測壓管水頭線的繪制原則 69二、水力坡度 70第七節(jié) 恒定氣流能量方程 71第八節(jié) 恒定總流的動量方程 73一、動量方程的推導(dǎo) 74二、應(yīng)用動量方程應(yīng)注意的問題 76小結(jié) 80思考題 80計算題 82第四章 流動阻力及能量損失 87第一節(jié) 能量損失的物理概念及其分類 88第二節(jié) 流體運動的兩種形態(tài) 90一、雷諾實驗 90二、層流、紊流的判別標(biāo)準(zhǔn)——臨界雷諾數(shù) 92三、雷諾數(shù)的物理意義 93第三節(jié) 均勻流沿程損失與切應(yīng)力的關(guān)系 94第四節(jié) 圓管中的紊流 98一、紊流的基本概念 98二、圓管紊流流核與黏性底層 100三、沿程損失 102第五節(jié) 圓管中沿程阻力系數(shù)的變化規(guī)律及影響因素 102一、尼古拉茲實驗曲線 102二、沿程阻力系數(shù)的各種計算方法 104第六節(jié) 非圓管的沿程損失 107一、非圓管有壓流 107二、明渠流 107第七節(jié) 局部損失 109一、局部損失發(fā)生的原因 109二、局部損失的計算公式 110三、圓管突然擴大的局部損失及其系數(shù) 111四、各種管路配件及明渠的局部阻力系數(shù) 113小結(jié) 117思考題 118計算題 119第五章 孔口、管嘴出流和有壓管路 123第一節(jié) 薄壁小孔口的恒定出流 124一、孔口出流的分類和特點 124二、薄壁小孔口的自由出流 124三、薄壁小孔口的淹沒出流 125四、小孔口的收縮系數(shù)及流量系數(shù) 126第二節(jié) 管嘴的恒定出流 127一、圓柱形外管嘴的恒定出流 127二、圓柱形外管嘴的真空 128第三節(jié) 短管計算 129一、自由出流 130二、淹沒出流 132三、水頭線的繪制 133四、短管的計算問題 134五、氣體管路 139第四節(jié) 長管計算 140一、簡單管路 140二、串聯(lián)管路 144三、并聯(lián)管路 145四、分叉管路 146第五節(jié) 管網(wǎng)水力計算基礎(chǔ) 148一、枝狀管網(wǎng)的水力計算 149二、環(huán)狀管網(wǎng)的水力計算 150小結(jié) 151思考題 151計算題 153第六章 明渠均勻流 157第一節(jié) 概述 158一、明渠的分類 158二、明渠均勻流的特征及產(chǎn)生條件 159第二節(jié) 明渠均勻流的計算公式 160第三節(jié) 明渠水力最優(yōu)斷面和允許流速 161一、水力最優(yōu)斷面 161二、渠道的允許流速 163第四節(jié) 明渠均勻流水力計算的基本問題 164第五節(jié) 無壓圓管均勻流的水力計算 170一、無壓圓管的水流特征 170二、無壓管道的計算問題 172第六節(jié) 復(fù)式斷面渠道的水力計算 174小結(jié) 176思考題 176計算題 177第七章 明渠非均勻流 179第一節(jié) 概述 180一、明渠非均勻流的產(chǎn)生原因 180二、明渠非均勻流的特征 180三、主要研究的問題 181第二節(jié) 斷面單位能量和臨界水深 181一、斷面單位能量 181二、臨界水深 183三、臨界坡度 185第三節(jié) 緩流、急流、臨界流及其判別準(zhǔn)則 185一、臨界水深判別法 185二、弗汝德數(shù)判別法 186第四節(jié) 水躍 188一、水躍的基本方程 188二、水躍函數(shù)的圖形 190三、共軛水深的計算 190四、水躍的能量損失與長度 192第五節(jié) 明渠恒定非均勻漸變流的基本微分方程 195第六節(jié) 棱柱形渠道恒定非均勻漸變流水面曲線的分析 196一、水面曲線的類型 197二、水面曲線形狀的定性分析 198三、水面曲線分析舉例 202第七節(jié) 明渠水面曲線的計算 205一、計算公式 206二、分段求和法的計算步驟 206第八節(jié) 河道水面曲線的計算 213一、微分方程 214二、試算法 215三、圖解法 215小 結(jié) 219思考題 219計算題 221第八章 堰流及閘孔出流 225第一節(jié) 堰流的特點及其分類 226第二節(jié) 堰流的基本公式 227第三節(jié) 薄壁堰 229一、矩形堰 229二、三角形薄壁堰 230三、梯形堰 231第四節(jié) 實用堰 231第五節(jié) 寬頂堰 232一、流量系數(shù) 233二、側(cè)收縮系數(shù) 234三、寬頂堰的淹沒條件及淹沒系數(shù) 235第六節(jié) 小橋孔徑的水力計算 237一、小橋孔徑的水力計算公式 237二、小橋孔徑水力計算原則和步驟 238第七節(jié) 閘孔出流 241一、閘孔出流的水力特征 241二、閘孔出流的基本計算公式 242三、閘孔出流流量系數(shù)三的計算公式 243四、含有淹沒系數(shù)的流量系數(shù)四s的計算公式 243小結(jié) 244思考題 244計算題 244第九章 滲流 247第一節(jié) 概述 248一、滲流理論的實用意義 248二、地下水的狀態(tài) 248三、滲透性質(zhì)與巖土分類 248第二節(jié) 滲流基本定律 249一、滲流模型 249二、達(dá)西滲流定律 250第三節(jié) 地下水的均勻流和非均勻流 252一、恒定均勻流和非均勻漸變流的斷面流速分布 252二、漸變滲流的基本微分方程和浸潤曲線 253第四節(jié) 井和集水廊道 257一、潛水井(無壓井) 258二、承壓井 260三、井群 261小結(jié) 262思考題 263計算題 263第十章 流體力學(xué)中非線性方程的求根問題 265第一節(jié) 非線性方程數(shù)值計算方法 266一、二分法 266二、牛頓法 268三、fzero函數(shù) 269四、三種算法的特性 270第二節(jié) 流體力學(xué)中的高次方程求解 271一、梯形明渠求正常水深h0 271二、梯形明渠求臨界水深 272三、棱柱體水平明渠共軛水深計算 275四、寬頂堰水力計算 276五、柯列布魯克公式計算 278六、有壓管道管徑計算 279第三節(jié) fzero函數(shù)求解廣義非線性方程的根 280一、水面線計算函數(shù) 281二、fzero函數(shù)求解水面線實例 282小結(jié) 287附錄A 各種不同粗糙面的粗糙系數(shù)n 289附錄B 謝才系數(shù)C的數(shù)值 290部分計算題答案 294參考文獻(xiàn) 298
