流體流動問題解析與計算（簡體書）

流體流動既是自然現象，又是工程實際中藉以實現動量、熱量及質量傳遞的基本手段。在過程裝備、化工輕工、能源動力、航空航太、土木水利、環境安全等工程領域，流體流動及其所帶來的問題,都是其專業工作者必須面對和解決的問題。國內外高校工程類專業多數都將工程流體力學課程作為標配專業基礎課也正是基於流體流動現象的廣泛工程背景。
流體流動的基本原理和分析方法在各種流體力學教材中都有涉及，但要能較好地將其應用於解決工程實際問題，必須能把握不同流動問題的類型特點、常用假設、解析要領及計算方法。這種把握能力的培養是踐行理論聯繫實際的過程，其中不僅需要勤於演算不同類型的習題，更需要廣泛借鑒工程實際流動問題的解析經驗。只有經歷這樣的實踐過程，方可深化基本概念的理解，熟悉原理公式的應用，積累分析建模的經驗，不斷提升解決工程實際問題的能力。
編者長期講授工程流體力學及傳遞過程課程，並以“多相流傳遞過程及設備”為主要方向指導培養研究生，開展科學研究，服務工程實際。編寫此書的目的，就是與相關專業的高校學生、任課教師和專業工作者分享編者在教學及科研實踐中解析計算流體流動問題的經驗。
本書較為系統地彙集了具有教學價值和工程實際意義的流體流動典型問題，其中包括編者近年來面向工程實際所解決的部分問題。根據其涉及的流體力學知識範疇，本書將這些問題劃分為12章，包括流體力學特性相關問題、流體流動基本概念問題、流體靜力學問題、流動系統質量/動量/能量守恆問題、不可壓縮一維層流問題、流體流動微分方程的應用、不可壓縮理想流體平面流動問題、流動相似及模型實驗問題、不可壓縮流體管內流動問題、邊界層流動及繞流阻力問題、可壓縮流體管內流動問題、過程設備內流體的停留時間問題。
書中各章內容以“知識要點及基本公式+典型問題及解析計算過程”的方式編排。其中各章涉及的知識要點的詳細闡述、基本公式的來源與建立過程，可查閱黃衛星、伍勇編著《工程流體力學》（第3版）的對應各章。在將這些知識要點及基本公式應用於典型問題的解析計算過程時，編者充分注意到了以下幾點：
① 闡明問題的類型特點及常用假設，包括假設的必要性，假設的合理性及其理論與實驗依據。
② 闡明特定類型問題的解析要領，重點是面對那些需要進行建模分析的問題時的建模思路與方法，或面對不同條件的計算問題時從什麼特徵條件入手和應用什麼方程建立計算方法與步驟。不同類型的問題都有各自的解析思路可尋，比如管道流動問題，其中單一管路的阻力/流量/管徑計算、串聯/並聯/分支管路及管網的計算、可壓縮流體有摩擦絕熱/等溫流動的計算等，就各有不同的解析要領。
③ 應用現代計算工具實現微積分方程或複雜方程組的計算，重點是基於Excel表格工具的數值積分方法、微分方程數值計算方法、線性/非線性方程組的反覆運算計算方法、方程聯立試差計算方法（可壓縮流動問題常用）、特定問題的近似計算方法（如管網問題的逐次近似法）等。
④ 以討論或注解的形式，指出某些典型問題分析結果的適應範圍或在工程實際中的擴展應用。
為應用方便，本書以附錄形式給出了向量與場論的基本公式（附錄A），典型特殊函數的性質及微分方程的解（附錄B），常見流體的物性參數（附錄C），常見物理量的量綱與單位換算及常見特徵數（附錄D），管道粗糙度、局部阻力係數及繞流總阻力係數參考值（附錄E）。
本書既可作為高校學生學習流體力學類課程的輔導教材，也可作為高校教師講授工程流體力學課程的案例教材，同時也可作為相關專業科研及工程技術人員的常備參考書，為其解決流體流動工程實際問題提供案例參考和方法借鑒。
本書出版之際，編者衷心感謝四川大學化學工程學院及過程裝備與安全工程系的同事們為本書編寫提供的相關資料與教學支援；感謝四川大學化工學院“多相流過程與設備及安全工程”科研團隊全體研究生同學給予的長期協助；同時對國內相關科研院所及企業公司多年來的項目合作以及兄弟院校專家教授和任課教師的寶貴建議表示誠摯的謝意，並希望讀者對本書中的缺點與不足予以指正。

黃衛星
2020年5月
四川大學，成都

第1章流體力學特性相關問題1
1.1流體壓縮率計算問題2
1.1.1流體可壓縮性概述2
1.1.2壓縮率計算2
【P1-1】不同熱力過程的氣體壓縮率問題2
【P1-2】壓力錶校驗器油缸加壓問題3
1.2流體黏性及液膜摩擦問題3
1.2.1流體黏性概述3
1.2.2液膜摩擦問題4
【P1-3】液膜滑動摩擦典型問題4
【P1-4】液膜轉動摩擦典型問題5
【P1-5】轉動圓盤的摩擦力矩及散熱率問題6
【P1-6】旋轉黏度儀原理及黏度計算式6
1.3表面張力效應問題7
1.3.1表面張力概述7
1.3.2表面張力效應問題8
【P1-7】擴展液面所需的功及自由液面的表面能8
【P1-8】空氣中小液滴的內外壓差9
【P1-9】表面張力導致的液體沸騰壁溫過熱度問題9
【P1-10】平行板間的毛細現象計算10
【P1-11】豎直平壁毛細現象液面形狀的近似解與數值解10
1.4其他問題13
【P1-12】理想塑性流體管流問題13
【P1-13】流體質點尺度的近似模型14

第2章流體流動基本概念問題17
2.1流體運動學行為的描述及相關問題18
2.1.1流體運動學行為的描述18
2.1.2運動學行為相關問題19
【P2-1】已知歐拉速度場求跡線方程/流線方程/質點加速度19
【P2-2】二維非穩態流場空間點的流體加速度與流體質點加速度20
【P2-3】三維非穩態流場的質點加速度與溫度變化率21
【P2-4】跡線與流線問題Ⅰ21
【P2-5】跡線與流線問題Ⅱ22
【P2-6】流場運動學特性的判斷23
【P2-7】三維不可壓縮流場運動學特性的判斷與計算24
【P2-8】電除塵器內粒子的運動軌跡及分離長度24
【P2-9】圓管層流的運動學特性26
2.2流體流動與流動阻力的基本概念26
2.2.1要點概述26
2.2.2三類典型流動的特徵行為及流動阻力27
2.2.3流動阻力計算基本方法的應用29
【P2-10】圓管流動摩擦產生的螺栓附加拉力29
【P2-11】圓管流動的形態判別及泵送功率計算29
【P2-12】圓管層流與湍流的速度分佈特性30
【P2-13】非圓形管的摩擦阻力損失及水力直徑30
【P2-14】邊界層流動及球體繞流組合結構的阻力計算31
【P2-15】轎車風阻問題31
【P2-16】流體低速繞流球形體的形狀阻力與摩擦阻力32
【P2-17】球形顆粒的自由沉降速度計算33

第3章流體靜力學問題34
3.1流體靜力學基本方程及靜止流場特性35
3.1.1流體靜力學基本方程35
3.1.2靜止流場特性問題35
【P3-1】靜止流場特性問題Ⅰ35
【P3-2】靜止流場特性問題Ⅱ36
【P3-3】靜止流場特性問題Ⅲ36
3.2重力場靜止流體的壓力分佈及相關問題37
3.2.1重力場靜止流體的壓力分佈37
3.2.2重力場靜壓分佈方程的應用38
【P3-4】大氣層狀態參數的估計38
【P3-5】複式U形壓差計壓力遞推計算38
【P3-6】油的比重測試問題39
【P3-7】杯式真空計測壓問題39
【P3-8】旋風除塵器水封設計問題40
【P3-9】微壓差計及測量精度分析40
【P3-10】容器中的液壓平衡問題41
【P3-11】利用小管吹送空氣測量水槽液位42
3.3重力場靜止液體中的器壁受力42
3.3.1液體重力靜壓對器壁的作用力42
3.3.2平面力系的力矩及合力中心43
3.3.3靜止液體中的器壁受力問題44
【P3-12】液體比重計密度測量範圍計算44
【P3-13】圓筒形閘門受力分析44
【P3-14】水壩受力的分析與計算45
【P3-15】圓柱閘門兩側的靜壓平衡問題47
【P3-16】平板閘門自動開啟所需的水深計算47
【P3-17】水池閘門拉索水泥配重的體積計算48
3.4直線勻加速系統液體靜力學問題49
3.4.1問題概述及基本方程49
3.4.2典型問題解析與計算50
【P3-18】直線勻加速油罐車車廂壁面受力分析50
【P3-19】直線勻加速槽車內液體的溢出問題51
【P3-20】直線勻加速系統液體中浸沒物體的總表面力（浮力）52
3.5勻速轉動系統液體靜力學問題53
3.5.1問題概述及基本方程53
3.5.2典型問題解析與計算54
【P3-21】液體轉速計測試原理54
【P3-22】轉動容器中液體的溢出問題55
【P3-23】臥式轉動圓筒內液體的等壓面問題56
【P3-24】轉動容器的汽化轉速及頂蓋受力56
【P3-25】轉動容器中兩種液體的分接口及壓力分佈57
【P3-26】油水混合物在高速轉鼓中的分層接口及壁面壓力計算58

第4章流動系統質量/動量/能量守恆問題60
4.1質量守恆方程及物料衡算問題61
4.1.1控制體質量守恆方程61
4.1.2質量守恆及物料衡算問題62
【P4-1】輥軋鋼板的運動速度計算62
【P4-2】攪拌槽中鹽溶液的濃度-時間關係62
【P4-3】攪拌槽中溶液混合的濃度-時間關係63
【P4-4】放射性鹽溶液蒸發濃縮的操作週期計算64
【P4-5】篩板塔淨化氣流夾帶液滴的混合置換模型及塔板數計算64
【P4-6】廢水攪拌池中自分解組分的濃度-時間關係65
【P4-7】磷酸反應槽出口溶液的濃度-時間關係66
4.2動量、動量矩守恆方程及流體系統受力分析67
4.2.1控制體動量及動量矩守恆方程67
4.2.2流體系統受力問題分析69
【P4-8】彎曲噴管受力分析69
【P4-9】噴氣發動機推力計算70
【P4-10】二維風洞中測試柱狀體的阻力係數71
【P4-11】理想水流垂直衝擊平板的受力分析72
【P4-12】理想水流衝擊固定葉片和平移葉片的受力分析72
【P4-13】理想水流衝擊轉動葉輪的受力分析74
【P4-14】二維理想水流衝擊傾斜平板的受力分析75
【P4-15】離心泵葉輪的輸出力矩及功率75
4.3能量守恆方程及其應用問題77
4.3.1流體系統的能量77
4.3.2控制體能量守恆方程77
4.3.3能量守恆方程應用問題79
【P4-16】強制迴圈蒸發器的迴圈流量及熱量衡算79
【P4-17】氣瓶充氣過程中的溫升與充氣量問題80
【P4-18】加熱攪拌槽中溶液的溫度-時間關係82
【P4-19】串聯硫酸冷卻槽突然停水及再啟動過程的溫度-時間關係83
【P4-20】供水管路系統的泵送功率計算85
【P4-21】全壓與駐點壓力的概念及皮託管測速原理86
【P4-22】文丘裡管流量公式87
【P4-23】引射器的氣源壓力及面積比條件87
【P4-24】薄板溢流堰的流量公式及流量計算88
【P4-25】雙堰型臥式三相分離器液層厚度的計算與調控89
4.4守恆原理綜合應用問題90
4.4.1流動流體與器壁的相互作用力問題90
【P4-26】輸水管路三通接管受力分析91
【P4-27】變徑彎管出口壓力/溫升及受力分析92
【P4-28】明渠水流對閘門的衝擊力93
4.4.2理想液體自由射流及孔口流動問題94
【P4-29】理想流體垂直射流受力問題95
【P4-30】理想水流的流量及射程-方位角關係95
【P4-31】容器壁面小孔射流軌跡問題96
【P4-32】矩形孔口理論流量的對比計算96
【P4-33】紙漿蒸煮釜卸料流量與時間計算97
【P4-34】矩形槽內沉浸孔的擬穩態流動問題98
4.4.3虹吸流動及液體汽化問題99
【P4-35】虹吸管排水流速及排水時間問題99
【P4-36】兩水庫間虹吸管輸水流量的計算100
【P4-37】離心泵安裝高度的計算101
【P4-38】圓盤式摩擦泵流量公式及流量計算102
4.4.4突擴/突縮口的局部阻力及相關問題103
【P4-39】引風口/出風口壓力與環境壓力的關係103
【P4-40】礦山坑道自然通風的風向及流速問題105
【P4-41】引風除塵系統的阻力損失與風機功率105
【P4-42】等直徑管中節流元件的局部阻力損失107
【P4-43】不可壓縮流體引射混合的阻力損失108
【P4-44】可壓縮流體的引射混合問題110
4.4.5水躍現象及小擾動重力波傳播速度問題111
【P4-45】水躍現象產生條件及機械能損耗111
【P4-46】小擾動重力波的傳播速度112
【P4-47】通過重力波駐波角確定水流速度113

第5章不可壓縮一維層流問題114
5.1概述115
5.1.1建立流動微分方程的基本步驟115
5.1.2常見邊界及定解條件115
5.2平壁層流的基本方程及應用115
5.2.1平壁層流及其特點115
5.2.2平壁層流的基本方程116
5.2.3平壁層流典型問題分析117
【P5-1】平板通道的層流速度分佈及摩擦阻力係數117
【P5-2】平行板間液-液流動速度分佈的合理性判別118
【P5-3】平行板間摩擦-壓差流的速度及切應力分佈118
【P5-4】雙層液膜表面的平板拖拽力及接口切應力計算118
【P5-5】圓筒摩擦剪切流的切應力及速度分佈119
【P5-6】流體動壓潤滑原理——平壁層流問題的擴展120
5.3圓管層流的基本方程及應用122
5.3.1圓管層流的特點及基本方程122
5.3.2圓管層流典型問題分析123
【P5-7】圓管層流的速度分佈及阻力係數123
【P5-8】用哈根-泊謖葉公式測量流體黏度的誤差分析124
【P5-9】根據圓管層流流量測試估計流體運動黏度124
【P5-10】圓形套管層流的速度分佈及阻力係數125
【P5-11】圓形套管輸送蔗糖水溶液的流量及摩擦力計算125
【P5-12】圓桿在圓管內對中滑動所產生的摩擦流動問題126
【P5-13】豎直圓管內理想塑性流體的重力流動條件127
【P5-14】圓柱黏度儀的黏度測量計算式127
【P5-15】毛細管流量計的測量計算與分析128
【P5-16】流體層流流動通過圓管管網的流量與流向129
【P5-17】豎直圓柱表面的層流降膜流動分析130
5.4平壁降膜流動分析131
5.4.1平壁層流降膜的基本方程131
5.4.2平壁降膜流動典型問題分析132
【P5-18】傾斜平壁充分發展層流降膜的力平衡分析132
【P5-19】在豎直平壁表面形成給定厚度油膜所需的流量133
【P5-20】傾斜平壁蒸汽冷凝液膜的厚度與流速計算133
【P5-21】液體排放過程中黏附於器壁表面的液量計算134
【P5-22】傳送帶表面的液膜厚度及液體輸送量135
【P5-23】球面降膜流動的液膜厚度與平均流速137

第6章流體流動微分方程的應用139
6.1流體流動微分方程140
6.1.1流體流動的連續性方程140
6.1.2不可壓縮流體的運動微分方程——Navier-Stokes方程140
6.1.3牛頓流體的本構方程141
6.2流動微分方程的應用141
6.2.1應用概述141
6.2.2流動微分方程應用相關問題142
【P6-1】由控制體質量守恆積分方程變換連續性方程142
【P6-2】應用連續性方程判斷流體的可壓縮性142
【P6-3】柱座標微元體的質量守恆分析142
【P6-4】應用連續性方程確定交變流場的密度函數143
【P6-5】流體微元表面的質量通量與動量通量143
【P6-6】平行板間一維穩態層流的速度分佈144
【P6-7】轉動摩擦液膜的速度及切應力分佈145
【P6-8】轉動軸的摩擦力矩及功率計算146
【P6-9】雙層陶瓷膜管環隙間的徑向流動及壓力分佈147
【P6-10】通過多孔介質流動的微分方程及其應用148
【P6-11】兩平行圓盤之間的徑向層流流動問題149
【P6-12】底板突然啟動產生的一維非穩態層流問題151
【P6-13】由N-S方程和流線方程推導沿流線的伯努利方程153
【P6-14】等截面管內充分發展層流的運動微分方程154
【P6-15】正三角形截面管充分發展層流的速度分佈及阻力係數155
【P6-16】矩形截面管充分發展層流的速度分佈及阻力係數156
【P6-17】平壁非穩態層流降膜的微分方程及其近似解158
【P6-18】自然對流的運動微分方程及其應用160