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
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