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【内容简介】

本书较系统地汇集了具有教学价值及工程实际意义的流体流动典型问题，并根据流体力学知识，将问题划分为12章，包括：流体力学特性相关问题，流体流动基本概念问题，流体静力学问题，流动系统质量动量能量守恒问题，不可压缩一维层流问题，流体流动微分方程的应用，不可压缩理想流体平面流动问题，流动相似与模型实验问题，不可压缩流体管内流动问题，边界层流动及绕流阻力问题，可压缩流体管内流动问题，过程设备流体停留时间问题。书中各章按“知识要点及基本公式 典型问题及解析计算过程”的方式编排，从中阐明相关问题的类型特点、常用假设、解析要领、计算方法，借此帮助读者深化基本概念的理解，熟悉原理公式的应用，积累分析建模的经验，提升解决工程实际问题的能力。

本书既可作为高校学生学习流体力学类课程的辅导教材，也可作为高校教师讲授工程流体力学课程的案例教材，同时也可作为相关专业科研及工程技术人员的常备参考书。

【目录】

第1章流体力学特性相关问题1

1.1流体压缩率计算问题2

1.1.1流体可压缩性概述2

1.1.2压缩率计算2

【P1-1】不同热力过程的气体压缩率问题2

【P1-2】压力表校验器油缸加压问题3

1.2流体黏性及液膜摩擦问题3

1.2.1流体黏性概述3

1.2.2液膜摩擦问题4

【P1-3】液膜滑动摩擦典型问题4

【P1-4】液膜转动摩擦典型问题5

【P1-5】转动圆盘的摩擦力矩及散热率问题6

【P1-6】旋转黏度仪原理及黏度计算式6

1.3表面张力效应问题7

1.3.1表面张力概述7

1.3.2表面张力效应问题8

【P1-7】扩展液面所需的功及自由液面的表面能8

【P1-8】空气中小液滴的内外压差9

【P1-9】表面张力导致的液体沸腾壁温过热度问题9

【P1-10】平行板间的毛细现象计算10

【P1-11】竖直平壁毛细现象液面形状的近似解与数值解10

1.4其他问题13

【P1-12】理想塑性流体管流问题13

【P1-13】流体质点尺度的近似模型14



第2章流体流动基本概念问题17

2.1流体运动学行为的描述及相关问题18

2.1.1流体运动学行为的描述18

2.1.2运动学行为相关问题19

【P2-1】已知欧拉速度场求迹线方程/流线方程/质点加速度19

【P2-2】二维非稳态流场空间点的流体加速度与流体质点加速度20

【P2-3】三维非稳态流场的质点加速度与温度变化率21

【P2-4】迹线与流线问题Ⅰ21

【P2-5】迹线与流线问题Ⅱ22

【P2-6】流场运动学特性的判断23

【P2-7】三维不可压缩流场运动学特性的判断与计算24

【P2-8】电除尘器内粒子的运动轨迹及分离长度24

【P2-9】圆管层流的运动学特性26

2.2流体流动与流动阻力的基本概念26

2.2.1要点概述26

2.2.2三类典型流动的特征行为及流动阻力27

2.2.3流动阻力计算基本方法的应用29

【P2-10】圆管流动摩擦产生的螺栓附加拉力29

【P2-11】圆管流动的形态判别及泵送功率计算29

【P2-12】圆管层流与湍流的速度分布特性30

【P2-13】非圆形管的摩擦阻力损失及水力直径30

【P2-14】边界层流动及球体绕流组合结构的阻力计算31

【P2-15】轿车风阻问题31

【P2-16】流体低速绕流球形体的形状阻力与摩擦阻力32

【P2-17】球形颗粒的自由沉降速度计算33



第3章流体静力学问题34

3.1流体静力学基本方程及静止流场特性35

3.1.1流体静力学基本方程35

3.1.2静止流场特性问题35

【P3-1】静止流场特性问题Ⅰ35

【P3-2】静止流场特性问题Ⅱ36

【P3-3】静止流场特性问题Ⅲ36

3.2重力场静止流体的压力分布及相关问题37

3.2.1重力场静止流体的压力分布37

3.2.2重力场静压分布方程的应用38

【P3-4】大气层状态参数的估计38

【P3-5】复式U形压差计压力递推计算38

【P3-6】油的比重测试问题39

【P3-7】杯式真空计测压问题39

【P3-8】旋风除尘器水封设计问题40

【P3-9】微压差计及测量精度分析40

【P3-10】容器中的液压平衡问题41

【P3-11】利用小管吹送空气测量水槽液位42

3.3重力场静止液体中的器壁受力42

3.3.1液体重力静压对器壁的作用力42

3.3.2平面力系的力矩及合力中心43

3.3.3静止液体中的器壁受力问题44

【P3-12】液体比重计密度测量范围计算44

【P3-13】圆筒形闸门受力分析44

【P3-14】水坝受力的分析与计算45

【P3-15】圆柱闸门两侧的静压平衡问题47

【P3-16】平板闸门自动开启所需的水深计算47

【P3-17】水池闸门拉索水泥配重的体积计算48

3.4直线匀加速系统液体静力学问题49

3.4.1问题概述及基本方程49

3.4.2典型问题解析与计算50

【P3-18】直线匀加速油罐车车厢壁面受力分析50

【P3-19】直线匀加速槽车内液体的溢出问题51

【P3-20】直线匀加速系统液体中浸没物体的总表面力（浮力）52

3.5匀速转动系统液体静力学问题53

3.5.1问题概述及基本方程53

3.5.2典型问题解析与计算54

【P3-21】液体转速计测试原理54

【P3-22】转动容器中液体的溢出问题55

【P3-23】卧式转动圆筒内液体的等压面问题56

【P3-24】转动容器的汽化转速及顶盖受力56

【P3-25】转动容器中两种液体的分界面及压力分布57

【P3-26】油水混合物在高速转鼓中的分层界面及壁面压力计算58



第4章流动系统质量/动量/能量守恒问题60

4.1质量守恒方程及物料衡算问题61

4.1.1控制体质量守恒方程61

4.1.2质量守恒及物料衡算问题62

【P4-1】辊轧钢板的运动速度计算62

【P4-2】搅拌槽中盐溶液的浓度-时间关系62

【P4-3】搅拌槽中溶液混合的浓度-时间关系63

【P4-4】放射性盐溶液蒸发浓缩的操作周期计算64

【P4-5】筛板塔净化气流夹带液滴的混合置换模型及塔板数计算64

【P4-6】废水搅拌池中自分解组分的浓度-时间关系65

【P4-7】磷酸反应槽出口溶液的浓度-时间关系66

4.2动量、动量矩守恒方程及流体系统受力分析67

4.2.1控制体动量及动量矩守恒方程67

4.2.2流体系统受力问题分析69

【P4-8】弯曲喷管受力分析69

【P4-9】喷气发动机推力计算70

【P4-10】二维风洞中测试柱状体的阻力系数71

【P4-11】理想水流垂直冲击平板的受力分析72

【P4-12】理想水流冲击固定叶片和平移叶片的受力分析72

【P4-13】理想水流冲击转动叶轮的受力分析74

【P4-14】二维理想水流冲击倾斜平板的受力分析75

【P4-15】离心泵叶轮的输出力矩及功率75

4.3能量守恒方程及其应用问题77

4.3.1流体系统的能量77

4.3.2控制体能量守恒方程77

4.3.3能量守恒方程应用问题79

【P4-16】强制循环蒸发器的循环流量及热量衡算79

【P4-17】气瓶充气过程中的温升与充气量问题80

【P4-18】加热搅拌槽中溶液的温度-时间关系82

【P4-19】串联硫酸冷却槽突然停水及再启动过程的温度-时间关系83

【P4-20】供水管路系统的泵送功率计算85

【P4-21】全压与驻点压力的概念及皮托管测速原理86

【P4-22】文丘里管流量公式87

【P4-23】引射器的气源压力及面积比条件87

【P4-24】薄板溢流堰的流量公式及流量计算88

【P4-25】双堰型卧式三相分离器液层厚度的计算与调控89

4.4守恒原理综合应用问题90

4.4.1流动流体与器壁的相互作用力问题90

【P4-26】输水管路三通接管受力分析91

【P4-27】变径弯管出口压力/温升及受力分析92

【P4-28】明渠水流对闸门的冲击力93

4.4.2理想液体自由射流及孔口流动问题94

【P4-29】理想流体垂直射流受力问题95

【P4-30】理想水流的流量及射程-方位角关系95

【P4-31】容器壁面小孔射流轨迹问题96

【P4-32】矩形孔口理论流量的对比计算96

【P4-33】纸浆蒸煮釜卸料流量与时间计算97

【P4-34】矩形槽内沉浸孔的拟稳态流动问题98

4.4.3虹吸流动及液体汽化问题99

【P4-35】虹吸管排水流速及排水时间问题99

【P4-36】两水库间虹吸管输水流量的计算100

【P4-37】离心泵安装高度的计算101

【P4-38】圆盘式摩擦泵流量公式及流量计算102

4.4.4突扩/突缩口的局部阻力及相关问题103

【P4-39】引风口/出风口压力与环境压力的关系103

【P4-40】矿山坑道自然通风的风向及流速问题105

【P4-41】引风除尘系统的阻力损失与风机功率105

【P4-42】等直径管中节流元件的局部阻力损失107

【P4-43】不可压缩流体引射混合的阻力损失108

【P4-44】可压缩流体的引射混合问题110

4.4.5水跃现象及小扰动重力波传播速度问题111

【P4-45】水跃现象产生条件及机械能损耗111

【P4-46】小扰动重力波的传播速度112

【P4-47】通过重力波驻波角确定水流速度113



第5章不可压缩一维层流问题114

5.1概述115

5.1.1建立流动微分方程的基本步骤115

5.1.2常见边界及定解条件115

5.2平壁层流的基本方程及应用115

5.2.1平壁层流及其特点115

5.2.2平壁层流的基本方程116

5.2.3平壁层流典型问题分析117

【P5-1】平板通道的层流速度分布及摩擦阻力系数117

【P5-2】平行板间液-液流动速度分布的合理性判别118

【P5-3】平行板间摩擦-压差流的速度及切应力分布118

【P5-4】双层液膜表面的平板拖拽力及界面切应力计算118

【P5-5】圆筒摩擦剪切流的切应力及速度分布119

【P5-6】流体动压润滑原理——平壁层流问题的扩展120

5.3圆管层流的基本方程及应用122

5.3.1圆管层流的特点及基本方程122

5.3.2圆管层流典型问题分析123

【P5-7】圆管层流的速度分布及阻力系数123

【P5-8】用哈根-泊谡叶公式测量流体黏度的误差分析124

【P5-9】根据圆管层流流量测试估计流体运动黏度124

【P5-10】圆形套管层流的速度分布及阻力系数125

【P5-11】圆形套管输送蔗糖水溶液的流量及摩擦力计算125

【P5-12】圆杆在圆管内对中滑动所产生的摩擦流动问题126

【P5-13】竖直圆管内理想塑性流体的重力流动条件127

【P5-14】圆柱黏度仪的黏度测量计算式127

【P5-15】毛细管流量计的测量计算与分析128

【P5-16】流体层流流动通过圆管管网的流量与流向129

【P5-17】竖直圆柱表面的层流降膜流动分析130

5.4平壁降膜流动分析131

5.4.1平壁层流降膜的基本方程131

5.4.2平壁降膜流动典型问题分析132

【P5-18】倾斜平壁充分发展层流降膜的力平衡分析132

【P5-19】在竖直平壁表面形成给定厚度油膜所需的流量133

【P5-20】倾斜平壁蒸汽冷凝液膜的厚度与流速计算133

【P5-21】液体排放过程中黏附于器壁表面的液量计算134

【P5-22】传送带表面的液膜厚度及液体输送量135

【P5-23】球面降膜流动的液膜厚度与平均流速137



第6章流体流动微分方程的应用139

6.1流体流动微分方程140

6.1.1流体流动的连续性方程140

6.1.2不可压缩流体的运动微分方程——Navier-Stokes方程140

6.1.3牛顿流体的本构方程141

6.2流动微分方程的应用141

6.2.1应用概述141

6.2.2流动微分方程应用相关问题142

【P6-1】由控制体质量守恒积分方程变换连续性方程142

【P6-2】应用连续性方程判断流体的可压缩性142

【P6-3】柱坐标微元体的质量守恒分析142

【P6-4】应用连续性方程确定交变流场的密度函数143

【P6-5】流体微元表面的质量通量与动量通量143

【P6-6】平行板间一维稳态层流的速度分布144

【P6-7】转动摩擦液膜的速度及切应力分布145

【P6-8】转动轴的摩擦力矩及功率计算146

【P6-9】双层陶瓷膜管环隙间的径向流动及压力分布147

【P6-10】通过多孔介质流动的微分方程及其应用148

【P6-11】两平行圆盘之间的径向层流流动问题149

【P6-12】底板突然启动产生的一维非稳态层流问题151

【P6-13】由N-S方程和流线方程推导沿流线的伯努利方程153

【P6-14】等截面管内充分发展层流的运动微分方程154

【P6-15】正三角形截面管充分发展层流的速度分布及阻力系数155

【P6-16】矩形截面管充分发展层流的速度分布及阻力系数156

【P6-17】平壁非稳态层流降膜的微分方程及其近似解158

【P6-18】自然对流的运动微分方程及其应用160



第7章不可压缩理想流体平面流动问题163

7.1流体平面运动的基本概念164

7.1.1流体平面运动的转动与体积应变速率164

7.1.2无旋流动（势流）与势函数164

7.1.3不可压缩平面流动的流函数164

7.1.4不可压缩平面势流及其特点165

7.1.5势函数与流函数概念问题165

【P7-1】根据速度势函数确定速度及流函数165

【P7-2】根据流函数确定速度及速度势函数166

【P7-3】已知速度分量确定流场运动学特性Ⅰ167

【P7-4】已知速度分量确定流场运动学特性Ⅱ167

【P7-5】直线运动均匀流场的势函数与流函数Ⅰ168

【P7-6】直线运动均匀流场的势函数与流函数Ⅱ168

【P7-7】非稳态平面流场的势函数和流函数168

【P7-8】速度势函数与加速度势函数的关系170

【P7-9】平行板间剪切流动的流函数及流量170

【P7-10】倾斜平壁降膜流动的流函数及流量170

7.2不可压缩平面势流流场分析171

7.2.1不可压缩平面势流分析方法171

7.2.2不可压缩平面势流流场问题172

【P7-11】不可压缩势流的N-S方程与伯努利方程172

【P7-12】垂直壁面角形区流场的流函数及流网图173

【P7-13】按平面势流角形区流场计算垂直挡墙的受力173

【P7-14】点源与点汇构成的复合流动及偶极流174

【P7-15】均匀横向流与点源复合——理想流体绕钝头体的流动175

【P7-16】均匀横向流与点源/点汇复合——流场速度与压力计算177

【P7-17】均匀横向流与点源/点汇复合——理想流体绕椭圆柱流动177

【P7-18】均匀横向流与偶极流复合——理想流体绕圆柱流动179

【P7-19】按理想流体绕流圆柱计算桥墩端部受力180

【P7-20】水下横移圆柱表面出现空泡时的运动速度181

【P7-21】均匀横向流绕转动圆柱体的流场分析与计算181

【P7-22】自由涡的液面形状曲线183



第8章流动相似及模型实验问题184

8.1流动相似与相似准则185

8.1.1几何相似185

8.1.2运动相似及时间准则185

8.1.3动力相似及动力相似准则185

8.2流体流动问题的相似分析 187

8.2.1流动问题微分方程的相似分析187

【P8-1】黏性不可压缩流动问题的相似准则——N-S方程相似分析187

【P8-2】小温差自然对流问题的动力相似准则188

【P8-3】流动充分发展管内强制对流换热过程的相似准则189

8.2.2流动问题影响因素的因次分析190

【P8-4】管内不可压缩流动的摩擦压降——因次分析方法示例190

【P8-5】管内充分发展流动的摩擦压降表达式192

【P8-6】颗粒沉降速度或绕流阻力问题的因次分析193

【P8-7】圆柱绕流诱导振动频率问题的因次分析194

【P8-8】流体输送机械内流体压力增量影响因素的因次分析195

【P8-9】水轮机输出力矩及其影响因素的无因次数关系196

【P8-10】可压缩流体与不可压缩流体绕流阻力问题的因次分析198

【P8-11】水面舰船阻力问题的因次分析199

【P8-12】液体由竖直圆管流出所形成的液滴质量199

【P8-13】液体喷嘴产生的液滴粒径及其影响因素200

【P8-14】气固两相流对管壁金属的磨蚀量及其影响因素200

【P8-15】高爆能量产生的冲击波波面半径及其速度问题201

8.3模型实验设计及流动相似计算202

8.3.1模型实验设计的基本要点202

8.3.2模型实验设计与相似计算问题203

【P8-16】管道内不可压缩定常流动的相似工况计算203

【P8-17】测定水管阀门阻力特性的模型实验204

【P8-18】文丘里流量计流动过程的动力相似205

【P8-19】蒸汽横掠换热管流动的模型实验206

【P8-20】椭圆柱绕流的动力相似计算206

【P8-21】建筑物风载荷问题的模型实验207

【P8-22】球体绕流阻力问题的动力相似208

【P8-23】两球形颗粒恒速沉降过程的动力相似209

【P8-24】气力管道输运沙粒的模型实验209

【P8-25】液体喷嘴所形成的液滴粒径估算210

【P8-26】喷射水流的速度与高度（机械能转换过程的相似数）211

【P8-27】反应堆冷却系统循环泵的放大模型实验212

【P8-28】通风系统轴流风扇的性能实验213

【P8-29】轴流风机异地安装的相似计算214

【P8-30】离心泵的动力相似及其相似定律与比例定律214

【P8-31】轴流泵操作性能的模型实验216

【P8-32】几何相似轴流泵输送水和空气时的相似计算217

【P8-33】基于水轮机模型实验的参数预测问题217

【P8-34】水轮机模型实验的设计计算219

【P8-35】飞机降落过程的水洞模型实验220

【P8-36】常压风洞与压力风洞中螺旋桨飞机的模型实验221

【P8-37】低温氮气压力风洞中的飞机模型实验222

【P8-38】潜艇阻力的水槽实验与压力风洞实验223

【P8-39】潜艇方向舵力矩模型实验结果的换算224

【P8-40】鱼雷阻力的模型实验224

【P8-41】水面舰船波浪阻力的相似计算225

【P8-42】水面舰船波浪阻力与总阻力的模型实验226

【P8-43】桥墩周围波浪结构的模型实验228

【P8-44】溢洪道流动问题的模型实验228

【P8-45】河床流动模型实验的比尺效应及变异模型229



第9章不可压缩流体管内流动问题231

9.1不可压缩流体管内流动的基本公式232

9.1.1管内流动充分发展时的速度分布232

9.1.2管道流动的沿程阻力与局部阻力233

9.1.3管内流动的摩擦阻力系数233

9.1.4局部阻力系数234

9.2管内流动问题的解析与计算235

9.2.1问题的基本类型、特点与解析要领235

9.2.2管内流动典型问题的解析与计算235

【P9-1】光滑圆管截面局部速度等于平均速度的位置235

【P9-2】光滑圆管湍流黏性底层及过渡层的相对厚度236

【P9-3】光滑圆管湍流黏性底层至核心区的速度分布计算237

【P9-4】光滑圆管湍流黏性底层和过渡层厚度与雷诺数的关系237

【P9-5】根据水力粗糙管截面两点速度之比确定相对粗糙度239

【P9-6】层流圆管的摩擦压降与进口压力计算239

【P9-7】根据圆管层流特性测试流体运动黏度240

【P9-8】根据光滑圆管阻力系数判断流动形态241

【P9-9】根据粗糙圆摩擦压降确定阻力系数及流量241

【P9-10】流体在管束间顺流流动的水力直径计算242

【P9-11】圆管替代矩形管的对比计算242

【P9-12】螺旋管流动阻力及泵送功率的计算243

【P9-13】离心泵进口管路总阻力损失计算243

【P9-14】强制循环蒸发器闪蒸室进料管节流孔板的设计计算244

【P9-15】根据管道泄漏点上下游的测试压降计算泄漏量245

【P9-16】已知流量按压降要求确定管道直径246

【P9-17】圆管与三角形管并联管路的对比计算247

【P9-18】圆管与矩形管串联管路的流量计算248

【P9-19】两水槽液面高差驱动的串联管路流量计算249

【P9-20】两水力粗糙管串联或并联使用的压降对比计算250

【P9-21】水泵旁路系统的流量计算250

【P9-22】多管程换热器的管程阻力压降及功耗计算251

【P9-23】大型U形管管束内外层换热管流速差异计算252

【P9-24】并联管路的压差与流量计算254

【P9-25】串并联分支管路的压差与水泵功率计算254

【P9-26】水库间分支管路的流量问题（给定阻力系数）255

【P9-27】水库间分支管路的流量问题（阻力系数随流量变化）257

【P9-28】水库间分支管路的流向问题（阻力系数随流量变化）258

【P9-29】渗透率均匀的管道内流体的平均速度及压力变化260

【P9-30】渗透率均匀的串联管道内流体的压降计算261

【P9-31】对称供油管路的压降与流量计算261

【P9-32】单一进出口简单管网的流量与压降计算262

【P9-33】单一进口多出口简单管网的流量与压降计算263

【P9-34】简单管网的流量与压降计算（逐次近似法）265

【P9-35】应用逐次近似法计算三回路管网的流量与压降266



第10章边界层流动及绕流阻力问题268

10.1平壁边界层流动及摩擦阻力269

10.1.1边界层流动的基本概念269

10.1.2层流边界层的厚度及摩擦阻力系数270

10.1.3边界层动量守恒积分方程270

10.1.4湍流边界层厚度/摩擦阻力系数及速度分布270

10.1.5平壁边界层流动及摩擦阻力典型问题271

【P10-1】边界层排挤厚度与动量损失厚度问题271

【P10-2】边界层厚度计算及其修正方法272

【P10-3】考虑边界层厚度计算风车安装高度273

【P10-4】湍流边界层内的速度分布计算273

【P10-5】边界层动量守恒积分方程应用Ⅰ274

【P10-6】边界层动量守恒积分方程应用Ⅱ275

【P10-7】湍流边界层总摩擦阻力系数的修正计算式276

【P10-8】帆船稳定板摩擦阻力计算277

【P10-9】鱼雷表面摩擦阻力的功率消耗计算277

【P10-10】舰船模型实验中确定波浪阻力的辅助计算277

10.2绕流流动及绕流阻力278

10.2.1绕流阻力及其计算方法278

10.2.2圆柱绕流及其总阻力系数279

10.2.3球体绕流及其总阻力系数280

10.2.4绕流流动及绕流阻力典型问题280

【P10-11】轿车的风阻功率计算280

【P10-12】潜航器的阻力与功率消耗计算281

【P10-13】厢式货车侧向倾覆的风速计算281

【P10-14】圆柱形烟囱的风载荷及诱导振动频率计算281

【P10-15】锥形圆柱的风载荷及力矩计算282

【P10-16】转动圆柱的空气阻力转矩及功率计算282

【P10-17】降落伞的终端速度及展开直径计算283

【P10-18】根据终端速度确定球形颗粒直径284

【P10-19】测试光滑球形颗粒终端速度确定流体黏度284

【P10-20】根据氦气气球牵绳倾斜角确定风速284

【P10-21】爆米花机操作风速范围计算285

【P10-22】棒球掷出后的飞行时间与速度计算286

【P10-23】油漆喷枪出口液滴的运动速度与时间的关系286



第11章可压缩流体管内流动问题289

11.1可压缩流动的相关概念与基本关系290

11.1.1基本假设及热力学关系290

11.1.2质量与能量守恒方程290

11.1.3声速、马赫数及其计算291

【P11-1】气体及液体中的声速对比291

【P11-2】以马赫数表示阻力公式并计算阻力291

【P11-3】相同马赫数下飞行速度随高度的变化292

11.1.4滞止状态及滞止参数计算292

【P11-4】固体表面的驻点压力与驻点温度292

【P11-5】皮托管测速问题及可压缩性影响分析293

【P11-6】储气罐供气管道的截面参数计算294

【P11-7】气体绝热管流的参数计算294

11.1.5正激波及其前后参数的计算295

【P11-8】已知正激波前参数计算激波后参数295

【P11-9】已知正激波后参数计算激波前参数296

11.2变截面管内可压缩流体的等熵流动296

11.2.1变截面管等熵流动的基本特点与关系296

11.2.2拉伐尔管中马赫数-静压的变化及流动状态297

11.2.3拉伐尔管等熵流动分析与计算298

【P11-10】超声速风洞参数设计计算298

【P11-11】拉伐尔管工况分析与流量计算299

【P11-12】缩放管出现激波的背压条件300

【P11-13】缩放管上下游截面参数关系计算300

【P11-14】缩放管出口直径设计问题301

【P11-15】超声速喷气发动机前段扩压器参数计算302

【P11-16】拉伐尔管内正激波前后及出口马赫数的联立计算302

【P11-17】火箭喷管中正激波截面的面积及位置计算303

【P11-18】火箭发动机推力计算304

【P11-19】给定上游截面参数和正激波截面面积计算背压305

【P11-20】超声速气流进入缩放管后的参数计算306

11.2.4渐缩管等熵流动分析与计算307

【P11-21】用渐缩管测量管内质量流量307

【P11-22】等动量取样管设计计算308

【P11-23】喷气火箭推力计算309

【P11-24】不同背压下恒温恒压容器孔口的流量与温度309

【P11-25】天然气管道小孔泄漏问题310

【P11-26】恒温容器放气过程的压力-时间关系及数值积分计算310

【P11-27】绝热容器放气过程的压力-时间关系及数值积分计算312

11.3等截面管内可压缩流体的摩擦流动314

11.3.1有摩擦绝热流动的特点及基本关系314

11.3.2有摩擦绝热流动典型问题316

【P11-28】绝热摩擦流动三种典型工况的对比计算316

【P11-29】绝热管流中马赫数所在截面的位置计算317

【P11-30】根据出口马赫数和背压确定上游截面参数318

【P11-31】颗粒输送管气流进口参数计算（与平均密度法对比）318

【P11-32】给定管长/流量/进口压力试差计算管径319

【P11-33】给定气流总温试差计算进口压力对应的流量320

【P11-34】给定气流进口温度试差计算进口压力对应的流量322

【P11-35】矩形管绝热摩擦流动计算324

11.3.3有摩擦等温流动的特点及基本关系324

11.3.4有摩擦等温流动典型问题325

【P11-36】等温摩擦流动进出口压力关系与平均密度法关系的对比325

【P11-37】矩形管等温摩擦流动下游压力计算（对比平均密度法）326

【P11-38】根据进口参数确定下游压力（等温与绝热流动对比）326

【P11-39】给定管参数/出口压力计算流量及进口压力327

【P11-40】给定两截面压力试差计算质量流量（对比平均密度法）328

【P11-41】出口马赫数为极限状态时进口马赫数的分析与计算328

【P11-42】等温摩擦流动管长计算及传热分析329

11.4可压缩流体的速度与流量测试330

11.4.1可压缩流体的速度与流量测量公式330

11.4.2可压缩流体速度与流量测量计算331

【P11-43】超声速飞机的马赫数及速度测量问题331

【P11-44】文丘里管测量氢气流量的对比计算332



第12章过程设备内流体的停留时间问题333

12.1停留时间的基本概念与关系334

12.1.1流体停留时间与进口时间的关系334

12.1.2停留时间分布函数与密度函数 334

12.1.3不同时间输入的流体在出口截面的输出计算335

【P12-1】不同时间输入的流体在特定时间段流出系统的总质量335

【P12-2】根据密度函数计算不同时间输入的流体在特定时间的输出量336

【P12-3】内部年龄分布密度函数I（t）及其与F（t）和E（t）的关系337

12.2停留时间分布的测试及基本模型338

12.2.1停留时间分布函数与密度函数的测试338

12.2.2停留时间分布的数字特征339

12.2.3几种典型的停留时间分布模型340

12.2.4停留时间分布测试与模型的相关问题342

【P12-4】根据脉冲示踪响应曲线确定RTD函数342

【P12-5】根据阶跃示踪响应曲线确定RTD函数343

【P12-6】根据阶跃示踪响应曲线确定串联釜模型参数343

【P12-7】食用油汽提塔中的停留时间分布实验343

【P12-8】串联搅拌器系统的停留时间分布实验344

【P12-9】化工厂废液排放池出口的组分浓度检测问题345

【P12-10】化工厂废液排放渠下游的组分浓度检测问题346

【P12-11】两个体积不同的全混釜串联系统的RTD密度函数347

【P12-12】两个容器串联系统的密度函数与其独立密度函数的关系348

【P12-13】n个一般反应釜串联系统的RTD密度函数递推公式349

【P12-14】n个相同全混釜串联系统的RTD密度函数及数字特征349

【P12-15】轴向扩散流模型的RTD密度函数及分布函数350

【P12-16】圆管内充分发展层流流动的RTD分布函数352

【P12-17】全混流-平推流循环系统的RTD密度函数354

【P12-18】变浓度示踪输入的响应曲线与RTD密度函数的关系356

【P12-19】一般循环系统的脉冲示踪响应曲线及RTD密度函数357

【P12-20】封闭循环系统脉冲示踪实验及RTD密度函数计算358



附录361

附录A矢量与场论的基本公式362

附录B典型特殊函数的性质及微分方程的解365

附录C常见流体的物性参数367

附录D常见物理量的量纲与单位换算及常见特征数370

附录E管道粗糙度、局部阻力系数及绕流总阻力系数参考值372



参考文献374

【作者简介】

黄卫星，四川大学，教授，长期专注过程设备流体流动与传递过程的科研与教学；

教学方面：长期主讲课程包括，

工程流体力学（过程装备、安全工程、环境工程、机械制造本科生）；

化工传递过程（化工一级学科、化工机械二级学科研究生学位课）；

过程设备传热学基础（双语，过程装备、安全工程本科生）；

流体力学II （化工过程机械研究生学位课）。

科研方向：多相流传递过程与设备。

特色是专注过程设备系统多相流单元过程，研究其中的流体动力学及传热传质行为（基础研究），进而将动力学行为与过程设备结构相关联，建立过程设备工艺结构设计的热力计算模型（实际应用）。近年研究工作主要集中于过程设备内的气-液、液-液两相流与传热及分离问题，在化工及动力等行列的过程设备设计创新和引进设备自主设计方面取得多项成果。先后承担国家/部省及校企合作创新项目数十项，培养博硕士研究生90余人，发表SCI/EI论文100余篇，授权专利7项，获部省科技进步奖3项、优教学奖3项。

【前言】

流体流动既是自然现象，又是工程实际中借以实现动量、热量及质量传递的基本手段。在过程装备、化工轻工、能源动力、航空航天、土木水利、环境安全等工程领域，流体流动及其所带来的问题,都是其专业工作者必须面对和解决的问题。国内外高校工程类专业多数都将工程流体力学课程作为标配专业基础课也正是基于流体流动现象的广泛工程背景。

流体流动的基本原理和分析方法在各种流体力学教材中都有涉及，但要能较好地将其应用于解决工程实际问题，必须能把握不同流动问题的类型特点、常用假设、解析要领及计算方法。这种把握能力的培养是践行理论联系实际的过程，其中不仅需要勤于演算不同类型的习题，更需要广泛借鉴工程实际流动问题的解析经验。只有经历这样的实践过程，方可深化基本概念的理解，熟悉原理公式的应用，积累分析建模的经验，不断提升解决工程实际问题的能力。

编者长期讲授工程流体力学及传递过程课程，并以“多相流传递过程及设备”为主要方向指导培养研究生，开展科学研究，服务工程实际。编写此书的目的，就是与相关专业的高校学生、任课教师和专业工作者分享编者在教学及科研实践中解析计算流体流动问题的经验。

本书较为系统地汇集了具有教学价值和工程实际意义的流体流动典型问题，其中包括编者近年来面向工程实际所解决的部分问题。根据其涉及的流体力学知识范畴，本书将这些问题划分为12章，包括流体力学特性相关问题、流体流动基本概念问题、流体静力学问题、流动系统质量/动量/能量守恒问题、不可压缩一维层流问题、流体流动微分方程的应用、不可压缩理想流体平面流动问题、流动相似及模型实验问题、不可压缩流体管内流动问题、边界层流动及绕流阻力问题、可压缩流体管内流动问题、过程设备内流体的停留时间问题。

书中各章内容以“知识要点及基本公式 典型问题及解析计算过程”的方式编排。其中各章涉及的知识要点的详细阐述、基本公式的来源与建立过程，可查阅黄卫星、伍勇编著《工程流体力学》（第3版）的对应各章。在将这些知识要点及基本公式应用于典型问题的解析计算过程时，编者充分注意到了以下几点：

① 阐明问题的类型特点及常用假设，包括假设的必要性，假设的合理性及其理论与实验依据。

② 阐明特定类型问题的解析要领，重点是面对那些需要进行建模分析的问题时的建模思路与方法，或面对不同条件的计算问题时从什么特征条件入手和应用什么方程建立计算方法与步骤。不同类型的问题都有各自的解析思路可寻，比如管道流动问题，其中单一管路的阻力/流量/管径计算、串联/并联/分支管路及管网的计算、可压缩流体有摩擦绝热/等温流动的计算等，就各有不同的解析要领。

③ 应用现代计算工具实现微积分方程或复杂方程组的计算，重点是基于Excel表格工具的数值积分方法、微分方程数值计算方法、线性/非线性方程组的迭代计算方法、方程联立试差计算方法（可压缩流动问题常用）、特定问题的近似计算方法（如管网问题的逐次近似法）等。

④ 以讨论或注解的形式，指出某些典型问题分析结果的适应范围或在工程实际中的扩展应用。

为应用方便，本书以附录形式给出了矢量与场论的基本公式（附录A），典型特殊函数的性质及微分方程的解（附录B），常见流体的物性参数（附录C），常见物理量的量纲与单位换算及常见特征数（附录D），管道粗糙度、局部阻力系数及绕流总阻力系数参考值（附录E）。

本书既可作为高校学生学习流体力学类课程的辅导教材，也可作为高校教师讲授工程流体力学课程的案例教材，同时也可作为相关专业科研及工程技术人员的常备参考书，为其解决流体流动工程实际问题提供案例参考和方法借鉴。

本书出版之际，编者衷心感谢四川大学化学工程学院及过程装备与安全工程系的同事们为本书编写提供的相关资料与教学支持；感谢四川大学化工学院“多相流过程与设备及安全工程”科研团队全体研究生同学给予的长期协助；同时对国内相关科研院所及企业公司多年来的项目合作以及兄弟院校专家教授和任课教师的宝贵建议表示诚挚的谢意，并希望读者对本书中的缺点与不足予以指正。



黄卫星

2020年5月

四川大学，成都