流体力学基础及其工程应用（英文版）（原书第2版）（附光盘）

作者:(美)森哲尔、辛巴拉

尤努斯·A.森哲尔（Yunus A.Cengel），美国内华达大学机械工程荣誉退休教授。他在土耳其伊斯坦布尔技术大学获得机械工程学士学位，在北卡罗莱纳州立大学机械工程系获得硕士和博士学位。他的研究领域是可再生能源、脱盐、可用性分析、传热强化、辐身热传递和能量储存等。1996-2000年，他担任内华达大学工业评估中心主任，带领学生到北内华达和加利福尼亚的一些生产厂家做工业评估，筹划能量储备，降低消耗，为他们提供提高生产力的报告。



森哲尔博士是被广泛使用的教科书Thermodynamics：An Engineering Approach（《热动力学：工程研究方法》第6版，2008）的作者之一，该书由麦格劳一希尔公司出版。他还是该出版社出版的另两本教科书：Heat Transfer：A PracticalApproach（《热传输：实用研究方法》第3版，2007）的作者，以及Funda—mentals of Thermal—Fluid Sciences（《热流体科学基础》第3版，2008）的作者之一。他的部分教科书已被翻译成中文、日文、韩文、西班牙文、土耳其文、意大利文和希腊文。



森哲尔博士获得了多个优秀教师奖，他还于1992年和2000年两次获得美国工程教育学会（ASEE）为优秀原创作者设立的Meriam／Wiley卓越作者奖。



森哲尔博士是内华达州的注册教授级工程师，也是美国机械工程师学会（ASME）和美国工程教育学会的会员。约翰·M.辛巴拉（John M.Cimbala），美国宾夕法尼亚州立大学机械工程教授。他在宾夕法尼亚州立大学获得航空航天工程学士学位，在加利福尼亚理工学院获得航空硕士学位，1984年在加利福尼亚理工学院获得航空博士学位，师从AnatolRoshko教授（辛巴拉永远感激他）。他的研究领域包括实验与计算流体力学、热传输、湍流、湍流建模、室内空气质量和空气污染控制等。1993—1994年，他利用大学学术休假期间到美国宇航局（NASA）兰利研究中心从事计算流体力学和湍流建模研究工作。



辛巴拉博士是三本教科书的作者之一：Indoor Air Quality Engineering：Environmental Health and ControlofIndoor Polutants（《室内空气质量工程：健康与室内污染控制》，2003），该书由Marcel-Dekker公司出版；Essentials ofFluid Mechanics：Fundamentals and Applications（《流体力学要素：基础与应用》，2008）和Fundamentals of Thermal—Fluid Scinces（《热流体科学基础》第3版，2008），这两本书均由麦格劳-希尔公司出版。他还与别人共同编著了其他一些书，他也是数十篇期刊和会议论文的作者或共同作者。从www.mne.psu.edu／cimbala网站上可查到他更多的信息。



辛巴拉教授获得多个优秀教学奖，本书就是他热爱教学的一个见证。他是美国航空航天学会（AIAA）、美国机械工程师学会、美国工程教育学会和美国物理学会（APS）的会员。

1-1 INTRODUCT00N
Mechanics is the oldest physical science that deals with both stationary andmoving bodies under the influence of forces．The branch of mechanics thatdeals with bodies at rest is called statics,while the branch that deals withbodies in motion is called dynamics．The subcategory fluid mechanics isdefined as the science that deals with the behavior of fluids at rest(fluid sta．tics)or in motion(fluid dynamics),and the interaction of fluids with solids0r other fluids at the boundaries．Fluid mechanics is also referred to as fluiddynamics by considering fluids at rest as a special case of motion wlth zerovelocity(Fig．1一l)．
Fluid mechanics itself is also divided into several categories．Thc study ofthe motion of fluids that can be approximated as incompressible(such as liq．uids．especially water,and gases at low speeds)is usually referred to as hydro．dynamics．A subcategory of hydrodynamics is hydraulics,whch deals withliquid flows in pipes and open channels．Gas dynamics deals with the flow offluids that undergo significant density changes,such as the flow of gasesthrough nozzles at high speeds.The category aerodynamics de:als with theflow of gases(especially air)over bodies such as aircraft,rockets,and automo．biles at high or low speeds.Some other specialized categories such as meteo rology,oceanography,and hydrology deal with naturally occurring flows．What!s a Fluid?
You will recall from physics that a substance exists in three primary phases:solid．1iquid,and gas．(At very high temperatures,it also exists as plasma．)A substance in the liquid or gas phase is referred to as a fluid．Distinctionbetween a solid and a fluid is made on the basis of the substance's ability toresist an applied shear(or tangential)stress that tends to change lts shape．Asolid can resist an applied shear s~ess by deforming．whereas a flMzddcfoFillS continuously under the influence of a shear stress,no matter howsmall．In solids．stress is proportional to strain,but in fluids,stress is pro．portional to strain rate．When a constant sheqr force is applied,a solid even．tually stops deforming at some fixed strain泗gIC,whereas a fluid neverstops deforming and approaches a constant rate of strain．
Consider a rectangular rubber block tightly placed between two plates．Asthe upper plate is pulled with a force F while the lower plate is held fixed,the rubber block deforms,as shown in Fig．1-2．The angle of deformation 0／(called the shear strain or angular displacement)increases in proportion tothe applied force F．Assuming there is no slip between the rubber and theplates．the upper surface of the rubber is displaced by an amount equal tothe displacement of the upper plate while the lower surface remams station．ary．In equilibrium,the net force acting on the upper plate In the horizontaldirection must be zero,and thus a force equal and opposite to F must beacting on the plate．This opposing force that develops at the plate-rubberinterface due to friction is expressed as F'rA,where丁is the shear stressand A is the contact area between the upper plate and the rubber．When theforce is removed,the rubber returns to its original position．This phenome．non would also be observed with other solids such as a steel block providedthat the applied force does not exceed the elastic range．If this expenmentwere repeated with a fluid(with two large parallel plates placed in a largebody of water,for example),the fluid layer in contact with the upper platewould move with the plate continuously at the velocity of the plate no mat—ter how small the force F．ThC fluid velocity would decrease with depthbecause of friction between fluid layers．reaching zero at the lower plate．
You will recall from statics that stress is defined as force per unit areaand is determined by dividing the force by the area upon which it acts．Thenormal component of a force acting on a surface per unit area is called thenormal stress,and the tangential component of a force acting on a surfaceper unit area is called shear stress(Fig．1—3)．In a fluid at rest．the normalstress is called pressure．A fluid at rest is at a state of zero shear stress．Wbcn the walls are removed or a liquid container is tilted．a shear developsas the fiquid moves to re—establish a horizontal free surface．
In a fiquid,groups of molecules can move relative to each other,but thevolume remains relatively constant because of the strong cohesive forcesbetween the molecules．As a result．a liquid takes the shape of the container itis in,and it forms a free surface in a 1arger container in a gravitationaleld．Agas,On the other hand,expands until it encounters the walls of the contmnerand fills the entire available space．This is because the gas molecules arewidely spaced,and the cohesive forces between them are very small．Unlikeliquids,a gas in an open container cannot form a free surface(Fig．1—4)．
Although solids and fluids are easily distinguished in most cases,this dis一血cfion is not so clear in some borderline cases．For example．asphalt appearsand behaves as a solid since it resists shear stress for short periods of time．When these forces are exerted over extended periods of time,however,theasphalt deforms slowly,behaving as a fluid．Some plastics．1ead,and slurrymixtures exhibit similar behavior．Such borderline cases are beyond the scope0f ois text．The fluids we de址wi出in this text will be clearly recognizable asfluids．
Intermolecular bonds are strongest in solids and weakest in gases．Onereason is that molecules in solids are closely packed together,whereas ingases they are separated by relatively large distances(Fig．1—5、．The mole．cules in a solid are arranged in a paUem that is repeated throughout．Becauseof the small distances between molecules in a solid．the attractive forces ofmolecules on each other are large and keep the molecules at fixed positions.
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一、背景情况
流体力学是一门涉及从微观生物系统到汽车、飞机和宇宙飞船推进等广泛领域，具有无限实际应用价值的令人激动和着迷的学科。它历来是对本科生最具有挑战性的科目。与在一、二年级的物理、化学和工程力学等课程中，学生通常学习一些算式，然后用计算器进行简单计算不同，对流体力学习题的求解远不限于此。学生必需先对习题作分析，作出适当的假设或近似，然后运用相关的物理定律建立控制方程并求解，最后才是代人数据进行计算。在解决流体力学问题中仅懂得一些理论知识是不够的，还需要具有物理直觉和经验。本书的目的是通过对概念的仔细诠释，并通过运用大量的实际例子、示意图、图片和照片，建立一座跨越理论知识和实际应用之间鸿沟的桥梁。
流体力学是一门成熟的学科，已经建立了基本的或近似的方程，这些方程可以从许多入门的教科书中找到。这些教材形式各异，取决于如何安排这些内容。一本易读的流体力学教科书应该是从简单到复杂循序渐进的，每一章都建立在前面章节的基础上。用这种方法可以有效地学习通常认为具有挑战性的问题。流体力学本质上是一门高度可视化的科目，学生可以通过视觉途径较快地领会内容。因此一本好的流体力学教科书应该提供高质量的图片和照片，用可视化方法帮助学生理解数学表达式的含义和物理意义。
二、目标
本书的目的是为二、四年级的工程类本科生提供一本适于学习第一门流体力学课程的教材，假设这些学生在数学、物理、工程力学和热力学方面已具备足够的基础。本书的目标是：
（1）涵盖流体力学的基本原理和方程。
（2）列举大量真实世界中的各种工程实例，让学生认识到流体力学是如何应用于工程实践的。
（3）通过强调物理背景，提供精彩的图片和可视化辅助手段，让学生对流体力学有一个直观的理解。
本书包含了大量素材，让教师在讲解某一主题时能灵活运用。例如，航空和航天工程专业的教师可能会强调势流、阻力和升力、可压缩流动、涡轮机械和CFD等；机械和土木工程的教师可能选择管流、明渠流等。本书内容覆盖了足够的宽度，同时可以满足这两门课的需要。
三、第2版新增内容
在整体布局和表达顺序方面与第1版没有明显改变，第2版在以下方面作了改进：每章均用精彩的照片作为开头，以刺激学生对本章的内容感兴趣；全书增加了一些新的照片，并用照片代替原来手画的图片，以反映真实生活中的实际应用；我们将描述声速的一节从第12章（可压缩流动）移至第2章（流体性质）；在第6章（流体系统的动量分析）中原来冠名为“无外力的流动”一节作了大幅修改，使其更为清晰；第13章（明渠流动）中的几部分在大卫．F．希尔（David F．Hm）教授的帮助下得到了加强，包括数值解举例和章末需要用数值解的几个新习题；在第14章（涡轮机械）中，我们将“气体和蒸气涡轮”一节从原来的末尾移至“涡轮机”中；在第14章中，我们还增加了“风力涡轮机”一节，对学生了解今天的不稳定能源是适用的；最后在第15章（计算流体动力学引论）中，我们加强了讨论多面体网格的“网格生成”一节，它在今天比较流行。
在这一版中，我们在大部分章内增加了新的例题，还增加了200多道习题；对原有的许多习题进行了修订，使其更具通用性和实用性。最明显的改进是加强了FlowIJb CFD练习。在第1版第15章中，原有46道F‘lowIJb CFD习题，本版在Shane Moeykens、Aay：Pm．ihar、S山ith Sukumar．an和AJcy Walavalkar的帮助下借助ANSYS．FLU．ENT增加了78道新题。新的F’lowLab模板把更基础性的流体力学内容加到CFD中。因此，Flowl讪练习分布于全书各章，有利于教师尽早地把CFD介绍给学生。大多数新的FlowIAb模板提供给学生把解析解、手算近似解与数值解进行比较的机会。例如，在学习第2章中两个同心旋转圆柱缝隙中的黏性流动时，学生可以同时求解章末几道具有相同几何条件的FlowLab习题；他们可以了解到随着缝隙间距的增加，速度线性分布的近似不再适用。到第9章将重新遇到这个问题。在第9章中他们学习用N—S方程求解任何缝隙间距的解析解，并再次把解析解与CFD数值解作比较。
四、宗旨与目的
本书的宗旨与Thermodynamics：An Engineering Approach（作者为Y．A．Cengel和M．A．Boles）、HeatTransjer：APractical，pproach（作者为Y．A．Cengel）和Fundamentals／Thermal—Fluid Sciences（作者为Y．A．Cengel、R．H．Turher和J．M．Cimbala）”（以上三本教科书均由麦格劳，希尔公司出版）的宗旨相同，即目的是提供一本工程类教科书：
（1）用一种简单而精确的方法直接与未来的工程师沟通；
（2）引导学生清楚地理解和坚实地掌握流体力学的基本原理；
（3）鼓励创造性思维，对流体力学形成深刻理解和直观感觉；
（4）让学生带着兴趣和热情而不是仅仅为解题去读这本书。
我们的宗旨是：实践是最好的学习方法。因此全书所做的特殊努力是对学过的内容（包括学过的章和本章学过的节）不断巩固。例如，有很多例题和章末的习题是理解型的，目的是让学生回顾过去章节学过的概念。
全书展现了一些由CFD生成的例子，并设立了“计算流体动力学（CFD）导论”一章。我们的目的不是为了教CFD的数值算法，这将由一门研究生课程去教授。我们的意图是对本科生介绍CFD作为一个工程工具它的适用性和局限性。我们利用CFD结果就像观看风洞里的实验结果一样，加强学生对流动现象的物理认识，提供一种流动可视化手段来解释流体的流动行为。全书有上百道FlowIab CFD习题分散在各章，教师有足够的机会向学生介绍CFD的基础知识。
五、内容与安排
本书分为15章，从流体与流动的基本概念开始到末尾的“计算流体动力学导论”结束；即使对本科生，后者的应用也正成为很平常的事。
第1章介绍流体的基本概念，流动分类，控制体和系统表示法，量纲，单位，有效数字和解题技巧。
第2章介绍流体的性质，如密度、蒸气压、比热比、声速、黏度和表面张力。
第3章涉及流体静力学和压强，包括液体压力计和气压计，作用在淹没表面的静压力，浮力与稳定性，以刚体形式运动的流体。
第4章流体运动学。包括描述流动的拉格朗日法和欧拉法，流动类型，流动可视化，涡量和有旋性，雷诺输运理论。
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