流体力学.pdf

21 世纪全国应用型本科土木建筑系列实用规划教材 流流 体体 力力 学学 主 编 刘建军 章宝华 副主编 马成松 刘源全 参 编 赵万华 陈 文 朱长军 主 审 梁 冰 参 编 李 磊 张 军 参 编 李 磊 张 军 内 容 简 介 本书为高等学校应用型本科土木工程系列教材之一，是根据高等学校土木工程专业的流体力学教学基本要求和注册结构工程师考试对流体力学的要求编写的。全书共分 9 章：绪论、流体静力学、流体动力学、流动阻力和能量损失、孔口管嘴出流与管路水力计算、明渠流、堰流、渗流、流体力学实验等。各章都选编了一定数量的例题和习题。本书结构严谨、说理浅显、叙述详细、例题较多，便于自学，既可作为土木工程、给排水工程、建筑环境与设备工程等专业的教材，也可供从事相关专业的工程技术人员和高等学校其他有关专业师生参考。图书在版编目(CIP)数据 流体力学/刘建军、章宝华主编.北京：北京大学出版社，2006.1 (21 世纪全国应用型本科土木建筑系列实用规划教材)ISBN 7-301-10477-4 .流 .刘 章 .流体力学学校教材 .035 中国版本图书馆 CIP 数据核字(2006)第 000713 号 书 名：流体力学 著作责任者：刘建军 章宝华 主编 责 任 编 辑：吴 迪 李昱涛 标 准 书 号：ISBN 7-301-10477-4/TU0032 出 版 者：北京大学出版社 地 址：北京市海淀区成府路 205 号 100871 网 址：http:/ http:/ 电 话：邮购部 62752015 发行部 62750672 编辑部 62750667 邮购部 62752015 电 子 信 箱：pup_ 排 版 者：北京东方人华北大彩印中心 电话：62754190 印 刷 者：发 行 者：北京大学出版社 经 销 者：新华书店 787 毫米1092 毫米 16 开本 13.5 印张 300 千字 2006 年 1 月第 1 版 2006 年 1 月第 1 次印刷 定 价：20.00 元 21 世纪全国应用型本科土木建筑系列实用规划教材21 世纪全国应用型本科土木建筑系列实用规划教材 专家编审委员会 主 任 彭少民 副主任(按拼音顺序排名)陈伯望 金康宁 李 忱 李 杰 罗迎社 彭 刚 许成祥 杨 勤 俞 晓 袁海庆 周先雁 委 员(按拼音顺序排名)邓寿昌 付晓灵 何放龙 何培玲 李晓目 李学罡 刘 杰 刘建军 刘文生 罗 章 石建军 许 明 严 兵 张泽平 张仲先 21 世纪全国应用型本科土木建筑系列实用规划教材 参编学校名单21 世纪全国应用型本科土木建筑系列实用规划教材 参编学校名单（按拼音排序，覆盖（按拼音排序，覆盖 26 个省市自治区）个省市自治区）1 安徽理工大学 2 北京建筑工程学院 3 北京联合大学 4 长春工程学院 5 长江大学 6 长沙理工大学 7 东南大学 8 广州大学 9 贵州大学 10 桂林工学院 11 合肥工业大学 12 河北工业大学 13 河北建筑工程学院 14 河南大学 15 黑龙江科技学院 16 湖南城市学院 17 湖南大学 18 湖南工程学院 19 湖南工学院 20 湖南科技大学 21 华北电力大学 22 华北水利水电学院 23 华东交通大学 24 华中科技大学 25 淮阴工学院 26 黄石理工学院 27 江汉大学 28 江苏大学 29 江西科技师范学院 30 九江学院 31 昆明理工大学 32 丽水学院 33 辽宁工程技术大学 34 内蒙古科技大学 35 南昌工程学院 36 南昌航空工业学院 37 南华大学 38 南京工程学院 39 南京林业大学 40 南阳理工学院 41 宁波工程学院 42 三峡大学 43 山东交通学院 44 山西大学 45 上海大学 46 石河子大学 47 石家庄铁道学院 48 四川理工学院 49 太原理工大学 50 天津工业大学 51 天津商学院 52 武汉大学 53 武汉工程大学 54 武汉工业学院 55 武汉科技大学 56 武汉科技学院 57 武汉理工大学 58 西安建筑科技大学 59 西安科技大学 60 西北农林科技大学 61 西南交通大学 62 西南林学院 63 湘潭大学 64 孝感学院 65 浙江科技学院 66 中国地质大学 67 中南大学 68 中南林学院 69 重庆大学 70 株洲工学院 丛书总序丛书总序 我国高等教育发展迅速，全日制高等学校每年招生人数至 2004 年已达到 420 万人，毛入学率 19%，步入国际公认的高等教育“大众化”阶段。面临这大规模的扩招，教育事业的发展与改革坚持以人为本的两个主体：一是学生，一是教师。教学质量的提高是在这两个主体上的反映，教材则是两个主体的媒介，属于教学的载体。教育部曾在第三次新建本科院校教学工作研讨会上指出：“一些高校办学定位不明，盲目追求上层次、上规格，导致人才培养规格盲目拔高，培养模式趋同。高校学生中升本热、考硕热、考博热持续升温，应试学习倾向仍然比较普遍，导致各层次人才培养目标难于全面实现，大学生知识结构不够合理，动手能力弱，实际工作能力不强。”而作为知识传承载体的教材，在高等教育的发展过程中起着至关重要的作用，但目前教材建设却远远滞后于应用型人才培养的步伐，许多应用型本科院校一直沿用偏重于研究型的教材，缺乏针对性强的实用教材。近年来，我国房地产行业已经成为国民经济的支柱行业之一，随着本世纪我国城市化的大趋势，土木建筑行业对实用型人才的需求还将持续增加。为了满足相关应用型本科院校培养应用型人才的教学需求，从 2004 年 10 月北京大学出版社第六事业部就开始策划本套丛书，并派出 10 多位编辑分赴全国近 30 个省份调研了两百多所院校的课程改革与教材建设的情况。在此基础上，规划出了涵盖“大土建”六个专业土木工程、工程管理、建筑学、城市规划、给排水、建筑环境与设备工程的基础课程及专业主干课程的系列教材。通过 2005 年 1 月份在湖南大学的组稿会和 2005 年 4 月份在三峡大学的审纲会，在来自全国各地几十所高校的知名专家、教授的共同努力下，不但成立了本丛书的编审委员会，还规划出了首批包括土木工程、工程管理及建筑环境与设备工程等专业方向的 40 多个选题，再经过各位主编老师和参编老师的艰苦努力，并在北京大学出版社各级领导的关心和第六事业部的各位编辑辛勤劳动下，首批教材终于 2006 年春季学期前夕陆续出版发行了。在首批教材的编写出版过程中，得到了越来越多的来自全国各地相关兄弟院校的领导和专家的大力支持。于是，在顺利运作第一批土建教材的鼓舞下，北京大学出版社联合全国七十多家开设有土木建筑相关专业的高校，于 2005 年 11 月 26 日在长沙中南林学院召开了21 世纪全国应用型本科土木建筑系列实用规划教材（第二批）组稿会，规划了建筑学专业；城市规划专业；建筑环境与设备工程专业；给排水工程专业；土木工程专业道路、桥梁、地下、岩土、矿山课群组近 60 多个选题。至此，北京大学出版社规划的“大土木建筑系列教材”已经涵盖了“大土建”的 6 个专业，是近年来全国高等教育出版界唯一一套完全覆盖“大土建”六个专业方向的系列教材，并将于 2007 年全部出版发行。我国高等学校土木建筑专业的教育，在国家教育部和建设部的指导下，经土木建筑专业指导委员会六年来的研讨，已经形成了宽口径“大土建”的专业发展模式，明确了土木建筑专业教育的培养目标、培养方案和毕业生基本规格，从宽口径的视角，要求毕业生能从事土木工程的设计、施工与管理工作。业务范围涉及房屋建筑、隧道与地下建筑、公路 II 与城市道路、铁道工程与桥梁、矿山建筑等，并且制定一整套课程教学大纲。本系列教材就是根据最新的培养方案和课程教学大纲，由一批长期在教学第一线从事教学并有过多年工程经验和丰富教学经验的教师担任主编，以定位“应用型人才培养”为目标而编撰，具有以下特点：(1)按照宽口径土木工程专业培养方案，注重提高学生综合素质和创新能力，注重加强学生专业基础知识和优化基本理论知识结构，不刻意追求理论研究型教材深度，内容取舍少而精，向培养土木工程师从事设计、施工与管理的应用方向拓展。(2)在理解土木工程相关学科的基础上，深入研究各课程之间的相互关系，各课程教材既要反映本学科发展水平，保证教材自身体系的完整性，又要尽量避免内容的重复。(3)培养学生，单靠专门的设计技巧训练和运用现成的方法，要取得专门实践的成功是不够的，因为这些方法随科学技术的发展经常在改变。为了了解并和这些迅速发展的方法同步，教材的编撰侧重培养学生透析理解教材中的基本理论、基本特性和性能，又同时熟悉现行设计方法的理论依据和工程背景，以不变应万变，这是本系列教材力图涵盖的两个方面。(4)我国颁发的现行有关土木工程类的规范及规程，系 19992002 年完成的修订，内容有较大的取舍和更新，反映了我国土木工程设计与施工技术的发展。作为应用型教材，为培养学生毕业后获得注册执业资格，在内容上涉及不少相关规范条文和算例。但并不是规范条文的释义。(5)当代土木工程设计，越来越多地使用计算机程序或采用通用性的商业软件，有些结构特殊要求，则由工程师自行编写程序。本系列的相关工程结构课程的教材中，在阐述真实结构、简化计算模型、数学表达式之间的关系的基础上，给出了设计方法的详细步骤，这些步骤均可容易地转换成工程结构的流程图，有助于培养学生编写计算机程序。(6)按照科学发展观，从可持续发展的观念，根据课程特点，反映学科现代新理论、新技术、新材料、新工艺，以社会发展和科技进步的新近成果充实、更新教材内容，尽最大可能在教材中增加了这方面的信息量。同时考虑开发音像、电子、网络等多媒体教学形式，以提高教学效果和效率。衷心感谢本套系列教材的各位编著者，没有他们在教学第一线的教改和工程第一线的辛勤实践，要出版如此规模的系列实用教材是不可能的。同时感谢北京大学出版社为我们广大编著者提供了广阔的平台，为我们进一步提高本专业领域的教学质量和教学水平提供了很好的条件。我们真诚希望使用本系列教材的教师和学生，不吝指正，随时给我们提出宝贵的意见，以期进一步对本系列教材进行修订、完善。本系列教材配套的 PPT 电子教案在出版社相关网站上提供下载。21 世纪全国应用型本科土木建筑系列实用规划教材 专家编审委员会 2006 年 1 月 前 言 本教材是参照教育部教学指导委员会土木专业流体力学大纲和注册结构工程师考试对流体力学知识的要求，按照多学时的授课时间编写的。本书可作为高等学校土建类本、专科的试用教材或教学参考书。流体力学是土建类专业的一门重要的专业基础课。本课程的任务是系统介绍流体的力学性质、流体力学的基本概念和观点、基础理论和常用分析方法、有关的工程应用知识等；培养学生具有对简单流体力学问题的分析和求解能力，掌握一定的实验技能，为今后学习专业课程，从事相关的工程技术和科学研究工作打下坚实基础。本书由武汉工业学院刘建军、赵万华，南昌工程学院章宝华，南华大学刘源全，长江大学马成松，河北建筑科技大学的朱长军，中南林学院的陈文共同编写。全书内容经编者共同讨论，分工执笔情况为：刘建军编写绪论、第 1 章、第 3 章，马成松编写第 2 章，刘源全编写第 4 章，赵万华编写第 5 章，章宝华编写第 6 章、第 7 章，朱长军编写第 8 章，陈文编写第 9 章。全书由刘建军、章宝华主编，刘建军统稿审定。本书由辽宁工程技术大学梁冰教授审阅，提出了许多宝贵意见。在本书的编写过程中，武汉工业学院研究生纪佑军、刘启强等同学绘制了书稿的部分插图，并参与了书稿的校对工作，在此一并致谢。限于编者水平，同时编写时间也比较仓促，不妥之处恳请读者批评指正。编 者 2005 年 9 月 目 录 绪论.1 第 1 章 流体的宏观模型和物理属性.8 1.1 流体的连续介质假设.8 1.2 流体的主要物理性质.9 1.2.1 惯性.9 1.2.2 压缩性和膨胀性.10 1.2.3 粘性.11 1.2.4 液体的表面张力 和毛细现象.15 1.3 非牛顿流体.16 1.4 习题.17 第