粘性流体力学

　　内容提要本书系统地讲述以水为代表的不可压缩粘性流体力学的基本理论。全书共分十二章。前五章为粘性流体力学的基本理论与方程。第六至第八章为紊流的基本理论与方程。第九至第十二章分别讲述各种典型的紊流流动：射流、尾流、圆管紊流、紊流平板边界层及明槽紊流。在附录中给出“场论与张量基本运算知识”。本书可作为水利、水电、土木、环境、海洋、港口、海岸、船舶、机械及其他以流体特别是液体为对象的工程专业研究生粘性流体力学课程教材或教学参考书。本书有助于广大水力学教师提高理论修养，深入理解现代流体力学的基本内容。也可作为有关专业从事科研、教学及工程工作的科技人员的参考用书。片断：理论流体力学进一步的发展是自1821年开始，纳维（Claude－Louis－Marie－HenriNavier，1785年—1836年）等人开始考虑将分子间的作用力加入到欧拉方程中去。1845年斯托克斯（GeorgeGabrielSt0kes，1819年－1903年）将这个分子间的作用力用粘性系数μ表示，并正式完成了纳维－斯托克斯方程，最终建立了粘性流体力学的基本方程，奠定了近代粘性流体力学的基础。但是，由于方程式的非线性，解此方程，在数学上碰到了很大的困难。因此，一直到19世纪末，理论的和实验的流体力学仍然各自独立地发展。20世纪初，德国工程师普朗特（LudwigPrandtl，1875年—1953年）由于提出边界层理论（B0undaryLayerTheory）而对流体力学，特别是粘性流体力学的发展做出了卓越的贡献。普朗特提出在雷诺数很大的情况下，粘性的作用主要局限在绕流物体或其他流动边界的固体壁面附近很薄的一层流动中，这个薄层称为边界层。边界层外部流动则可按理想流动处理。这一设想克服了粘性流动求解中数学上的巨大困难。根本上解决了流动阻力和能量损失这样重大的粘性流动问题。边界层理论的提出使理论和实验完美地统一起来，从而使流体力学的两个分支——理想流体力学和水力学逐渐结合和统一，使流体力学得到划时代的发展。在诸多工程领域中，航空工程是首先应用边界层理论并在技术上取得重大突破的领域。随后造船、化工、机械等工程领域也都得益于边界层理论。近年来边界层理论也开始应用于解决水利、水电、环境及土木工程中的流动问题。现代大型电子计算机的飞速发展，使计算流体力学得到很快的发展，已经成为解决粘性流动问题的重要手段。高新技术的发展也使得在流体力学研究中的实验技术和量测仪器日新月异。激光、超声、电子技术、图像采集与处理技术均已逐渐得到广泛应用。这些都为人类进一步深入观测和探索流动现象，特别是精细的、机理性的研究提供了强有力的手段。理论、计算和实验方法的结合正在孕育着流体力学新的突破。当今世界面临的重大全球性问题中，水资源短缺、环境保护、防灾减灾、海洋开发等无不与流体力学有着密切的关系。相信在解决这些重大问题的过程中，粘性流体力学也会得到迅速的新发展。1－1－2粘性流动举例为了说明粘性流动与理想流动的不同，并充分认识粘性流动的复杂性，首先研究二维圆柱体的绕流。均匀流动流过半径为r0的二维圆柱是一个经典流体力学问题。对于不可压缩理想流体，圆柱绕流的精确解是均匀流与偶极子的叠加，流速分布用右手柱坐标（r，θ，z）U∞为无穷远处未受扰动的来流流速，ur为径向流速，uθ为圆周向流速，以逆时针方向为正。这种流动的流线可见图1－1。本书前言前言流体之有粘性乃不争之事实。但是，在流体力学的发展历史上，由于考虑流体运动中的粘性作用而使流动问题的解决变得十分复杂与困难，因而曾经把流体作为无粘性，即理想流体来处理。对于工程中的某些问题，特别是当处理某些粘性影响并不显著的流动问题，例如波浪运动、远离固体壁面的流动等，这样的处理可以得到相当满意的解答。但是对于更多的与流体有关的工程问题，忽略粘性则会导致与真实流动完全不同的结果，如历史上著名的达朗贝尔佯谬（d’Alembertparadox）。在水利、水电、土木、环境工程中的流体流动问题，多需考虑流体的粘性，从而粘性流体力学是这些领域的科技人员必须具备的基础理论知识。粘性流体力学的有关教科书或专著众多，而且其中不乏优秀的作品。但专门为水利、水电、土木、环境或其它以水为对象的工程专业研究生作为学习流体力学的教科书或教学参考书而编写者则尚付阙如，这本书就是为此目的而编著。同时本书也可供有关学科高等学校教师及相关专业科技人员作为奠定粘性流体力学基础，提高理论修养的一本参考书。本书的特点在于密切结合相关专业要求，研究以水为代表的不可压缩流体的粘性流动为主。对于专业中常常遇到的具有自由水面的明槽流动给予了特别的注意。作者们根据多年科学研究和教学工作经验，使本书形成了一个严密完整的理论体系，思路清晰，并着重于物理概念的深入阐述，易于为读者所接受。本书并对粘性流动中最为重要的紊流流动给予了特别的重视。作者希望这本书能为读者在工程技术中应用现代粘性流体力学的成果打下牢固的基础。流体力学是一门古老的科学。但在近二百多年的时间里，随着人类社会和生产的进步，很多著名流体力学家的不懈努力，使流体力学得到了巨大的发展。人们在学习粘性流体力学的过程中往往会被人类智慧放射的光芒所激动。希望这本书能展现其中的一部分。使读者不仅能学习到工程实践中极为有用的一些粘性流体力学的知识，而且能使读者感受到严谨治学的乐趣。本书共分十二章。第一章与第二章介绍粘性流动的基本概念与基本方程。第三至第五章介绍边界层理论。第六至第八章阐述紊流的基本理论与方程。第九至第十二章则分别讨论工程中最常见的一些紊流流动。本书是在章梓雄（AllenT.Chwang）、董曾南分别在美国衣阿华大学（UniversityofIowa）和中国清华大学多年讲授有关课程的讲稿、讲义和研究成果的基础上编著的。作者有志于把流体力学的近代发展和工程实践中普遍应用的水力学密切结合起来，以期提高水力学研究的理论水平，并有利于解决众多的现代工程技术中的流体流动问题。这也是近代流体力学和水力学发展中一个重要的趋势。清末民初的著名国学家王国维先生（1877年—1927年）曾留有名句，谓“古今之成大事业、大学问者，必须经过三种之境界：昨夜西风凋碧树，独上高楼，望尽天涯路。衣带渐宽终不悔，为伊消得人储悴。众里寻他千百度，蓦然回首，那人却在，灯火阑珊处。”望有志于作学问者能从中得到重大的启迪。美国科学院院士、加州理工学院教授吴耀祖（T.YaotsuWu）先生对本书的写作给予了热情的鼓励和帮助。吴先生并亲为作序，使本书蓬荜增辉。清华大学贺五洲副教授通读了全部书稿，并提出不少有益的建议。作者在这里向他们表示衷心的感谢。本书成书过程中虽数易其稿，但因粘性流体力学内容博大精深，而作者才疏学浅，难免有错误和不足之处，还望广大读者给以批评指正。章梓雄共识董曾南1996年12月

　　董曾南，原籍天津，、932年11月生。1955年毕业于清华大学水利工程系。现为清华大学水利水电工程系教授，系学术委员会主任，水力学河流动力学专业博士生导师，清华大学学术委员会委员。并担任中国水利学会理事，水力学专业委员会副主任，国际水力学研究协会（InternationalAssociationforHydraulicResearch）副主席，国家高速水力学重点实验室学术委员会副主任，《中国科学》、《科学通报》等期刊编委。多年来从事水力学方面的研究工作，参加和主持的水工模型试验10余项，在水工建筑物明流边界层，明槽紊流等方面发表论文35篇。获国家教委科技进步二等奖3项。章梓雄：雄原籍浙江。1944年11月生于上海市。1965年毕业于香港珠海学院。1967年于加拿大Saskatchewan大学获硕士学位。1971年于美国加州理工学院（Caltech）获博士学位。现任：香港大学机械工程系系主任及何东机械工程讲座教授；清华大学、西安交通大学、天津大学、中山大学及大连理工大学客座教授；上海交通大学及河海大学顾问教授；中国科学院力学研究所名誉教授；美国土木工程师学会；美国机械工程师学会及香港工程师学会资深会员；美国力学院及纽约科学院院士。多年来从事粘性流动，波浪理论，非线性水波，两物体相互作用下的水动力学问题，通过多孔介质的流动，水下声学.海港设计与研究等方面的研究工作。发表论文160篇。