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實用流體力學

內容簡介

內容簡介 在流體力學在應用上，面對複雜的課題時，常採物理模型試驗觀測或數值模式模擬分析，以了解並掌握流況，再藉由物理觀念嚴謹檢視其結果之合理性與可靠性因此，如何運用物理觀念去詮釋理論推演及試驗觀測的結果至為重要。本書首先簡要敍明流體運動之基本物理觀念，並介紹流體基本物性；緊接著討論流場中壓差、重力及黏剪力等作用力如何影響流體運動行為，並闡明流場變化與作用力之間的關係；其次剖析在控制體範圍內，動量及能量通量變化與總作用力及總作功率之關係；進而利用各種基本原理探討管道流、明渠流及流力機械等相關流體運動現象，並解析應用課題；最後討論流體可壓縮性對於流場壓力變化的影響。全書之主要思維在於協助讀者建立清晰的物理觀念，以提升對流體運動現象的分析能力。讀者如有任何疑問或指正，可以電郵clyen@ntu.edu.tw聯繫，作者將樂於回應。

作者介紹

作者介紹 ■作者簡介顏清連臺大畢業、獲美國愛荷華大學水利工程博士學位，在美任教多年。回國後，任臺大土木系教授至退休，期間曾出任土木系主任、教育部科顧室主任、臺大工學院長、行政院科顧組執秘等學術與科技行政職務。在學術方面，顏教授專注於水理分析、泥砂運移、洪水預報等重點研究，發表學術論文近二百篇，多次榮獲國科會「傑出研究獎」及「傑出特約研究員獎」。顏教授長期投入防災科技研究之推動，曾擔任防災國家型科技計畫總主持人，對於防災科技水準之提升多所貢獻，獲頒「科學專業奬」；同時曾參與多項國家重大建設計畫之規劃設計相關研究與諮詢任務，備受肯定；獲數個專業學會頒授「傑出工程教授奬」、「工程奬章」及「學術貢獻奬」，並獲選為美國土木工程師學會會士。退休之後，顏教授曾出任NII協進會董事長及行政院莫拉克颱風災後重建委員會委員，現為臺大土木系名譽教授暨水工所特約研究員，持續在專業方面作貢獻。

產品目錄

產品目錄 序言目次第一章 流體運動基本觀念1.1 流速與流場1.2 連續原理1.3 流網1.4 渦度與環流量1.5 流體加速度1.6 流體之物性第二章 壓力與流體運動2.1 壓差與運動方程式2.2 恆定非旋流之壓力方程式2.3 壓力方程式之應用2.4 射流2.5 尤拉數之意義第三章 重力效應3.1 重力與流體加速度3.2 靜壓原理3.3 邊界表面總靜壓3.4 柏努利定理3.5 自由表面流3.6 福祿數之意義3.7 重力相似性第四章 黏性效應4.1 黏性之基本概念4.2 壓差驅動之黏性流4.3 黏剪力之能耗率4.4 雷諾茲數之意義4.5 黏性流之不穩定性4.6 流體紊動特性4.7 邊界表面阻力4.8 流場中之物體受力第五章 動量與能量原理5.1 線動量方程式5.2 角動量方程式5.3 動量方程式之應用5.4 能量方程式5.5 能量方程式之應用第六章 管道流6.1 正規化流速分布6.2 圓管流之阻力6.3 常用圓管之阻力係數6.4 管道斷面形狀效應6.5 管道變化段之壓力變化第七章 明渠流7.1 基本特性7.2 急變流7.3 均勻流7.4 漸變流7.5 非恆定流第八章 流力機械8.1 側向推力基本原理8.2 翼剖面之升力與拖曳力8.3 螺旋槳8.4 螺旋槳式流力機械之一維分析8.5 抽水機與水輪機8.6 比速之意義第九章 可壓縮性效應9.1 彈性波之傳播9.2 水錘現象9.3 震波現象9.4 氣體壓縮引致之誤差附錄一 參考文獻附錄二 中英名詞對照表附錄三 索引

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試閱文字

內文 : 1.1 流速與流場
在日常生活中，人們可以在許多地方很容易觀察到流體運動的現象，諸如從水龍頭流出來的水、河川裡流動的河水、下雨時路面及邊溝流動的雨水，或者天空中移動的白雲、吸菸者吐出來的煙。水或空氣的流動之所以能被人們察覺到，是因為水體或氣體中摻入了雜質或水面的波動。對這些現象的觀察，觀察者可選擇在固定區域觀看流體運動的趨勢，或跟著特定的少部份雜質沿途觀察其運動情況。
對於想要對流體運動作較深入探討者而言，嚴謹而且有系統的觀察與紀錄就必須事先安排。例如實驗室中常用的方式是在流體中加入一些發亮的細微鋁粉顆粒，以便用肉眼觀察或拍照，再據以描繪在某一區域內流動方向的一系列線條；這或許會讓人覺得有某種程度的隨意或不確定性。不過，這些代表流動方向的線條必須完全符合力學原理，也就是本章的主要課題。
1. 流速
雖然流體運動的定量描述可以如同固體運動一樣來表達，但是固體運動一般只須觀察整體的速度就足夠，而流體運動卻會因觀測地點不同而截然不同。不過，在任何一點的流體速度（以下簡稱流速）可以完全定義該點的瞬間運動情況，包含速率及方向，例如每秒3公尺、向東。這也就是說流速是具有大小及方向的向量。由於向量的特性，流速可以分解成多個方向的分量，稱為分流速。相反地，在一特定點的多個分流速可以用向量合成為合流速；這樣的合成步驟對於相對運動的問題至關重要。例如對行進中汽車內的觀察者而言，車外相對於移動車身上一個定點的空氣就有一定的速率與方向；而該點的空氣實際速度則為其相對於車身的速度與車身實際速度（相對於地面）的向量和，如圖1.1所示。多個向量相加的最方便方式是將個別向量分解成沿直角座標軸的分量，分別相加後，再合成為合速度。
2. 流線
在試驗水槽中流動的水加入少許會發亮的鋁粉顆粒後連續拍攝一系列的照片，在這些照片中大致可粗略地描繪出一些定點的流速向量。如果對這樣的流速圖像要求很完整，則必須在許許多多的定點都有流速向量的描繪，但是這麼一來圖面上就會變成非常複雜零亂。一個可以克服這種困難的作法就是有秩序地繪製一組曲線，使得任何一瞬間在每一條線上各個點的流速向量與該線相切，如圖1.2所示。每一條符合這種要求的曲線就是流線。
換言之，流線可以定義為：流體流經區域中的一條曲線，其上各點的切線方向可以展現各該點的流體瞬間流速向量。由此定義可以延伸出一個結論：流體不會跨越流線，也就是說在流線上任何一點法線方向的分流速為0。一般而言，由於空間上各點流速並不相同，任一瞬間的一組流線大都是以輻合狀或輻散狀呈現；在特定條件下，例如平直的水管中，流線之間可以是互相平行的直線。不論如何，只要一個區域的流線形態能夠充分展現，則任何位置的流向就可以一目瞭然，而不必在流場上描繪流速方向。至於流速的大小，亦可以由流線的相對間隔疏密來決定。

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