Sách Introduction to Fluid Mechanics của Edward J. Shaughnessy Jr.

Giáo trình Nhập môn cơ học chất lỏng [download pdf] biên soạn theo chương trình đào tạo chuẩn, phù hợp sinh viên ngành tại Việt Nam

Trường đại học

Duke University, Lafayette College

Chuyên ngành

Fluid Mechanics

Tác giả

Edward J Schaffer

Người đăng

Ẩn danh

Thể loại

Textbook

2005

1.1K
0
0

Phí lưu trữ

30 Point

Mục lục chi tiết

LỜI NÓI ĐẦU

1. CHƯƠNG 1: CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN

1.1. Khí, chất lỏng và chất rắn

1.2. Các phương pháp mô tả

1.2.1. Mô tả môi trường liên tục và không liên tục

1.2.2. Lựa chọn phương pháp mô tả

1.3. Thứ nguyên và hệ đơn vị

1.3.1. Các hệ đơn vị ưu tiên

1.4. Tóm tắt

1.5. Bài tập

2. CHƯƠNG 2: CÁC TÍNH CHẤT CỦA CHẤT LƯU

2.1. Giới thiệu

2.2. Khối lượng, trọng lượng và khối lượng riêng

2.3. Sự thay đổi áp suất trong chất lưu tĩnh

2.4. Lực nổi và nguyên lý Archimedes

2.5. Sự thay đổi áp suất trong chất lưu chuyển động

2.6. Nhiệt độ và các tính chất nhiệt khác

2.6.1. Hệ số giãn nở nhiệt

2.7. Định luật khí lý tưởng

2.7.1. Nội năng, enthalpy và nhiệt dung riêng của khí lý tưởng

2.7.2. Giới hạn áp dụng

2.8. Modun nén thể tích

2.8.1. Vận tốc âm thanh

2.9. Độ chênh áp suất qua bề mặt cong

2.10. Góc tiếp xúc và hiện tượng thấm ướt

2.11. Tóm tắt

2.12. Bài tập

3. CHƯƠNG 3: CÁC NGHIÊN CỨU TÌNH HUỐNG TRONG CƠ HỌC CHẤT LƯU

3.1. Các nhóm không thứ nguyên phổ biến trong cơ học chất lưu

3.2. Dòng chảy trong ống tròn

3.3. Dòng chảy qua tiết diện thay đổi

3.4. Các định luật về bơm và quạt

3.5. Lớp biên trên tấm phẳng

3.6. Lực cản trên hình trụ và hình cầu

3.7. Lực nâng và lực cản trên cánh máy bay

3.8. Tóm tắt

3.9. Bài tập

4. CHƯƠNG 4: CÁC LỰC TRONG CHẤT LƯU

4.1. Phân loại các lực trong chất lưu

4.2. Nguồn gốc của lực khối và lực mặt

4.2.1. Dòng chảy trên tấm phẳng

4.2.2. Dòng chảy qua ống tròn

4.2.3. Lực nâng và lực cản

4.3. Ứng suất trong chất lưu

4.4. Cân bằng lực trong chất lưu

4.5. Tóm tắt

4.6. Bài tập

5. CHƯƠNG 5: TĨNH HỌC CHẤT LƯU

5.1. Phương trình thủy tĩnh tích phân

5.2. Phương trình thủy tĩnh vi phân

5.3. Phân bố áp suất thủy tĩnh

5.3.1. Chất lưu có mật độ không đổi trong trường trọng lực

5.3.2. Chất lưu có mật độ thay đổi trong trường trọng lực

5.3.3. Chất lưu có mật độ không đổi khi quay rắn

5.3.4. Chất lưu có mật độ không đổi trong gia tốc thẳng

5.4. Bề mặt phẳng thẳng hàng

5.5. Bề mặt phẳng không thẳng hàng

5.6. Bề mặt cong thẳng hàng

5.7. Bề mặt cong không thẳng hàng

5.8. Hợp lực và điểm đặt lực

5.9. Lực nổi và nguyên lý Archimedes

5.10. Trạng thái cân bằng và độ ổn định của vật thể ngập

5.11. Tóm tắt

5.12. Bài tập

6. CHƯƠNG 6: TRƯỜNG VẬN TỐC VÀ SỰ VẬN CHUYỂN CHẤT LƯU

6.1. Trường vận tốc chất lưu

6.2. Đạo hàm toàn phần

6.3. Phân loại các dòng chảy

6.3.1. Dòng chảy một, hai và ba chiều

6.3.2. Dòng chảy đồng đều, đối xứng trục và tuần hoàn không gian

6.3.3. Dòng chảy phát triển đầy đủ

6.3.4. Dòng chảy dừng, quá trình dừng và dòng chảy tuần hoàn theo thời gian

6.4. Điều kiện biên không trượt, không xuyên thấu

6.5. Vận tốc trung bình và lưu lượng

6.6. Tóm tắt

6.7. Bài tập

7. CHƯƠNG 7: PHÂN TÍCH THỂ TÍCH KIỂM SOÁT

7.1. Các khái niệm cơ bản: Hệ thống và thể tích kiểm soát

7.2. Phân tích hệ thống và thể tích kiểm soát

7.3. Định lý vận chuyển Reynolds cho hệ thống

7.4. Định lý vận chuyển Reynolds cho thể tích kiểm soát

7.5. Phân tích thể tích kiểm soát

7.6. Cân bằng mô men động lượng

7.7. Tóm tắt

7.8. Bài tập

8. CHƯƠNG 8: DÒNG CHẢY CỦA CHẤT LƯU KHÔNG NHỚT: PHƯƠNG TRÌNH BERNOULLI

8.1. Dòng chảy không ma sát dọc theo đường dòng

8.2. Phương trình Bernoulli cho chất lưu không nén được

8.3. Phương trình Bernoulli cho chất lưu nén được

8.4. Áp suất tĩnh, áp suất động, áp suất trệ và áp suất toàn phần

8.5. Các ứng dụng của phương trình Bernoulli

8.5.1. Dòng chảy qua tiết diện thay đổi

8.5.2. Sự tháo cạn của bình chứa

8.6. Mối quan hệ với phương trình năng lượng

8.7. Tóm tắt

8.8. Bài tập

9. CHƯƠNG 9: PHÂN TÍCH THỨ NGUYÊN VÀ SỰ ĐỒNG DẠNG

9.1. Định lý Pi Buckingham

9.2. Phương pháp biến lặp

9.3. Sự đồng dạng và phát triển mô hình

9.4. Tương quan dữ liệu thực nghiệm

9.5. Ứng dụng vào các nghiên cứu tình huống

9.5.1. Phân tích thứ nguyên dòng chảy trong ống tròn

9.5.2. Phân tích thứ nguyên dòng chảy qua tiết diện thay đổi

9.5.3. Phân tích thứ nguyên các định luật bơm và quạt

9.5.4. Phân tích thứ nguyên lớp biên trên tấm phẳng

9.5.5. Phân tích thứ nguyên lực cản trên hình trụ và hình cầu

9.5.6. Phân tích thứ nguyên lực nâng và lực cản trên cánh máy bay

9.6. Tóm tắt

9.7. Bài tập

10. CHƯƠNG 10: CÁC YẾU TỐ TRỰC QUAN HÓA DÒNG CHẢY VÀ CẤU TRÚC DÒNG CHẢY

10.1. Quỹ đạo hạt, vận tốc và gia tốc

10.2. Các tính chất chất lưu Lagrange

10.3. Mối liên hệ Euler–Lagrange

10.4. Đường vật chất, mặt vật chất và thể tích vật chất

10.5. Đường dẫn hạt và đường vệt

10.6. Đường dòng và ống dòng

10.7. Chuyển động và biến dạng

10.8. Tốc độ quay

10.8.1. Dòng chảy không xoáy và thế vận tốc

10.9. Tốc độ giãn nở

10.9.1. Chất lưu không nén được và dòng chảy không nén được

10.10. Tốc độ biến dạng trượt

10.11. Tóm tắt

10.12. Bài tập

11. CHƯƠNG 11: CÁC PHƯƠNG TRÌNH CHI PHỐI ĐỘNG LỰC HỌC CHẤT LƯU

11.1. Mô hình cấu quan cho chất lưu Newton

11.2. Các phương trình Navier–Stokes

11.2.1. Thiết lập phương trình Bernoulli

11.3. Phương trình năng lượng

11.4. Các điều kiện đầu và điều kiện biên

11.5. Động lực học chất lưu tính toán (CFD)

11.6. Tóm tắt

11.7. Bài tập

12. CHƯƠNG 12: PHÂN TÍCH DÒNG CHẢY KHÔNG NÉN ĐƯỢC

12.1. Dòng chảy nhớt dừng

12.1.1. Dòng chảy Couette phẳng

12.1.2. Dòng chảy Couette tròn

12.1.3. Dòng chảy Poiseuille giữa các tấm phẳng song song

12.1.4. Dòng chảy Poiseuille trong ống

12.1.5. Dòng chảy qua hình trụ (CFD)

12.2. Dòng chảy nhớt không dừng

12.2.1. Sự khởi động của dòng Couette phẳng

12.2.2. Dòng chảy không dừng qua hình trụ (CFD)

12.2.3. Dòng chảy rối dừng giữa các tấm phẳng song song (CFD)

12.3. Dòng chảy không nhớt không xoáy

12.3.1. Dòng thế phẳng

12.3.2. Các dòng thế phẳng cơ bản

12.3.3. Sự chồng chập các dòng thế phẳng cơ bản

12.3.4. Dòng chảy qua hình trụ có lưu số

12.4. Tóm tắt

12.5. Bài tập

13. CHƯƠNG 13: DÒNG CHẢY TRONG ỐNG VÀ KÊNH DẪN

13.1. Dòng chảy dừng, phát triển đầy đủ trong ống hoặc kênh dẫn

13.1.1. Tổn thất cột áp chính

13.1.2. Hệ số ma sát trong dòng chảy tầng

13.1.3. Hệ số ma sát trong dòng chảy rối

13.2. Phân tích dòng chảy trong hệ thống ống và kênh dẫn đơn nhánh

13.2.1. Tổn thất cột áp cục bộ

13.2.2. Cột áp của bơm và tuabin

13.3. Phân tích dòng chảy trong hệ thống ống và kênh dẫn đa nhánh

13.4. Các yếu tố thiết kế hệ thống ống và kênh dẫn

13.4.1. Lựa chọn bơm và quạt

13.5. Tóm tắt

13.6. Bài tập

14. CHƯƠNG 14: DÒNG CHẢY NGOÀI

14.1. Giới thiệu

14.2. Lớp biên: Các khái niệm cơ bản

14.2.1. Lớp biên tầng trên tấm phẳng

14.2.2. Lớp biên rối trên tấm phẳng

14.2.3. Lớp biên trên cánh máy bay hoặc vật thể khác

14.3. Lực cản: Các khái niệm cơ bản

14.3.1. Dòng chảy với số Reynolds nhỏ

14.4. Lực nâng và lực cản của cánh máy bay

14.5. Tóm tắt

14.6. Bài tập

15. CHƯƠNG 15: DÒNG CHẢY KÊNH HỞ

15.1. Các khái niệm cơ bản trong dòng chảy kênh hở

15.2. Tầm quan trọng của số Froude

15.2.1. Dòng chảy qua chỗ gồ lên hoặc chỗ lõm

15.2.2. Dòng chảy trong kênh nằm ngang có chiều rộng thay đổi

15.2.3. Sự truyền sóng bề mặt

15.3. Bảo toàn năng lượng trong dòng chảy kênh hở

15.3.1. Biểu đồ năng lượng đặc trưng

15.4. Dòng chảy trong kênh có độ sâu không đổi

15.4.1. Các ví dụ về dòng chảy đều

15.4.2. Mặt cắt ngang kênh tối ưu

15.5. Dòng chảy trong kênh có độ sâu biến đổi dần

15.6. Dòng chảy dưới cửa cống

15.7. Dòng chảy qua đập tràn

15.8. Tóm tắt

15.9. Bài tập

Phụ lục A: Dữ liệu tính chất chất lưu cho các chất lưu khác nhau

Phụ lục B: Tính chất của khí quyển tiêu chuẩn Hoa Kỳ

Phụ lục C: Hệ số chuyển đổi đơn vị

Nguồn trích dẫn

Chỉ mục

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Giáo Trình Nhập Môn Cơ Học Chất Lỏng

Giáo trình nhập môn cơ học chất lỏng là tài liệu học tập quan trọng dành cho sinh viên ngành kỹ thuật, vật lý và các lĩnh vực liên quan. Cuốn sách được biên soạn bởi Edward J. Schaffer và các tác giả hàng đầu từ các trường đại học uy tín, cung cấp kiến thức toàn diện về các nguyên lý cơ bản của cơ học chất lỏng. Tài liệu này kết hợp lý thuyết chặt chẽ với các ứng dụng thực tiễn, giúp sinh viên nắm vững các khái niệm từ cơ bản đến nâng cao. Với cấu trúc logic và rõ ràng, giáo trình trở thành nguồn tài liệu không thể thiếu trong quá trình học tập và nghiên cứu về động lực chất lỏng, tĩnh chất lỏng, và các ứng dụng thực tế trong kỹ thuật.

1.1. Đối Tượng Học Tập Và Mục Đích Sử Dụng

Giáo trình được thiết kế cho sinh viên năm thứ hai hoặc thứ ba các ngành kỹ thuật cơ khí, xây dựng, và hàng không. Mục đích chính là giúp học viên hiểu sâu về các khái niệm cơ bản của cơ học chất lỏng và ứng dụng chúng vào giải quyết các bài toán thực tế. Tài liệu cung cấp nền tảng vững chắc cho các khóa học nâng cao sau này.

1.2. Những Lợi Ích Khi Sử Dụng Tài Liệu Này

Sinh viên sẽ tiếp cận được phương pháp tiếp cận khoa học, các bài toán ứng dụng thực tế, và lời giải chi tiết. Giáo trình giúp phát triển kỹ năng phân tích, tư duy logic và khả năng ứng dụng lý thuyết vào thực hành. Đây là tài liệu tham khảo quý giá cho các kỹ sư và nhà khoa học.

II. Nội Dung Chính Của Giáo Trình Cơ Học Chất Lỏng

Giáo trình bao gồm chín chương chính với nội dung đa dạng và toàn diện. Phần đầu tập trung vào các khái niệm cơ bản như phân loại chất lỏng, tính chất vật lý của chất lỏng và khí. Tiếp theo là các chương về tĩnh học chất lỏng, bao gồm phân tích áp lực, lực nổi, và cân bằng vật thể. Phần động lực chất lỏng bao gồm phương trình Bernoulli, phân tích lưu lượng, và các ứng dụng thực tiễn. Cuối cùng là phân tích thứ nguyên và tương tự hóa, công cụ quan trọng trong thiết kế và mô hình hoá. Mỗi chương đều có bài tập thực hành giúp consolidate kiến thức.

2.1. Các Khái Niệm Cơ Bản Và Tính Chất Chất Lỏng

Các chương đầu tiên giới thiệu khái niệm về chất lỏng, sự khác biệt giữa khí, chất lỏng và rắn. Tiếp theo là tính chất vật lý như mật độ, áp lực, tính nén được, độ nhớt, và căng bề mặt. Sinh viên sẽ học cách tính toán biến thiên áp lực trong chất lỏng tĩnh và động.

2.2. Phương Trình Bernoulli Và Ứng Dụng Thực Tiễn

Phương trình Bernoulli là nền tảng của động lực chất lỏng. Giáo trình trình bày đạo hàm, các dạng khác nhau của phương trình, và ứng dụng vào dòng chảy qua ống, xả bồn chứa, và thiết kế hệ thống máy bơm. Các ví dụ thực tế giúp sinh viên hiểu rõ tầm quan trọng.

III. Phương Pháp Học Tập Và Cách Sử Dụng Hiệu Quả

Để tận dụng tối đa giáo trình nhập môn cơ học chất lỏng, sinh viên nên theo một quy trình học tập có hệ thống. Bắt đầu bằng việc đọc kỹ lý thuyết, chú ý đến các định luật cơ bản và công thức. Sau đó, giải các bài tập tại cuối mỗi chương để kiểm tra hiểu biết. Sử dụng sơ đồ tư duy để tóm tắt khái niệm chính. Kết hợp học lý thuyết với thí nghiệm thực hành hoặc mô phỏng máy tính. Tham khảo các tài liệu bổ sung như bài giảng, video giáo dục, và các bài báo khoa học. Đặc biệt, hãy giải quyết các bài toán ứng dụng thực tế để phát triển kỹ năng tư duy kỹ sư.

3.1. Kế Hoạch Học Tập Khuyến Nghị

Dành khoảng 2-3 giờ mỗi tuần để học từng chương. Đọc lý thuyết, ghi chú từ khóa, giải bài tập cơ bản, sau đó nâng cao độ khó. Ôn tập định kỳ các khái niệm cơ bản. Tham gia các nhóm học tập để thảo luận và giải quyết bài toán phức tạp.

3.2. Các Bài Tập Và Ví Dụ Minh Họa

Giáo trình cung cấp hàng trăm bài tập từ cơ bản đến nâng cao. Mỗi bài tập đều có lời giải chi tiết giúp sinh viên hiểu phương pháp. Các ví dụ minh họa thực tế liên quan đến công nghiệp, dân dụng, và môi trường giúp xây dựng kỹ năng ứng dụng.

IV. Download PDF Giáo Trình Và Tài Liệu Tham Khảo Thêm

Giáo trình nhập môn cơ học chất lỏng của Edward J. Schaffer hiện có sẵn dưới dạng PDF trên nhiều nền tảng giáo dục trực tuyến và thư viện số. Sinh viên có thể tải xuống tài liệu từ các trang web đại học, cơ sở dữ liệu học tập, hoặc mua sách in từ các nhà xuất bản uy tín như Oxford University Press. Ngoài giáo trình chính, có nhiều tài liệu tham khảo bổ sung bao gồm sách khác về cơ học chất lỏng, tài liệu online, webinar, và các khóa học trực tuyến từ các trường đại học hàng đầu. Sử dụng kết hợp các nguồn tài liệu đa dạng sẽ giúp học viên có cái nhìn toàn diện về cơ học chất lỏng và phát triển kỹ năng giải quyết vấn đề hiệu quả.

4.1. Hướng Dẫn Tải PDF Và Sử Dụng Tài Liệu Điện Tử

Truy cập các nền tảng giáo dục như Google Scholar, ResearchGate, hoặc thư viện trường. Sử dụng từ khóa "Introduction to Fluid Mechanics Schaffer PDF" để tìm tài liệu. Kiểm tra bản quyền và điều khoản sử dụng trước khi tải. Sử dụng công cụ chú thích PDF để ghi chú và đánh dấu nội dung quan trọng.

4.2. Tài Liệu Tham Khảo Và Nguồn Học Tập Bổ Sung

Kết hợp học với sách khác về cơ học chất lỏng từ các tác giả nổi tiếng. Tham khảo video bài giảng trên YouTube từ các giáo sư đại học. Sử dụng phần mềm mô phỏng như ANSYS Fluent hoặc OpenFOAM. Tham gia các diễn đàn học tập để trao đổi kiến thức với bạn học.

Tóm tắt và mô tả trên trang này được tạo với sự hỗ trợ của AI. Nếu bạn thấy nội dung không chính xác hoặc có vấn đề, vui lòng Báo lỗi nội dung.

22/12/2025

Trích đoạn nội dung tài liệu

Introduction to Fluid Mechanics Edward J. Schaffer OXFORD UNIVERSITY PRESS INTRODUCTION TO FLUID MECHANICS INTRODUCTION TO FLUID MECHANICS Edward J. Duke University Ira M. Katz Lafayette College James P.

Schaffer Lafayette College New York Oxford OXFOR D U N IVE RSITY PR ESS 2005 This book is dedicated to Nana and Pops, who inspired me, Meg, who loved me, and Mike, Erin, and Kerry, who cheered me on. —EJS Oxford University Press Oxford New York Auckland Bangkok Buenos Aires Cape Town Chennai Dar es Salaam Delhi Hong Kong Istanbul Karachi Kolkata Kuala Lumpur Madrid Melbourne Mexico City Mumbai Nairobi São Paulo Shanghai Taipei Tokyo Toronto Copyright © 2005 by Oxford University Press, Inc. Published by Oxford University Press, Inc. 198 Madison Avenue, New York, New York 10016 www.com Oxford is a registered trademark of Oxford University Press All rights reserved.

No part of this publication may be reproduced, stored in a retrieval system, or transmitted, in any form or by any means, electronic, mechanical, photocopying, recording, or otherwise, without the prior permission of Oxford University Press. Library of Congress Cataloging-in-Publication Data Shaughnessy, Edward J. Introduction to fluid mechanics/Edward J.1'06—dc22 2004044802 Printing number: 9 8 7 6 5 4 3 2 1 Printed in the United States of America on acid-free paper CONTENTS PREFACE xiii 1 F U N D A M E N TA L S CHAPTER 1 Fundamental Concepts 1.2 Gases, Liquids, and Solids 14 1.3 Methods of Description 22 1.2 Continuum and Noncontinuum Descriptions 24 1.6 Choice of Description 28 1.4 Dimensions and Unit Systems 29 1.4 Preferred Unit Systems 32 1.6 Summary 35 Problems 36 CHAPTER 2 Fluid Properties 2.1 Introduction 43 v vi CONTENTS 2.2 Mass, Weight, and Density 43 2.1 Pressure Variation in a Stationary Fluid 54 2.3 Buoyancy and Archimedes’ Principle 58 2.4 Pressure Variation in a Moving Fluid 60 2.4 Temperature and Other Thermal Properties 64 2.2 Coefficient of Thermal Expansion 67 2.5 The Perfect Gas Law 70 2.1 Internal Energy, Enthalpy, and Specific Heats of a Perfect Gas 70 2.2 Limits of Applicability 71 2.6 Bulk Compressibility Modulus 73 2.1 Speed of Sound 76 2.1 Pressure Jump Across a Curved Interface 87 2.2 Contact Angle and Wetting 90 2.10 Summary 97 Problems 99 CHAPTER 3 Case Studies in Fluid Mechanics 3.2 Common Dimensionless Groups in Fluid Mechanics 105 3.1 Flow in a Round Pipe 115 3.2 Flow Through Area Change 120 3.3 Pump and Fan Laws 124 3.4 Flat Plate Boundary Layer 128 3.5 Drag on Cylinders and Spheres 132 3.6 Lift and Drag on Airfoils 137 CONTENTS vii 3.4 Summary 140 Problems 141 CHAPTER 4 Fluid Forces 4.2 Classification of Fluid Forces 148 4.3 The Origins of Body and Surface Forces 149 4.1 Flow Over a Flat Plate 171 4.2 Flow Through a Round Pipe 173 4.3 Lift and Drag 175 4.6 Stress in a Fluid 178 4.7 Force Balance in a Fluid 187 4.8 Summary 190 Problems 191 CHAPTER 5 Fluid Statics 5.1 Integral Hydrostatic Equation 202 5.2 Differential Hydrostatic Equation 205 5.4 Hydrostatic Pressure Distribution 210 5.1 Constant Density Fluid in a Gravity Field 211 5.2 Variable Density Fluid in a Gravity Field 218 5.3 Constant Density Fluid in Rigid Rotation 222 5.4 Constant Density Fluid in Rectilinear Acceleration 229 5.1 Planar Aligned Surface 234 5.2 Planar Nonaligned Surface 238 5.1 Planar Aligned Surface 256 5.2 Planar Nonaligned Surface 260 5.7 Resultant Force and Point of Application 267 5.8 Buoyancy and Archimedes’ Principle 269 5.9 Equilibrium and Stability of Immersed Bodies 275 5.10 Summary 278 Problems 280 viii CONTENTS CHAPTER 6 The Velocity Field and Fluid Transport 6.2 The Fluid Velocity Field 300 6.4 The Substantial Derivative 319 6.5 Classification of Flows 320 6.1 One-, Two-, and Three-Dimensional Flow 321 6.2 Uniform, Axisymmetric, and Spatially Periodic Flow 327 6.3 Fully Developed Flow 331 6.4 Steady Flow, Steady Process, and Temporally Periodic Flow 332 6.6 No-Slip, No-Penetration Boundary Conditions 336 6.8 Average Velocity and Flowrate 358 6.9 Summary 363 Problems 365 CHAPTER 7 Control Volume Analysis 7.2 Basic Concepts: System and Control Volume 376 7.3 System and Control Volume Analysis 377 7.4 Reynolds Transport Theorem for a System 381 7.5 Reynolds Transport Theorem for a Control Volume 382 7.6 Control Volume Analysis 385 7.4 Angular Momentum Balance 439 7.7 Summary 450 Problems 452 CHAPTER 8 Flow of an Inviscid Fluid: the Bernoulli Equation 8.2 Frictionless Flow Along a Streamline 475 CONTENTS ix 8.1 Bernoulli Equation for an Incompressible Fluid 479 8.3 Bernoulli Equation for a Compressible Fluid 487 8.4 Static, Dynamic, Stagnation, and Total Pressure 490 8.5 Applications of the Bernoulli Equation 496 8.4 Flow through Area Change 511 8.5 Draining of a Tank 518 8.6 Relationship to the Energy Equation 521 8.7 Summary 524 Problems 526 CHAPTER 9 Dimensional Analysis and Similitude 9.2 Buckingham Pi Theorem 536 9.3 Repeating Variable Method 540 9.4 Similitude and Model Development 549 9.5 Correlation of Experimental Data 554 9.6 Application to Case Studies 557 9.1 DA of Flow in a Round Pipe 557 9.2 DA of Flow through Area Change 558 9.3 DA of Pump and Fan Laws 559 9.4 DA of Flat Plate Boundary Layer 561 9.5 DA of Drag on Cylinders and Spheres 562 9.6 DA of Lift and Drag on Airfoils 562 9.7 Summary 563 Problems 564 2 D I F F E R E NTI A L A N A LYS I S O F F L O W CHAPTER 10 Elements of Flow Visualization and Flow Structure 10.1 Particle Path, Velocity, Acceleration 578 10.2 Lagrangian Fluid Properties 589 x CONTENTS 10.3 The Eulerian–Lagrangian Connection 590 10.4 Material Lines, Surfaces, and Volumes 592 10.5 Pathlines and Streaklines 597 10.6 Streamlines and Streamtubes 603 10.7 Motion and Deformation 607 10.9 Rate of Rotation 619 10.3 Irrotational Flow and Velocity Potential 632 10.10 Rate of Expansion 635 10.2 Incompressible Fluid and Incompressible Flow 638 10.11 Rate of Shear Deformation 650 10.12 Summary 653 Problems 654 CHAPTER 11 Governing Equations of Fluid Dynamics 11.4 Constitutive Model for a Newtonian Fluid 671 11.5 Navier–Stokes Equations 678 11.2 Derivation of the Bernoulli Equation 692 11.7 The Energy Equation 699 11.1 Initial and Boundary Conditions 702 11.3 Computational Fluid Dynamics (CFD) 706 11.9 Summary 708 Problems 709 CHAPTER 12 Analysis of Incompressible Flow 12.2 Steady Viscous Flow 718 12.1 Plane Couette Flow 720 CONTENTS xi 12.2 Circular Couette Flow 723 12.3 Poiseuille Flow Between Parallel Plates 732 12.4 Poiseuille Flow in a Pipe 737 12.5 Flow over a Cylinder (CFD) 741 12.3 Unsteady Viscous Flow 744 12.1 Startup of Plane Couette Flow 749 12.2 Unsteady Flow over a Cylinder (CFD) 752 12.2 Steady Turbulent Flow Between Parallel Plates (CFD) 757 12.5 Inviscid Irrotational Flow 760 12.1 Plane Potential Flow 761 12.2 Elementary Plane Potential Flows 769 12.3 Superposition of Elementary Plane Potential Flows 772 12.4 Flow over a Cylinder with Circulation 777 12.6 Summary 780 Problems 782 3 A P P L I C ATI O N S CHAPTER 13 Flow in Pipes and Ducts 13.2 Steady, Fully Developed Flow in a Pipe or Duct 793 13.1 Major Head Loss 799 13.3 Friction Factors in Laminar Flow 805 13.4 Friction Factors in Turbulent Flow 812 13.3 Analysis of Flow in Single Path Pipe and Duct Systems 817 13.1 Minor Head Loss 824 13.2 Pump and Turbine Head 835 13.4 Analysis of Flow in Multiple Path Pipe and Duct Systems 846 13.5 Elements of Pipe and Duct System Design 851 13.1 Pump and Fan Selection 853 13.6 Summary 864 Problems 867 CHAPTER 14 External Flow 14.1 Introduction 882 xii CONTENTS 14.2 Boundary Layers: Basic Concepts 884 14.1 Laminar Boundary Layer on a Flat Plate 887 14.2 Turbulent Boundary Layer on a Flat Plate 894 14.3 Boundary Layer on an Airfoil or Other Body 898 14.3 Drag: Basic Concepts 902 14.1 Low Reynolds Number Flow 905 14.5 Lift and Drag of Airfoils 926 14.6 Summary 933 Problems 935 CHAPTER 15 Open Channel Flow 15.2 Basic Concepts in Open Channel Flow 945 15.3 The Importance of the Froude Number 952 15.1 Flow over a Bump or Depression 953 15.2 Flow in a Horizontal Channel of Varying Width 961 15.3 Propagation of Surface Waves 965 15.4 Energy Conservation in Open Channel Flow 978 15.2 Specific Energy Diagrams 986 15.5 Flow in a Channel of Uniform Depth 989 15.1 Uniform Flow Examples 994 15.2 Optimum Channel Cross Section 999 15.6 Flow in a Channel with Gradually Varying Depth 1003 15.7 Flow Under a Sluice Gate 1003 15.8 Flow Over a Weir 1009 15.9 Summary 1012 Problems 1014 Appendixes Appendix A Fluid Property Data for Various Fluids A-1 Appendix B Properties of the U. Standard Atmosphere B-1 Appendix C Unit Conversion Factors C-1 CREDITS D-1 I NDEX I-1 PREFACE This book is intended primarily for use in a one-quarter or one-semester introductory fluid mechanics course.

Our goal is to provide both a balanced introduction to all the tools used for solving fluid mechanics problems today and a foundation for further study of this important and exciting field. By learning about analytical, em- pirical (existing experimental data and accepted engineering practice), experimental (new experimental data, which will need to be obtained), and computational tools, students learn that an engineering problem can be approached in many different ways and on several different levels. This distinction of approach is especially important in fluid mechanics, where all these tools are used extensively. Although the traditional methodology of engineering fluid mechanics is thoroughly covered, this text also includes elements of differential analysis presented at a level appropriate for the target student audience.

We also make use of outputs from commer- cially available computational fluid dynamics codes to help illustrate the phenomena of interest. It is not ex- pected that students will perform any computational fluid mechanics simulations. However, with computa- tional solutions becoming routine, economical, and accessible to engineers with bachelor’s degrees, it is important that students be familiar with the use of this type of information. Therefore, computa- tionally produced figures are used in the text for expository purposes.

Throughout the text, CFD icons indicate when the subject matter directly, or indirectly, relates to computational methods. There are also a large number of figures, photographs, and solved problems to give students an understanding of the many exciting problems in fluid mechanics and the tools used to solve them. The visual approach to understanding fluid mechanics is highlighted with the use of visual CD/Kinematics/Compressibility/Compressible and Incompressible Fluids icons that point students to resources such as websites, books, and especially, the excellent CD Multi-Media Fluid Mechanics.* A third icon, called FE, is used to note material that is covered in the Fundamentals of Engineering exam. We have organized the text in three parts to give to each instructor the flexibility needed to meet the needs of his or her students and course(s).

Part 1, Fundamentals, contains the first nine chapters and covers the traditional body of introductory ma- terial. Our emphasis here is on developing an understanding of fundamental ideas. The judicious use of soft- ware packages to perform routine mathematical and graphical operations is intended to allow the student to concentrate on ideas rather than mathematics. Here, and elsewhere in the text, we employ a visual presenta- tion of results to enhance student learning and to encourage students to do the same in their own problem solv- ing.

An important feature of Part 1 is the introduction to empirical methods in Chapter 3, rather than covering this much later, as is the case in other texts. Chapter 3 includes simple but effective case studies on pipe flow, *© 2000, 2004 by Stanford University and its licensors, published by Cambridge University Press. xiii xiv PREFACE drag on spheres and cylinders, lift and drag on airfoils, and other topics. The student is thus empowered to solve important and interesting fluid mechanics problems in these areas without being forced to wait until the end of the course for the “good stuff.

Nội dung được bảo vệ bản quyền — Tải xuống đầy đủ