Fluid Mechanics, Phiên Bản 7 của Frank M. White - Đại học Rhode Island

Sách Fluid Mechanics, phiên bản thứ 7 của Frank M. White là giáo trình kinh điển, bao gồm các phương trình, lý thuyết và ứng dụng cơ học chất lưu.

• Tác giả: Frank M. White
• Trường học: University Of Rhode Island
• Chuyên ngành: Mechanical Engineering
• Đề tài: Fluid Mechanics
• Loại tài liệu: Textbook
• Năm xuất bản: 2011
• Địa điểm: New York

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Sách Cơ Học Chất Lưu Phiên Bản 7

Sách Cơ Học Chất Lưu (Fluid Mechanics) Phiên Bản 7 của tác giả Frank M. White từ University of Rhode Island là một trong những tài liệu học thuật hàng đầu trong lĩnh vực cơ học chất lưu. Phiên bản thứ 7 này được xuất bản bởi McGraw-Hill và cung cấp những kiến thức toàn diện từ cơ bản đến nâng cao. Cuốn sách được thiết kế cho sinh viên kỹ thuật và các chuyên gia trong ngành cơ khí, dầu khí và xây dựng. Nội dung được tổ chức khoa học với các ví dụ thực tế, công thức toán học chi tiết và bảng chuyển đổi đơn vị giữa hệ BG và SI. Sách này là công cụ học tập lý tưởng giúp sinh viên hiểu sâu về các hiện tượng vật lý liên quan đến chất lỏng và khí.

1.1. Thông Tin Cơ Bản Về Tác Giả và Nhà Xuất Bản

Frank M. White là giáo sư danh tiếng tại University of Rhode Island với hơn 40 năm kinh nghiệm giảng dạy cơ học chất lưu. Sách được xuất bản bởi McGraw-Hill, một nhà xuất bản uy tín trong lĩnh vực giáo dục kỹ thuật. Phiên bản thứ 7 được cập nhật vào năm 2011 với nội dung hiện đại, phù hợp với yêu cầu của ngành công nghiệp và giáo dục hiện nay.

1.2. Đối Tượng Độc Giả Và Ứng Dụng Thực Tế

Cuốn sách phù hợp với sinh viên ngành kỹ thuật cơ khí, dân dụng, và các ngành liên quan. Ngoài ra, nó là tài liệu tham khảo quý báu cho các kỹ sư chuyên nghiệp làm việc trong các lĩnh vực như thiết kế máy bơm, phân tích dòng chảy, và tính toán áp suất trong hệ thống ống.

II. Nội Dung Chính Và Các Chủ Đề Quan Trọng

Sách Cơ Học Chất Lưu Phiên Bản 7 bao gồm các chương chuyên sâu về những khía cạnh cơ bản và nâng cao của cơ học chất lưu. Nội dung được chia thành các mô-đun logic giúp sinh viên dễ dàng theo dõi và áp dụng. Sách cung cấp các phương trình nền tảng như phương trình Bernoulli, phương trình Navier-Stokes, và các công thức tính toán lực tĩnh thuỷ, lực nổi, và mất đầu ma sát. Bảng chuyển đổi đơn vị từ hệ BG sang SI giúp học sinh làm quen với cả hai hệ đơn vị. Mỗi chương đều có bài tập ứng dụng thực tế, đồ thị Moody, và các phương pháp tính toán dòng chảy trong ống và trên bề mặt phẳng.

2.1. Các Công Thức Toán Học Cơ Bản

Sách cung cấp hệ thống công thức toán học hoàn chỉnh bao gồm: phương trình liên tục, phương trình bảo toàn năng lượng (Bernoulli), phương trình Navier-Stokes cho dòng chảy nhớt, và công thức tính hệ số ma sát. Những công thức này là nền tảng để giải quyết các bài toán thực tế về dòng chảy trong ống, dòng chảy ngoài vật thể, và dòng chảy có áp suất.

2.2. Bảng Chuyển Đổi Đơn Vị BG sang SI

Phiên bản 7 bao gồm bảng chuyển đổi chi tiết từ hệ British Gravitational (BG) sang Système International (SI). Ví dụ: gia tốc từ ft/s² sang m/s² (nhân 0.3048), mật độ từ slug/ft³ sang kg/m³ (nhân 5.1538E2). Bảng này giúp kỹ sư làm việc hiệu quả với cả hai hệ đơn vị phổ biến.

III. Các Ứng Dụng Thực Tế Của Cơ Học Chất Lưu

Cơ học chất lưu là nền tảng của nhiều ứng dụng công nghiệp quan trọng. Sách Phiên Bản 7 cung cấp kiến thức để giải quyết các bài toán thực tế như tính toán lực tác động lên đập nước, thiết kế hệ thống ống dẫn, và phân tích dòng chảy quanh các vật thể. Những ứng dụng này rất quan trọng trong các ngành như thủy lợi, dầu khí, hàng không vũ trụ, và xây dựng. Sách cũng giải thích các khái niệm như lực nổi (buoyant force), áp suất tĩnh thuỷ, và mất đầu do ma sát. Những hiểu biết này giúp kỹ sư thiết kế các hệ thống hiệu quả, tiết kiệm năng lượng và an toàn trong vận hành.

3.1. Ứng Dụng Trong Thiết Kế Hệ Thống Ống Và Bơm

Sách hướng dẫn chi tiết cách tính mất đầu ma sát trong ống bằng công thức Darcy-Weisbach: hf = f(L/d)(V²/2g). Đồ thị Moody được cung cấp để xác định hệ số ma sát dựa trên số Reynolds. Những kiến thức này là bắt buộc khi thiết kế hệ thống bơm, đường ống dẫn nước, và các hệ thống vận chuyển chất lỏng công nghiệp.

3.2. Ứng Dụng Trong Kỹ Thuật Thủy Lợi Và Xây Dựng

Cuốn sách cung cấp phương pháp tính lực tĩnh thuỷ (hydrostatic force) tác động lên các bề mặt phẳng chìm trong nước: F = ρghCGA. Ngoài ra, các công thức tính lực nổi và phân tích dòng chảy không ổn định giúp kỹ sư thiết kế các công trình như đập nước, bồn chứa, và hệ thống thoát nước hiệu quả.

IV. Lợi Ích Của Việc Học Tập Từ Sách Phiên Bản 7

Sách Cơ Học Chất Lưu Phiên Bản 7 của Frank M. White mang lại nhiều lợi ích cho sinh viên và chuyên gia. Thứ nhất, nội dung được trình bày rõ ràng với nhiều hình ảnh minh họa và ví dụ thực tế giúp học sinh dễ hiểu. Thứ hai, sách cung cấp công thức đầy đủ và bảng tham khảo cho phép sinh viên giải quyết các bài toán nhanh chóng. Thứ ba, phiên bản 7 được cập nhật với những công cụ tính toán hiện đại và các phương pháp phân tích dòng chảy mới. Cuối cùng, sách giúp sinh viên phát triển kỹ năng tư duy phê phán và giải quyết vấn đề thông qua các bài tập thử thách. Đây là lý do tại sao sách được sử dụng rộng rãi trong các trường đại học hàng đầu và được các kỹ sư chuyên nghiệp tin cậy.

4.1. Cấu Trúc Học Tập Khoa Học Và Bài Tập Thực Hành

Mỗi chương của sách được thiết kế theo cấu trúc logic: lý thuyết → công thức → ví dụ minh họa → bài tập. Phiên bản 7 bao gồm hàng trăm bài tập từ dễ đến khó, giúp sinh viên củng cố kiến thức cơ học chất lưu. Các bài tập này được phân loại theo mức độ khó khăn, cho phép sinh viên tự đánh giá mức độ hiểu biết của mình.

4.2. Tài Liệu Tham Khảo Và Hỗ Trợ Học Tập Bổ Sung

Ngoài sách chính, McGraw-Hill cung cấp các tài liệu bổ sung như bài giảng trình chiếu, câu hỏi ôn tập, và phần mềm mô phỏng dòng chảy. Những tài nguyên này giúp sinh viên học tập hiệu quả hơn và chuẩn bị tốt cho các kỳ thi. Sách cũng kết nối với cộng đồng học tập toàn cầu, cho phép sinh viên trao đổi kinh nghiệm và giải đáp thắc mắc.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Conversion Factors from BG to SI Units To convert from To Multiply by Acceleration ft/s2 m/s2 0.0469 E  3 Density slug/ft3 kg/m3 5.1538 E  2 lbm/ft3 kg/m3 1.6019 E  1 Energy ft-lbf J 1.8520 E  3 Mass slug kg 1.5359 E  1 Mass flow slug/s kg/s 1.5359 E  1 Power ftlbf/s W 1.4570 E  2 Conversion Factors from BG to SI Units (Continued) To convert from To Multiply by Pressure lbf/ft2 Pa 4.7880 E  1 lbf/in2 Pa 6.0133 E  5 mm Hg Pa 1.3332 E  2 Specific weight lbf/ft3 N/m3 1.5709 E  2 Specific heat ft2/(s2R) m2/(s2K) 1.6723 E  1 Surface tension lbf/ft N/m 1.1444 E  1 Viscosity lbfs/ft2 Ns/m2 4.9574 E  5 Volume flow ft3/s m3/s 2.3090 E  5 EQUATION SHEET Ideal-gas law: p  RT, Rair  287 J/kg-K Surface tension: p  Y(R1 1 1  R2 ) Hydrostatics, constant density: Hydrostatic panel force: F  hCGA, p2  p1  (z2 z1),   g yCP Ixxsin /(hCG A), xCP Ixy sin /(hCG A) Buoyant force: CV mass: d/dt( CV d )  g(AV)out FB  fluid(displaced volume)  g (AV)in  0 CV momentum: d/dt1 CV Vd 2 CV angular momentum: d/dt( CV (r0 V)d )  g 3 (AV )V 4 out  g 3 (AV )V 4 in  g F  g AV(r0V)out g AV(r0V)in g M 0 Steady flow energy: (p/V /2gz)in  2 Acceleration: dV/dt  V/t (p/V2/2gz)out  hfriction  hpump  hturbine  u(V/x)  v(V/y) w(V/z) Incompressible continuity:   V  0 Navier-Stokes: (dV/dt)gp  2V Incompressible stream function (x,y): Velocity potential (x, y, z): u  /y; v  /x u  /x; v  /y; w  /z Bernoulli unsteady irrotational flow: Turbulent friction factor: 1/ 1f  /t  dp/  V 2/2 gz  Const 2.51/1Red 1f)4 Pipe head loss: hf  f(L /d)V 2/(2g) Orifice, nozzle, venturi flow: where f  Moody chart friction factor QCdAthroat 3 2 p/5(1 4)6 4 1/2,  d/D Laminar flat plate flow: /x  5.0/Re1/2 x , Turbulent flat plate flow: /x  0.031/Re L 1/7 CD  Drag/1 12V 2A2; CL  Lift/1 12V2A2 2-D potential flow: 2  2  0 Isentropic flow: T0 /T  1 5(k1)/26Ma2, One-dimensional isentropic area change: 0/  (T0/T)1/(k1), p0 /p  (T0/T)k(k1) A/A*(1/Ma)[1{(k1)/2}Ma2](1/2)(k1)/(k1) Prandtl-Meyer expansion: K  (k1)/(k1), Uniform flow, Manning’s n, SI units: K1/2tan1[(Ma21)/K]1/2tan1(Ma21)1/2 V0(m/s)  (1.0/n) 3 Rh(m) 4 2/3S1/2 0 Gradually varied channel flow: Euler turbine formula: dy/dx  (S0  S)/(1  Fr2), Fr  V/Vcrit Power  Q(u2Vt2  u1Vt1), u  r This page intentionally left blank whi29346_fm_i-xvi.qxd 12/14/09 7:09PM Page i ntt 208:MHDQ176:whi29346:0073529346:whi29346_pagefiles: Fluid Mechanics whi29346_fm_i-xvi.qxd 12/14/09 7:09PM Page ii ntt 208:MHDQ176:whi29346:0073529346:whi29346_pagefiles: McGraw-Hill Series in Mechanical Engineering Hamrock/Schmid/Jacobson Fundamentals of Machine Elements Alciatore/Histand Introduction to Mechatronics and Measurement Systems Heywood Internal Combustion Engine Fundamentals Anderson Computational Fluid Dynamics: The Basics with Applications Holman Experimental Methods for Engineers Anderson Fundamentals of Aerodynamics Holman Heat Transfer Anderson Introduction to Flight Kays/Crawford/Weigand Convective Heat and Mass Transfer Anderson Modern Compressible Flow Meirovitch Fundamentals of Vibrations Beer/Johnston Vector Mechanics for Engineers: Statics and Dynamics Norton Design of Machinery Beer/Johnston Mechanics of Materials Palm System Dynamics Budynas Advanced Strength and Applied Stress Analysis Reddy An Introduction to Finite Element Method Budynas/Nisbett Shigley’s Mechanical Engineering Design Schey Introduction to Manufacturing Processes Çengel Heat and Mass Transfer: A Practical Approach Smith/Hashemi Foundations of Materials Science and Engineering Çengel Introduction to Thermodynamics & Heat Transfer Turns An Introduction to Combustion: Concepts and Applications Çengel/Boles Thermodynamics: An Engineering Approach Ugural Mechanical Design: An Integrated Approach Çengel/Cimbala Fluid Mechanics: Fundamentals and Applications Ullman The Mechanical Design Process Çengel/Turner Fundamentals of Thermal-Fluid Sciences White Fluid Mechanics Dieter Engineering Design: A Materials & Processing Approach White Viscous Fluid Flow Dieter Mechanical Metallurgy Dorf/Byers Technology Ventures: From Idea to Enterprise Finnemore/Franzini Fluid Mechanics with Engineering Applications whi29346_fm_i-xvi.qxd 12/14/09 7:09PM Page iii ntt 208:MHDQ176:whi29346:0073529346:whi29346_pagefiles: Fluid Mechanics Seventh Edition Frank M. White University of Rhode Island whi29346_fm_i-xvi.qxd 12/30/09 1:16PM Page iv ntt 208:MHDQ176:whi29346:0073529346:whi29346_pagefiles: FLUID MECHANICS, SEVENTH EDITION Published by McGraw-Hill, a business unit of The McGraw-Hill Companies, Inc., 1221 Avenue of the Americas, New York, NY 10020. Copyright © 2011 by The McGraw-Hill Companies, Inc. All rights reserved.

Previous editions © 2008, 2003, and 1999. No part of this publication may be reproduced or distributed in any form or by any means, or stored in a database or retrieval system, without the prior written consent of The McGraw-Hill Companies, Inc., including, but not limited to, in any network or other electronic storage or transmission, or broadcast for distance learning. Some ancillaries, including electronic and print components, may not be available to customers outside the United States. This book is printed on acid-free paper.

1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 DOC/DOC 1 0 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 ISBN 978-0-07-352934-9 MHID 0-07-352934-6 Vice President & Editor-in-Chief: Marty Lange Vice President, EDP/Central Publishing Services: Kimberly Meriwether-David Global Publisher: Raghothaman Srinivasan Senior Sponsoring Editor: Bill Stenquist Director of Development: Kristine Tibbetts Developmental Editor: Lora Neyens Senior Marketing Manager: Curt Reynolds Senior Project Manager: Lisa A. Bruflodt Production Supervisor: Nicole Baumgartner Design Coordinator: Brenda A. Rolwes Cover Designer: Studio Montage, St. Louis, Missouri (USE) Cover Image: Copyright SkySails Senior Photo Research Coordinator: John C.

Leland Photo Research: Emily Tietz/Editorial Image, LLC Compositor: Aptara, Inc. Typeface: 10/12 Times Roman Printer: R. Donnelley All credits appearing on page or at the end of the book are considered to be an extension of the copyright page. Library of Congress Cataloging-in-Publication Data White, Frank M.

Fluid mechanics / Frank M. — (Mcgraw-Hill series in mechanical engineering) Includes bibliographical references and index.com whi29346_fm_i-xvi.qxd 12/14/09 7:09PM Page v ntt 208:MHDQ176:whi29346:0073529346:whi29346_pagefiles: About the Author Frank M. White is Professor Emeritus of Mechanical and Ocean Engineering at the University of Rhode Island. He studied at Georgia Tech and M.

In 1966 he helped found, at URI, the first department of ocean engineering in the country. Known primarily as a teacher and writer, he has received eight teaching awards and has written four textbooks on fluid mechanics and heat transfer. From 1979 to 1990 he was editor-in-chief of the ASME Journal of Fluids Engineering and then served from 1991 to 1997 as chairman of the ASME Board of Editors and of the Publications Committee. He is a Fellow of ASME and in 1991 received the ASME Fluids Engineering Award.

He lives with his wife, Jeanne, in Narragansett, Rhode Island. v whi29346_fm_i-xvi.qxd 12/14/09 7:09PM Page vi ntt 208:MHDQ176:whi29346:0073529346:whi29346_pagefiles: To Jeanne whi29346_fm_i-xvi.qxd 12/14/09 7:09PM Page vii ntt 208:MHDQ176:whi29346:0073529346:whi29346_pagefiles: Contents Preface xi 2.5 Hydrostatic Forces on Plane Surfaces 78 2.6 Hydrostatic Forces on Curved Surfaces 86 Chapter 1 2.7 Hydrostatic Forces in Layered Fluids 89 Introduction 3 2.8 Buoyancy and Stability 91 2.9 Pressure Distribution in Rigid-Body Motion 97 1.2 History and Scope of Fluid Mechanics 4 Summary 109 1.3 Problem-Solving Techniques 6 Problems 109 1.4 The Concept of a Fluid 6 Word Problems 132 1.5 The Fluid as a Continuum 8 Fundamentals of Engineering Exam 1.6 Dimensions and Units 9 Problems 133 1.7 Properties of the Velocity Field 17 Comprehensive Problems 134 1.8 Thermodynamic Properties of a Fluid 18 Design Projects 135 1.9 Viscosity and Other Secondary Properties 25 References 136 1.10 Basic Flow Analysis Techniques 40 1.11 Flow Patterns: Streamlines, Streaklines, and Pathlines 41 Chapter 3 1.12 The Engineering Equation Solver 46 Integral Relations for a Control Volume 139 1.13 Uncertainty in Experimental Data 46 3.1 Basic Physical Laws of Fluid Mechanics 139 1.14 The Fundamentals of Engineering (FE) 3.2 The Reynolds Transport Theorem 143 Examination 48 3.3 Conservation of Mass 150 Problems 49 3.4 The Linear Momentum Equation 155 Fundamentals of Engineering Exam Problems 57 3.5 Frictionless Flow: The Bernoulli Equation 169 Comprehensive Problems 58 3.6 The Angular Momentum Theorem 178 References 61 3.7 The Energy Equation 184 Summary 195 Chapter 2 Problems 195 Pressure Distribution in a Fluid 65 Word Problems 224 2.1 Pressure and Pressure Gradient 65 Fundamentals of Engineering Exam Problems 224 2.2 Equilibrium of a Fluid Element 67 Comprehensive Problems 226 2.3 Hydrostatic Pressure Distributions 68 Design Project 227 2.4 Application to Manometry 75 References 227 vii whi29346_fm_i-xvi.qxd 12/14/09 7:09PM Page viii ntt 208:MHDQ176:whi29346:0073529346:whi29346_pagefiles: viii Contents Chapter 4 6.6 Turbulent Pipe Flow 365 Differential Relations for Fluid Flow 229 6.7 Four Types of Pipe Flow Problems 373 6.8 Flow in Noncircular Ducts 379 4.1 The Acceleration Field of a Fluid 230 6.9 Minor or Local Losses in Pipe Systems 388 4.2 The Differential Equation of Mass Conservation 232 6.10 Multiple-Pipe Systems 397 4.3 The Differential Equation of Linear Momentum 238 6.11 Experimental Duct Flows: Diffuser Performance 403 4.4 The Differential Equation of Angular Momentum 244 6.5 The Differential Equation of Energy 246 Summary 429 4.6 Boundary Conditions for the Basic Equations 249 Problems 430 4.7 The Stream Function 253 Word Problems 448 4.8 Vorticity and Irrotationality 261 Fundamentals of Engineering Exam Problems 449 4.9 Frictionless Irrotational Flows 263 Comprehensive Problems 450 4.10 Some Illustrative Incompressible Viscous Flows 268 Design Projects 452 Summary 276 References 453 Problems 277 Word Problems 288 Fundamentals of Engineering Exam Problems 288 Chapter 7 Comprehensive Problems 289 Flow Past Immersed Bodies 457 References 290 7.1 Reynolds Number and Geometry Effects 457 7.2 Momentum Integral Estimates 461 Chapter 5 7.3 The Boundary Layer Equations 464 7.4 The Flat-Plate Boundary Layer 467 Dimensional Analysis and Similarity 293 7.5 Boundary Layers with Pressure Gradient 476 5.6 Experimental External Flows 482 5.2 The Principle of Dimensional Homogeneity 296 Summary 509 5.3 The Pi Theorem 302 Problems 510 5.4 Nondimensionalization of the Basic Equations 312 Word Problems 523 5.5 Modeling and Its Pitfalls 321 Fundamentals of Engineering Exam Problems 524 Summary 333 Comprehensive Problems 524 Problems 333 Design Project 525 Word Problems 342 References 526 Fundamentals of Engineering Exam Problems 342 Comprehensive Problems 343 Chapter 8 Design Projects 344 References 344 Potential Flow and Computational Fluid Dynamics 529 8.1 Introduction and Review 529 8.2 Elementary Plane Flow Solutions 532 Chapter 6 8.3 Superposition of Plane Flow Solutions 539 Viscous Flow in Ducts 347 8.4 Plane Flow Past Closed-Body Shapes 545 6.1 Reynolds Number Regimes 347 8.5 Other Plane Potential Flows 555 6.2 Internal versus External Viscous Flow 352 8.3 Head Loss—The Friction Factor 355 8.4 Laminar Fully Developed Pipe Flow 357 8.8 Axisymmetric Potential Flow 574 6.9 Numerical Analysis 579 whi29346_fm_i-xvi.qxd 12/14/09 7:09PM Page ix ntt 208:MHDQ176:whi29346:0073529346:whi29346_pagefiles: Contents ix Summary 593 10.7 Flow Measurement and Control by Weirs 734 Problems 594 Summary 741 Word Problems 604 Problems 741 Comprehensive Problems 605 Word Problems 754 Design Projects 606 Fundamentals of Engineering Exam Problems 754 References 606 Comprehensive Problems 754 Design Projects 756 References 756 Chapter 9 Compressible Flow 609 Chapter 11 9.1 Introduction: Review of Thermodynamics 609 Turbomachinery 759 9.2 The Speed of Sound 614 9.3 Adiabatic and Isentropic Steady Flow 616 11.1 Introduction and Classification 759 9.4 Isentropic Flow with Area Changes 622 11.2 The Centrifugal Pump 762 9.5 The Normal Shock Wave 629 11.3 Pump Performance Curves and Similarity Rules 768 9.6 Operation of Converging and Diverging Nozzles 637 11.4 Mixed- and Axial-Flow Pumps: The Specific Speed 778 9.7 Compressible Duct Flow with Friction 642 11.5 Matching Pumps to System Characteristics 785 9.8 Frictionless Duct Flow with Heat Transfer 654 11.9 Two-Dimensional Supersonic Flow 659 Summary 807 9.10 Prandtl-Meyer Expansion Waves 669 Problems 807 Summary 681 Word Problems 820 Problems 682 Comprehensive Problems 820 Word Problems 695 Design Project 822 Fundamentals of Engineering Exam Problems 696 References 822 Comprehensive Problems 696 Design Projects 698 Appendix A Physical Properties of Fluids 824 References 698 Appendix B Compressible Flow Tables 829 Chapter 10 Appendix C Conversion Factors 836 Open-Channel Flow 701 Appendix D Equations of Motion in Cylindrical Coordinates 838 10.2 Uniform Flow: The Chézy Formula 707 Answers to Selected Problems 840 10.3 Efficient Uniform-Flow Channels 712 10.4 Specific Energy: Critical Depth 714 Index 847 10.5 The Hydraulic Jump 722 10.