Download Fox and McDonald’s Introduction to Fluid Mechanics 8th Edition

Tải sách Cơ học chất lưu Fox and McDonald's Introduction to Fluid Mechanics tái bản 8. Giáo trình PDF đầy đủ cho sinh viên ngành kỹ thuật.

• Tác giả: Philip J. Pritchard
• Người hướng dẫn: John C. Leylegian
• Trường học: Manhattan College
• Chuyên ngành: Fluid Mechanics
• Đề tài: Introduction to Fluid Mechanics
• Loại tài liệu: Textbook
• Năm xuất bản: 2011

Mục lục chi tiết

• Preface
• 1. CHAPTER 1: INTRODUCTION
• 1.1. Note to Students
• 1.2. Scope of Fluid Mechanics
• 1.3. Definition of a Fluid
• 1.5. Methods of Analysis
• 1.5.1. System and Control Volume
• 1.5.2. Differential versus Integral Approach
• 1.5.3. Methods of Description
• 1.6. Dimensions and Units
• 1.6.1. Systems of Dimensions
• 1.6.2. Systems of Units
• 1.6.3. Preferred Systems of Units
• 1.6.4. Dimensional Consistency and “Engineering” Equations
• 1.7. Analysis of Experimental Error
• 1.8. Summary
• 1.9. Problems
• 2. CHAPTER 2: FUNDAMENTAL CONCEPTS
• 2.1. Fluid as a Continuum
• 2.2. Velocity Field
• 2.2.1. One-, Two-, and Three-Dimensional Flows
• 2.2.2. Timelines, Pathlines, Streaklines, and Streamlines
• 2.4. Viscosity
• 2.4.1. Newtonian Fluid
• 2.4.2. Non-Newtonian Fluids
• 2.6. Description and Classification of Fluid Motions
• 2.6.1. Viscous and Inviscid Flows
• 2.6.2. Laminar and Turbulent Flows
• 2.6.3. Compressible and Incompressible Flows
• 2.6.4. Internal and External Flows
• 2.7. Summary and Useful Equations
• 2.8. References
• 2.9. Problems
• 3. CHAPTER 3: FLUID STATICS
• 3.1. The Basic Equation of Fluid Statics
• 3.2. The Standard Atmosphere
• 3.3. Pressure Variation in a Static Fluid
• 3.3.1. Incompressible Liquids: Manometers
• 3.3.2. Gases
• 3.5. Hydrostatic Force on Submerged Surfaces
• 3.5.1. Hydrostatic Force on a Plane Submerged Surface
• 3.5.2. Hydrostatic Force on a Curved Submerged Surface
• 3.6. *Buoyancy and Stability
• 3.7. Fluids in Rigid-Body Motion (on the Web)
• 3.8. Summary and Useful Equations
• 3.9. References
• 3.10. Problems
• 4. CHAPTER 4: BASIC EQUATIONS IN INTEGRAL FORM FOR A CONTROL VOLUME
• 4.1. Basic Laws for a System
• 4.1.1. Conservation of Mass
• 4.1.2. Newton’s Second Law
• 4.1.3. The Angular-Momentum Principle
• 4.1.4. The First Law of Thermodynamics
• 4.1.5. The Second Law of Thermodynamics
• 4.2. Relation of System Derivatives to the Control Volume Formulation
• 4.2.1. Derivation
• 4.2.2. Physical Interpretation
• 4.3. Conservation of Mass
• 4.3.1. Special Cases
• 4.4. Momentum Equation for Inertial Control Volume
• 4.4.1. *Differential Control Volume Analysis
• 4.4.2. Control Volume Moving with Constant Velocity
• 4.5. Momentum Equation for Control Volume with Rectilinear Acceleration
• 4.6. Momentum Equation for Control Volume with Arbitrary Acceleration (on the Web)
• 4.7. *The Angular-Momentum Principle
• 4.7.1. Equation for Fixed Control Volume
• 4.7.2. Equation for Rotating Control Volume (on the Web)
• 4.8. The First Law of Thermodynamics
• 4.8.1. Rate of Work Done by a Control Volume
• 4.8.2. Control Volume Equation
• 4.9. The Second Law of Thermodynamics
• 4.10. Summary and Useful Equations
• 4.11. Problems
• 5. CHAPTER 5: INTRODUCTION TO DIFFERENTIAL ANALYSIS OF FLUID MOTION
• 5.1. Conservation of Mass
• 5.1.1. Rectangular Coordinate System
• 5.1.2. Cylindrical Coordinate System
• 5.2. *Stream Function for Two-Dimensional Incompressible Flow
• 5.3. Motion of a Fluid Particle (Kinematics)
• 5.3.1. Fluid Translation: Acceleration of a Fluid Particle in a Velocity Field
• 5.3.2. Fluid Rotation
• 5.3.3. Fluid Deformation
• 5.4. Momentum Equation
• 5.4.1. Forces Acting on a Fluid Particle
• 5.4.2. Differential Momentum Equation
• 5.4.3. Newtonian Fluid: Navier Stokes Equations
• 5.5. *Introduction to Computational Fluid Dynamics
• 5.5.1. The Need for CFD
• 5.5.2. Applications of CFD
• 5.5.3. Some Basic CFD/Numerical Methods Using a Spreadsheet
• 5.5.4. The Strategy of CFD
• 5.5.5. Discretization Using the Finite-Difference Method
• 5.5.6. Assembly of Discrete System and Application of Boundary Conditions
• 5.5.7. Solution of Discrete System
• 5.5.8. Grid Convergence
• 5.5.9. Dealing with Nonlinearity
• 5.5.10. Direct and Iterative Solvers
• 5.5.11. Iterative Convergence
• 5.5.12. Concluding Remarks
• 5.6. Summary and Useful Equations
• 5.7. References
• 5.8. Problems
• 6. CHAPTER 6: INCOMPRESSIBLE INVISCID FLOW
• 6.1. Momentum Equation for Frictionless Flow: Euler’s Equation
• 6.2. Euler’s Equations in Streamline Coordinates
• 6.3. Bernoulli Equation—Integration of Euler’s Equation Along a Streamline for Steady Flow
• 6.3.1. *Derivation Using Streamline Coordinates
• 6.3.2. *Derivation Using Rectangular Coordinates
• 6.3.3. Static, Stagnation, and Dynamic Pressures
• 6.3.4. Applications
• 6.3.5. Cautions on Use of the Bernoulli Equation
• 6.4. The Bernoulli Equation Interpreted as an Energy Equation
• 6.5. Energy Grade Line and Hydraulic Grade Line
• 6.6. *Unsteady Bernoulli Equation: Integration of Euler’s Equation Along a Streamline (on the Web)
• 6.7. *Irrotational Flow
• 6.7.1. Bernoulli Equation Applied to Irrotational Flow
• 6.7.2. Velocity Potential
• 6.7.3. Stream Function and Velocity Potential for Two-Dimensional, Irrotational, Incompressible Flow: Laplace’s Equation
• 6.7.4. Elementary Plane Flows
• 6.7.5. Superposition of Elementary Plane Flows
• 6.8. Summary and Useful Equations
• 6.9. References
• 6.10. Problems
• 7. CHAPTER 7: DIMENSIONAL ANALYSIS AND SIMILITUDE
• 7.1. Nondimensionalizing the Basic Differential Equations
• 7.2. Nature of Dimensional Analysis
• 7.3. Buckingham Pi Theorem
• 7.4. Determining the Π Groups
• 7.5. Significant Dimensionless Groups in Fluid Mechanics
• 7.6. Flow Similarity and Model Studies
• 7.6.1. Incomplete Similarity
• 7.6.2. Scaling with Multiple Dependent Parameters
• 7.6.3. Comments on Model Testing
• 7.7. Summary and Useful Equations
• 7.8. References
• 7.9. Problems
• 8. CHAPTER 8: INTERNAL INCOMPRESSIBLE VISCOUS FLOW
• 8.1. Introduction
• 8.1.1. Laminar versus Turbulent Flow
• 8.1.2. The Entrance Region
• 8.2. Fully Developed Laminar Flow between Infinite Parallel Plates
• 8.2.1. Both Plates Stationary
• 8.2.2. Upper Plate Moving with Constant Speed, U
• 8.3. Fully Developed Laminar Flow in a Pipe
• 8.4. Shear Stress Distribution in Fully Developed Pipe Flow
• 8.5. Turbulent Velocity Profiles in Fully Developed Pipe Flow
• 8.6. Energy Considerations in Pipe Flow
• 8.6.1. Kinetic Energy Coefficient
• 8.6.2. Head Loss
• 8.7. Calculation of Head Loss
• 8.7.1. Major Losses: Friction Factor
• 8.7.2. Minor Losses
• 8.7.3. Pumps, Fans, and Blowers in Fluid Systems
• 8.7.4. Noncircular Ducts
• 8.8. Solution of Pipe Flow Problems
• 8.8.1. Single-Path Systems
• 8.8.2. *Multiple-Path Systems
• 8.10. Restriction Flow Meters for Internal Flows
• 8.10.1. The Orifice Plate
• 8.10.2. The Flow Nozzle
• 8.10.3. The Venturi
• 8.10.4. The Laminar Flow Element
• 8.11. Linear Flow Meters
• 8.13. Summary and Useful Equations
• 8.14. References
• 8.15. Problems
• 9. CHAPTER 9: EXTERNAL INCOMPRESSIBLE VISCOUS FLOW
• 9.1. The Boundary-Layer Concept
• 9.2. Boundary-Layer Thicknesses
• 9.3. Laminar Flat-Plate Boundary Layer: Exact Solution (on the Web)
• 9.4. Momentum Integral Equation
• 9.5. Use of the Momentum Integral Equation for Flow with Zero Pressure Gradient
• 9.5.1. Laminar Flow
• 9.5.2. Turbulent Flow
• 9.5.3. Summary of Results for Boundary-Layer Flow with Zero Pressure Gradient
• 9.6. Pressure Gradients in Boundary-Layer Flow
• 9.7. Drag
• 9.7.1. Pure Friction Drag: Flow over a Flat Plate Parallel to the Flow
• 9.7.2. Pure Pressure Drag: Flow over a Flat Plate Normal to the Flow
• 9.7.3. Friction and Pressure Drag: Flow over a Sphere and Cylinder
• 9.7.4. Streamlining
• 9.9. Summary and Useful Equations
• 9.10. References
• 9.11. Problems
• 10. CHAPTER 10: FLUID MACHINERY
• 10.1. Introduction and Classification of Fluid Machines
• 10.1.1. Machines for Doing Work on a Fluid
• 10.1.2. Machines for Extracting Work (Power) from a Fluid
• 10.1.3. Scope of Coverage
• 10.2. Turbomachinery Analysis
• 10.2.1. The Angular-Momentum Principle: The Euler Turbomachine Equation
• 10.2.2. Velocity Diagrams
• 10.2.3. Performance: Hydraulic Power
• 10.2.4. Dimensional Analysis and Specific Speed
• 10.3. Pumps, Fans, and Blowers
• 10.3.1. Application of Euler Turbomachine Equation to Centrifugal Pumps
• 10.3.2. Application of the Euler Equation to Axial Flow Pumps and Fans
• 10.3.3. Performance Characteristics
• 10.3.4. Similarity Rules
• 10.3.5. Cavitation and Net Positive Suction Head
• 10.3.6. Pump Selection: Applications to Fluid Systems
• 10.3.7. Blowers and Fans
• 10.4. Positive Displacement Pumps
• 10.5. Hydraulic Turbines
• 10.5.1. Hydraulic Turbine Theory
• 10.5.2. Performance Characteristics for Hydraulic Turbines
• 10.5.3. Sizing Hydraulic Turbines for Fluid Systems
• 10.6. Propellers and Wind-Power Machines
• 10.6.1. Propellers
• 10.6.2. Wind-Power Machines
• 10.7. Compressible Flow Turbomachines
• 10.7.1. Application of the Energy Equation to a Compressible Flow Machine
• 10.7.2. Compressors
• 10.7.3. Compressible-Flow Turbines
• 10.8. Summary and Useful Equations
• 10.9. References
• 10.10. Problems
• 11. CHAPTER 11: FLOW IN OPEN CHANNELS
• 11.1. Basic Concepts and Definitions
• 11.1.1. Simplifying Assumptions
• 11.1.2. Channel Geometry
• 11.1.3. Speed of Surface Waves and the Froude Number
• 11.2. Energy Equation for Open-Channel Flows
• 11.2.1. Specific Energy
• 11.2.2. Critical Depth: Minimum Specific Energy
• 11.3. Localized Effect of Area Change (Frictionless Flow)
• 11.3.1. Flow over a Bump
• 11.4. The Hydraulic Jump
• 11.4.1. Depth Increase Across a Hydraulic Jump
• 11.4.2. Head Loss Across a Hydraulic Jump
• 11.5. Steady Uniform Flow
• 11.5.1. The Manning Equation for Uniform Flow
• 11.5.2. Energy Equation for Uniform Flow
• 11.5.3. Optimum Channel Cross Section
• 11.6. Flow with Gradually Varying Depth
• 11.6.1. Calculation of Surface Profiles
• 11.7. Discharge Measurement Using Weirs
• 11.7.1. Suppressed Rectangular Weir
• 11.7.2. Contracted Rectangular Weirs
• 11.7.3. Triangular Weir
• 11.7.4. Broad-Crested Weir
• 11.8. Summary and Useful Equations
• 11.9. References
• 11.10. Problems
• 12. CHAPTER 12: INTRODUCTION TO COMPRESSIBLE FLOW
• 12.1. Review of Thermodynamics
• 12.2. Propagation of Sound Waves
• 12.2.1. Speed of Sound
• 12.2.2. Types of Flow—The Mach Cone
• 12.3. Reference State: Local Isentropic Stagnation Properties
• 12.3.1. Local Isentropic Stagnation Properties for the Flow of an Ideal Gas
• 12.5. Summary and Useful Equations
• 12.6. References
• 12.7. Problems
• 13. CHAPTER 13: COMPRESSIBLE FLOW
• 13.1. Basic Equations for One-Dimensional Compressible Flow
• 13.2. Isentropic Flow of an Ideal Gas: Area Variation
• 13.2.1. Subsonic Flow, M < 1
• 13.2.2. Supersonic Flow, M > 1
• 13.2.3. Sonic Flow, M = 1
• 13.2.4. Reference Stagnation and Critical Conditions for Isentropic Flow of an Ideal Gas
• 13.2.5. Isentropic Flow in a Converging Nozzle
• 13.2.6. Isentropic Flow in a Converging-Diverging Nozzle
• 13.3. Normal Shocks
• 13.3.1. Basic Equations for a Normal Shock
• 13.3.2. Fanno and Rayleigh Interpretation of Normal Shock
• 13.3.3. Normal-Shock Flow Functions for One-Dimensional Flow of an Ideal Gas
• 13.4. Supersonic Channel Flow with Shocks
• 13.4.1. Flow in a Converging-Diverging Nozzle
• 13.4.2. Supersonic Diffuser (on the Web)
• 13.4.3. Supersonic Wind Tunnel Operation (on the Web)
• 13.4.4. Supersonic Flow with Friction in a Constant-Area Channel (on the Web)
• 13.4.5. Supersonic Flow with Heat Addition in a Constant-Area Channel (on the Web)
• 13.5. Flow in a Constant-Area Duct with Friction
• 13.5.1. Basic Equations for Adiabatic Flow
• 13.5.2. Adiabatic Flow: The Fanno Line
• 13.5.3. Fanno-Line Flow Functions for One-Dimensional Flow of an Ideal Gas
• 13.5.4. Isothermal Flow (on the Web)
• 13.6. Frictionless Flow in a Constant-Area Duct with Heat Exchange
• 13.6.1. Basic Equations for Flow with Heat Exchange
• 13.6.2. The Rayleigh Line
• 13.6.3. Rayleigh-Line Flow Functions for One-Dimensional Flow of an Ideal Gas
• 13.7. Oblique Shocks and Expansion Waves
• 13.7.1. Oblique Shocks
• 13.7.2. Isentropic Expansion Waves
• 13.8. Summary and Useful Equations
• 13.9. References
• 13.10. Problems
• APPENDIX A: FLUID PROPERTY DATA
• APPENDIX B: EQUATIONS OF MOTION IN CYLINDRICAL COORDINATES
• APPENDIX C: VIDEOS FOR FLUID MECHANICS
• APPENDIX D: SELECTED PERFORMANCE CURVES FOR PUMPS AND FANS
• APPENDIX E: FLOW FUNCTIONS FOR COMPUTATION OF COMPRESSIBLE FLOW
• APPENDIX F: ANALYSIS OF EXPERIMENTAL UNCERTAINTY
• APPENDIX G: SI UNITS, PREFIXES, AND CONVERSION FACTORS
• APPENDIX H: A BRIEF REVIEW OF MICROSOFT EXCEL (ON THE WEB)
• Answers to Selected Problems
• Index

Tóm tắt

I. Giới thiệu về Sách Cơ học chất lưu Fox Tái bản 8

Sách Cơ học chất lưu Fox tái bản 8 là một trong những tài liệu học thuật quan trọng nhất trong lĩnh vực cơ học chất lưu. Cuốn sách này được biên soạn bởi Philip J. Pritchard từ Manhattan College, với những đóng góp đặc biệt từ John C. Leylegian. Phiên bản lần thứ 8 này được xuất bản bởi John Wiley & Sons và đã trở thành một công cụ học tập không thể thiếu cho sinh viên, kỹ sư và các nhà nghiên cứu. Cuốn sách cung cấp một nền tảng vững chắc về các nguyên lý cơ bản của cơ học chất lưu, bao gồm tĩnh lực học chất lưu, động lực học, và các ứng dụng thực tiễn.

1.1. Tác giả và nhà xuất bản

Cuốn sách được viết bởi Philip J. Pritchard với sự hỗ trợ của John C. Leylegian, cả hai đều là giáo sư tại Manhattan College. Nhà xuất bản John Wiley & Sons đã công bố phiên bản thứ 8 vào năm 2011, đảm bảo chất lượng học thuật cao và cập nhật các kiến thức mới nhất trong lĩnh vực cơ học chất lưu.

1.2. Tầm quan trọng của tài liệu PDF

Phiên bản PDF của sách Cơ học chất lưu Fox tái bản 8 cung cấp sự tiện lợi trong việc truy cập và nghiên cứu. Tuy nhiên, để đọc tài liệu này một cách hiệu quả, nên sử dụng PDF-XChange Viewer thay vì Adobe Reader, vì nó đảm bảo tính tương thích tốt hơn và trải nghiệm người dùng mượt mà.

II. Nội dung chính của cuốn sách

Sách Cơ học chất lưu Fox bao gồm các chương trình tư nên được cấu trúc một cách logic và toàn diện. Cuốn sách bắt đầu với các khái niệm cơ bản về chất lưu và cơ học chất lưu, tiếp theo là các chương về tĩnh lực học, động lực học chất lưu, và các ứng dụng kỹ thuật. Mỗi chương đều được thiết kế để giúp học sinh hiểu rõ từng khái niệm, từ lý thuyết đến thực hành. Cuốn sách cũng cung cấp các bài tập thực hành và ví dụ minh họa để củng cố kiến thức của người học.

2.1. Chương 1 Giới thiệu cơ học chất lưu

Chương đầu tiên giới thiệu phạm vi của cơ học chất lưu, định nghĩa chất lưu, và phương pháp phân tích. Nó cũng bao gồm các khái niệm về hệ thống và thể tích điều khiển, phương pháp vi phân và tích phân, cũng như hệ thống đơn vị và kích thước trong cơ học chất lưu.

2.2. Chương 2 Các khái niệm cơ bản

Chương này tập trung vào chất lưu như một môi trường liên tục, trường vận tốc, và độ nhớt. Nó phân biệt giữa chất lưu Newton và chất lưu không phải Newton, cũng như các loại dòng chảy khác nhau như dòng tầng và dòng rối, dòng nén được và dòng không nén được.

2.3. Chương 3 Tĩnh lực học chất lưu

Phần này đề cập đến phương trình cơ bản của tĩnh lực học, áp suất trong chất lưu tĩnh, và lực tĩnh thủy lực trên các bề mặt chìm. Nó bao gồm các manometer cho chất lỏng không nén được và biến thiên áp suất trong khí.

III. Tính năng của WileyPLUS và hỗ trợ học tập

WileyPLUS là một môi trường học tập trực tuyến đổi mới, được thiết kế dựa trên nghiên cứu khoa học để hỗ trợ giảng dạy và học tập hiệu quả. Nền tảng này cung cấp sách giáo khoa tương tác, tài nguyên học tập, và các bài tập được tải sẵn. Sinh viên có thể nhận được phản hồi ngay lập tức và bằng chứng tiến bộ 24/7, giúp họ tự tin hơn trong quá trình học. Các giáo viên cũng được hỗ trợ bằng tài liệu đáng tin cậy giúp tăng cường mục tiêu khóa học trong và ngoài lớp học.

3.1. Các tính năng chính của WileyPLUS

WileyPLUS cung cấp sách giáo khoa tương tác, hướng dẫn video 2 phút, bài tập được tạo sẵn do các chuyên gia soạn thảo, và hỗ trợ sinh viên 24/7. Nền tảng này được thiết kế để giúp sinh viên tiếp cận kiến thức một cách dễ dàng, giá cả phải chăng, và kích thích học tập chủ động.

3.2. Hỗ trợ kỹ thuật và đào tạo

WileyPLUS cung cấp hỗ trợ kỹ thuật 24/7 thông qua câu hỏi thường gặp, trò chuyện trực tuyến, và hỗ trợ qua điện thoại. Các giáo viên có thể nhận được đào tạo cá nhân từ Trưởng tài khoản WileyPLUS và tham gia các sự kiện trực tuyến và trực tiếp để cộng tác với các đồng nghiệp.

IV. Hướng dẫn sử dụng PDF và lợi ích học tập

Để có được trải nghiệm tốt nhất khi học với sách Cơ học chất lưu Fox tái bản 8 PDF, người dùng nên sử dụng PDF-XChange Viewer (phần mềm miễn phí) thay vì Adobe Reader vì nó đảm bảo tính tương thích cao và hiển thị nội dung chính xác. Cuốn sách này giúp sinh viên và kỹ sư hiểu sâu về các nguyên lý cơ học chất lưu thông qua các ví dụ thực tiễn, bài tập tính toán, và hình ảnh minh họa chi tiết. Việc sử dụng tài liệu PDF cảm cho phép học tập linh hoạt, có thể truy cập bất cứ lúc nào và ở bất kỳ đâu.

4.1. Cách sử dụng PDF hiệu quả

Để đọc PDF của sách Cơ học chất lưu Fox một cách hiệu quả, hãy tải PDF-XChange Viewer miễn phí từ Tracker Software. Sử dụng các tính năng tìm kiếm, đánh dấu, và ghi chú để tăng cường quá trình học tập. Chia nhỏ nội dung thành các phần nhỏ hơn và kiểm tra hiểu biết của bạn thông qua các bài tập cuối chương.

4.2. Lợi ích của việc sử dụng tài liệu PDF

Tài liệu PDF cho phép bạn học tập mọi lúc, mọi nơi mà không cần kết nối internet. Nó cung cấp khả năng tìm kiếm nhanh, tiết kiệm chi phí so với sách in, và bảo vệ môi trường. Việc sử dụng PDF cùng với WileyPLUS tạo ra một hệ thống học tập toàn diện cho sinh viên.

Nội dung chính

Giáo Trình Fox and McDonald’s Introduction to Fluid Mechanics (Tái Bản Lần Thứ 8)

---

Tổng quan về giáo trình

Fox and McDonald’s Introduction to Fluid Mechanics (Tái bản lần thứ 8, ISBN-13: 978-0470547557, ISBN-10: 0470547553) do Philip J. Pritchard biên soạn cùng sự đóng góp chuyên môn của John C. Leylegian (thuộc Manhattan College), được xuất bản bởi John Wiley & Sons, Inc. Đây là tài liệu giảng dạy tiêu chuẩn thuộc khối kiến thức cơ sở ngành trong chương trình đào tạo kỹ sư đại học (thường bố trí ở học kỳ thuộc năm thứ ba hoặc năm thứ tư), áp dụng cho các ngành: Kỹ thuật Cơ khí, Kỹ thuật Hàng không, Kỹ thuật Xây dựng, Kỹ thuật Hóa học và Kỹ thuật Môi trường.

+-----------------------------------------------------------------------------+
|                           CẤU TRÚC PHÂN CẤP NỘI DUNG                        |
+-----------------------------------------------------------------------------+
|  1. Nền tảng & Tĩnh học: Môi trường liên tục, Thủy tĩnh (Chương 1 - 3)      |
|  2. Phương pháp phân tích: Thể tích kiểm soát & Vi phân (Chương 4 - 6)       |
|  3. Phân tích thứ nguyên: Định lý Pi Buckingham & Mô hình hóa (Chương 7)    |
|  4. Dòng nhớt & Ứng dụng: Dòng nội quan, Lớp biên, Máy thủy khí (Ch. 8 - 10)|
|  5. Dòng chuyên sâu: Kênh hở & Dòng khí nén (Chương 11 - 13)               |
+-----------------------------------------------------------------------------+

Mục tiêu học tập của giáo trình tập trung vào việc trang bị cho người học phương pháp tiếp cận có hệ thống nhằm giải quyết các bài toán chuyển động và cân bằng của lưu chất. Sinh viên được rèn luyện khả năng thiết lập mô hình từ các định luật vật lý cơ bản, phát biểu rõ ràng các giả thiết đơn giản hóa, thực hiện biến đổi toán học và liên hệ kết quả thu được với các hiện tượng thực tế.

Cấu trúc giáo trình được tổ chức tuần tự: bắt đầu từ các khái niệm nền tảng và phương pháp thể tích kiểm soát hữu hạn, mở rộng sang dạng vi phân của các định luật chuyển động, tiếp nối bằng phân tích thứ nguyên và các bài toán kỹ thuật ứng dụng như dòng chảy trong ống, dòng qua vật thể, máy thủy khí, dòng kênh hở và dòng chất khí nén được. Điểm đặc sắc của ấn bản này là quy trình giải toán chuẩn hóa Fox-McDonald-Pritchard, việc tích hợp 51 bảng tính Microsoft Excel để khảo sát ảnh hưởng của các thông số đầu vào, hệ thống video thực nghiệm kinh điển của Ủy ban Quốc gia về Phim Cơ học Chất lưu (NCFMF) và các nghiên cứu điển hình về năng lượng tái tạo.

---

Nội dung kiến thức cốt lõi

Các chương và chủ đề chính

• Chương 1 đến Chương 3 (Tổng quan, Khái niệm cơ bản và Thủy tĩnh học): Thiết lập định nghĩa chất lưu dựa trên ứng suất cắt, giả thuyết môi trường liên tục (Continuum), trường vận tốc, các khái niệm đường dòng (streamline), quỹ đạo (pathline), đường vết (streakline) và dòng thời gian (timeline). Trình bày bản chất của độ nhớt (chất lưu Newton và phi Newton), phương trình cơ bản của thủy tĩnh học, phân bố áp suất trong khí quyển tiêu chuẩn và phương pháp xác định lực thủy tĩnh tác dụng lên bề mặt phẳng hoặc cong chìm trong chất lỏng.
• Chương 4 (Phương trình cơ bản dạng tích phân cho thể tích kiểm soát): Thiết lập mối liên hệ giữa đạo hàm hệ thống và mô hình thể tích kiểm soát (Định lý vận chuyển Reynolds). Ứng dụng định luật bảo toàn khối lượng, định luật II Newton (phương trình động lượng cho thể tích kiểm soát quán tính và gia tốc thẳng), nguyên lý mômen động lượng và hai định luật nhiệt động lực học vào phân tích dòng lưu chất.
• Chương 5 và Chương 6 (Phân tích vi phân và Dòng chảy không ma sát không nén được): Phát triển phương trình bảo toàn khối lượng vi phân trong tọa độ Descartes và tọa độ trụ, hàm dòng cho dòng hai chiều, động học vi phân của phần tử chất lưu (chuyển động tịnh tiến, quay và biến dạng), thiết lập phương trình Navier-Stokes cho chất lưu Newton. Giới thiệu nhập môn động lực học chất lưu tính toán (CFD) sử dụng phương pháp sai phân hữu hạn. Chương 6 phát triển phương trình Euler, tích phân phương trình Euler dọc theo đường dòng để suy ra phương trình Bernoulli, phân tích đường đo áp (HGL), đường tổng năng lượng (EGL) và dòng không xoáy (hàm thế vận tốc, phương trình Laplace, sự chồng chất các dòng phẳng cơ bản).
• Chương 7 (Phân tích thứ nguyên và Sự tương tự): Trình bày Định lý Pi của Buckingham, quy trình xác định các nhóm thông số không thứ nguyên (số Reynolds, số Froude, số Mach, số Euler) và các nguyên lý tương tự hình học, động học, động lực học trong nghiên cứu thực nghiệm với mô hình thu nhỏ.
• Chương 8 và Chương 9 (Dòng chảy nhớt không nén được: Nội quan và Ngoại quan): Phân tích dòng chảy tầng và dòng chảy rối phát triển hoàn toàn trong ống dẫn tròn và tấm phẳng song song; tính toán tổn thất cột áp (tổn thất dọc đường qua hệ số ma sát Moody và tổn thất cục bộ qua phụ kiện); phân tích hệ thống đường ống đơn và mạng lưới phân nhánh. Chương 9 trình bày lý thuyết lớp biên, phương trình tích phân động lượng von Kármán, lực cản ma sát, lực cản áp suất và hiện tượng phân ly dòng chảy quanh vật thể ngập (hình trụ, hình cầu, cánh biên dạng khí động học).
• Chương 10 (Máy thủy khí): Khảo sát phương trình Euler cho máy thủy khí, biểu đồ tam giác vận tốc, các quy luật tương tự và tốc độ đặc trưng ($N_s$). Trình bày đặc tính vận hành, điểm làm việc và hiện tượng xâm thực (NPSH) của bơm ly tâm, bơm thể tích, quạt, tuabin thủy lực, cánh quạt, tuabin gió trục ngang và trục đứng (VAWTs), cùng máy thủy khí dòng nén được.
• Chương 11 đến Chương 13 (Dòng kênh hở và Dòng khí nén): Chương 11 xử lý dòng kênh hở, số Froude, năng lượng riêng, độ sâu tới hạn, hiện tượng bước nhảy thủy lực, phương trình Manning cho dòng đều và phương pháp đo lưu lượng bằng đập tràn. Chương 12 và 13 khảo sát dòng khí nén một chiều đẳng entropy qua ống phun thu hẹp - mở rộng, sóng kích bình thường, sóng kích nghiêng, sóng giãn nở Prandtl-Meyer, dòng đoạn nhiệt có ma sát (đường Fanno) và dòng trao đổi nhiệt không ma sát (đường Rayleigh).

Kiến thức nền tảng được xây dựng

Giáo trình xây dựng hệ thống lý thuyết dựa trên các nguyên lý bảo toàn của cơ học cổ điển và nhiệt động lực học:

• Lý thuyết môi trường liên tục: Định nghĩa các thuộc tính vi mô qua giới hạn thể tích nhỏ nhất $\delta V'$, giúp các đại lượng như khối lượng riêng ($\rho$), vận tốc ($\vec{V}$), áp suất ($p$) biến thiên liên tục trong không gian và thời gian.
• Khung mô tả Euler: Xem các thông số dòng chảy là hàm của tọa độ không gian $(x, y, z)$ và thời gian $t$, tách biệt với cách tiếp cận theo dõi từng chất điểm của cơ học Lagrange.
• Hệ phương trình điều khiển: Xây dựng cầu nối toán học chặt chẽ giữa dạng vi phân cục bộ (phương trình Navier-Stokes, phương trình Euler) và dạng tích phân thể tích kiểm soát (phương trình Reynolds) cho các định luật bảo toàn khối lượng, động lượng và năng lượng.

Kỹ năng phát triển

Thông qua nội dung của 13 chương và hệ thống phụ lục, người học phát triển các kỹ năng chuyên môn:

• Kỹ năng kỹ thuật: Tính toán tổn thất áp suất và công suất yêu cầu trong mạng lưới đường ống công nghiệp; xác định điểm làm việc của bơm/quạt ghép nối với hệ thống; tính toán lực nâng và lực cản tác dụng lên kết cấu công trình hoặc phương tiện di chuyển; xác định thông số dòng khí nén qua ống phun và qua sóng kích.
• Kỹ năng phân tích: Sử dụng phân tích thứ nguyên để quy hoạch ma trận thí nghiệm; thực hiện phân tích tham số ("what-if") thông qua bảng tính Excel; đánh giá độ bất định của dữ liệu đo lường theo tiêu chuẩn phân tích sai số thực nghiệm (Appendix F).
• Năng lực tính toán số: Thiết lập và giải hệ phương trình vi phân mô tả chuyển động chất lưu 1D/2D đơn giản bằng thuật toán Euler và phương pháp sai phân hữu hạn (Finite-Difference Method).

---

Phương pháp giảng dạy và học tập

+-----------------------------------------------------------------------------+
|             QUY TRÌNH 10 BƯỚC GIẢI TOÁN FOX-MCDONALD-PRITCHARD              |
+-----------------------------------------------------------------------------+
|  [Bước 1]  Tóm tắt dữ kiện đã cho (Given)                                  |
|  [Bước 2]  Xác định đại lượng cần tìm (Find)                                |
|  [Bước 3]  Vẽ sơ đồ hệ thống / thể tích kiểm soát & hệ trục tọa độ         |
|  [Bước 4]  Thiết lập các phương trình điều khiển cơ bản                     |
|  [Bước 5]  Liệt kê các giả thiết đơn giản hóa                               |
|  [Bước 6]  Biến đổi toán học đại số thành phương trình tính toán            |
|  [Bước 7]  Tra cứu thông số vật lý và trích dẫn nguồn dữ liệu              |
|  [Bước 8]  Thế giá trị số cùng đơn vị nhất quán để tính kết quả            |
|  [Bước 9]  Kiểm tra số chữ số có nghĩa và tính hợp lý của giả thiết        |
|  [Bước 10] Kết luận và ghi rõ đơn vị đo lường                               |
+-----------------------------------------------------------------------------+

Phương pháp sư phạm của giáo trình tập trung vào việc loại bỏ thói quen áp dụng công thức máy móc ("plug-and-chug"). Mọi ví dụ mẫu (Examples) trong giáo trình đều được cấu trúc nhất quán theo quy trình chuẩn hóa:

1. Trình bày tóm tắt dữ kiện đề bài (Given).
2. Xác định rõ ràng mục tiêu cần tính toán (Find).
3. Vẽ sơ đồ ranh giới hệ thống hoặc thể tích kiểm soát, gán hệ trục tọa độ tương ứng.
4. Thiết lập các phương trình định luật cơ bản thích hợp.
5. Liệt kê chi tiết các giả thiết đơn giản hóa kèm lập luận vật lý.
6. Thực hiện các bước biến đổi đại số để thu được biểu thức cuối cùng trước khi thay số.
7. Tra cứu tính chất vật lý (dẫn xuất từ Appendix A) và thay thế giá trị số với hệ đơn vị đồng nhất.
8. Kiểm tra tính nhất quán thứ nguyên, làm tròn theo quy tắc chữ số có nghĩa (mặc định 3 chữ số có nghĩa) và đánh giá lại độ tin cậy của giả thiết ban đầu.

Về mặt bài tập và đánh giá, giáo trình cung cấp 1.705 bài toán cuối chương được phân nhóm cụ thể theo từng tiểu mục lý thuyết với độ khó tăng dần. Khoảng 25% các câu hỏi phụ được thiết kế theo dạng phân tích biến thiên tham số. Bên cạnh đó, các bài toán thiết kế mở (Design Problems) và câu hỏi định tính (Open-Ended Problems) được tích hợp nhằm phục vụ hình thức học tập theo nhóm, thay thế hoặc bổ trợ cho các bài thí nghiệm vật lý tại phòng thực hành.

Đối với môi trường kỹ thuật số, hệ thống học tập trực tuyến WileyPLUS cung cấp các bài hướng dẫn trực tuyến (Guided Online Tutorials), hệ thống câu hỏi trắc nghiệm khái niệm (Concept Questions) do Jay Martin và John Mitchell (Đại học Wisconsin-Madison) biên soạn, cùng bộ đề thi mẫu chuẩn FE (Fundamentals of Engineering Exam). Sinh viên tự học có thể sử dụng phần đáp án bài tập số lẻ (Answers to Selected Problems) ở cuối sách, tệp hướng dẫn Excel (Appendix H) và hệ thống video mô phỏng để tự kiểm tra mức độ nắm bắt kiến thức.

---

Điểm nổi bật và cập nhật của Tái bản lần thứ 8

Tái bản lần thứ 8 có những cập nhật và cấu trúc lại nội dung so với các ấn bản tiền nhiệm:

+-----------------------------------------------------------------------------+
|                  CÁC THAY ĐỔI CỐT LÕI TRONG TÁI BẢN LẦN THỨ 8               |
+-----------------------------------------------------------------------------+
|  * Case Studies Mới: Tập trung vào Năng lượng Tái tạo & Môi trường          |
|    - Năng lượng gió: Hệ thống diều KiteGen, máy phát điện Sky Windpower      |
|    - Năng lượng đại dương: Sóng, thủy triều Fundy, OTEC, gradient nồng độ muối|
|  * Tái cấu trúc Chương 10 (Fluid Machinery): Bơm/quạt -> Tuabin -> VAWTs    |
|  * Tái cấu trúc Chương 11 & 13: Xử lý hiệu ứng cục bộ & Sóng kích trước      |
|  * Ngân hàng bài tập: 1.705 bài toán (bổ sung/sửa đổi 518 bài toán mới)      |
|  * Kỹ thuật số & CFD: 51 bài tập Excel 'what-if', tích hợp video NCFMF mới   |
+-----------------------------------------------------------------------------+

• Chuyên mục Case Studies in Energy and the Environment: Mỗi chương được mở đầu bằng một nghiên cứu tình huống thực tế về các giải pháp năng lượng sạch. Tiêu biểu như công nghệ khai thác năng lượng gió tầm cao (hệ thống cánh diều điều khiển mặt đất KiteGen, thiết bị bay phát điện Sky Windpower ở độ cao 10.000 m) hay các hình thức khai thác năng lượng biển (năng lượng sóng, thủy triều tại Vịnh Fundy với biên độ 17 m, chuyển đổi nhiệt năng đại dương OTEC và năng lượng gradient nồng độ muối). Các case study từ ấn bản cũ được chuyển dịch về cuối chương để giữ tính liên tục của bài đọc.
• Tái cấu trúc nội dung Máy thủy khí (Chương 10): Trình bày có hệ thống theo trình tự: máy sinh công lên chất lưu (bơm, quạt) được đưa lên trước, tiếp theo là máy nhận công từ chất lưu (tuabin thủy lực). Cánh quạt và tuabin gió được gộp chung để đối chiếu nguyên lý khí động học; bổ sung phân tích chuyên sâu cho tuabin gió trục đứng (Vertical Axis Wind Turbines - VAWTs) và phân loại máy thủy khí cho dòng nén được. Dữ liệu thực nghiệm của bơm và quạt trong Phụ lục D được cập nhật hoàn toàn theo danh mục thiết bị công nghiệp mới.
• Điều chỉnh trình tự giảng dạy ở Chương 11 và Chương 13: Trong Chương 11 (Dòng kênh hở), các hiện tượng cục bộ như bước nhảy thủy lực (Hydraulic Jump) và dòng qua vật cản được phân tích trước khi khảo sát dòng đều và dòng biến đổi dần. Trong Chương 13 (Dòng khí nén), hiện tượng sóng kích bình thường (Normal Shocks) được đưa lên trước dòng Fanno (dòng có ma sát) và dòng Rayleigh (dòng có cấp nhiệt) để phù hợp với phân phối thời lượng của các chương trình đại học tiêu chuẩn.
• Mở rộng công cụ số và hệ thống bài tập: Bổ sung phần hướng dẫn phương pháp số/CFD trong Chương 5 sử dụng bảng tính để giải các bài toán dòng chảy một và hai chiều. Hệ thống bài tập bổ sung và sửa đổi 518 bài mới (tổng số đạt 1.705 bài), cập nhật đường dẫn liên kết kho video NCFMF của Giáo sư Ascher Shapiro (MIT) kèm các video ngắn minh họa hiện tượng trong biên độ thời gian 30 giây đến 2 phút.

---

Đối tượng sử dụng giáo trình

Giáo trình được biên soạn phục vụ các nhóm đối tượng cụ thể trong đào tạo và nghiên cứu kỹ thuật:

• Sinh viên đại học: Giáo trình phù hợp cho sinh viên năm thứ ba hoặc năm thứ tư thuộc các ngành kỹ thuật. Để tiếp thu giáo trình, sinh viên cần hoàn thành các học phần tiên quyết (Prerequisites) bao gồm: Giải tích (tích phân, vi phân và phương trình vi phân cơ bản), Tĩnh học và Động lực học vật rắn, cùng học phần Nhiệt động lực học cơ sở.
• Giảng viên: Tài liệu cung cấp giải pháp giảng dạy với hệ thống bài giảng điện tử PowerPoint (soạn bởi Philip Pritchard), ngân hàng toàn bộ hình ảnh và sơ đồ kỹ thuật chất lượng cao (Image Gallery), đề cương khóa học mẫu tùy biến trên WileyPLUS và Sổ tay giải bài tập (Solutions Manual) trình bày chi tiết từng bước cho 100% bài tập trong sách.
• Kỹ sư thực hành và người tự học: Với tính chi tiết trong các bước dẫn xuất lý thuyết, đi kèm bảng tra cứu tính chất nhiệt vật lý của các loại lưu chất (Phụ lục A), đường đặc tính bơm/quạt (Phụ lục D), hàm tính toán dòng khí nén (Phụ lục E) và các chuyển đổi đơn vị chi tiết giữa hệ SI và hệ đo lường kỹ thuật Anh (Phụ lục G), giáo trình đóng vai trò là tài liệu tham khảo kỹ thuật trong công tác thiết kế hệ thống nhiệt - thủy lực.

---

Câu hỏi thường gặp

1. Giáo trình này phù hợp với đối tượng người học nào?

Giáo trình được thiết kế cho các khóa học cơ học chất lưu cơ sở và nâng cao (kéo dài 1 đến 2 học kỳ) dành cho sinh viên đại học năm thứ ba hoặc năm thứ tư các ngành Kỹ thuật Cơ khí, Hàng không, Xây dựng, Môi trường, Hóa học và Năng lượng.

2. Cần chuẩn bị những kiến thức nền tảng nào trước khi học?

Người học cần có kiến thức nền tảng vững chắc về Động lực học vật rắn, Giải tích toán học (bao gồm đạo hàm riêng, tích phân đường/mặt và phương trình vi phân). Kiến thức về Nhiệt động lực học kỹ thuật là điều kiện bắt buộc khi học các chương liên quan đến bảo toàn năng lượng và dòng khí nén (Chương 4, 12, 13).

3. Điểm khác biệt căn bản trong phương pháp giải bài toán của Fox-McDonald là gì?

Phương pháp của giáo trình yêu cầu người học luôn bắt đầu từ các định luật vật lý nền tảng (bảo toàn khối lượng, định luật II Newton, các định luật nhiệt động lực học), thiết lập rõ ràng ranh giới thể tích kiểm soát, liệt kê tường minh các giả thiết đơn giản hóa, giải biểu thức ở dạng đại số rồi mới thế giá trị số và kiểm tra đơn vị. Phương pháp này hạn chế tối đa việc tra cứu và áp dụng các "công thức sẵn có" thiếu kiểm chứng.

4. Làm sao để tự học giáo trình này đạt hiệu quả cao?

Người học nên đọc lướt một lượt để nắm cấu trúc chương, sau đó đọc kỹ từng dẫn xuất toán học gắn với các ví dụ mẫu (Examples). Thực hành giải lại các ví dụ trên bảng tính Excel (sử dụng 51 tệp mẫu đi kèm sách) để hiểu rõ ảnh hưởng của các biến số, sau đó tự làm các bài tập số lẻ cuối chương và đối chiếu kết quả với phần Answers to Selected Problems ở cuối sách.

5. Giáo trình có những tài liệu và công cụ bổ trợ nào đi kèm?

Giáo trình đi kèm hệ thống tài nguyên gồm:

• 51 bảng tính Excel mẫu khảo sát tham số hiện tượng dòng chảy.
• Hệ thống video thực nghiệm NCFMF của Giáo sư Ascher Shapiro và các đoạn phim trực quan hóa dòng chảy hiện đại (liệt kê tại Phụ lục C).
• Các chuyên đề bổ trợ nâng cao lưu trữ trên website của nhà xuất bản (được đánh dấu ký hiệu /W- trong mục lục như dòng chất lỏng chuyển động khối rắn, sóng nổ, phân tích lớp biên tấm phẳng giải tích).
• Nền tảng học tập trực tuyến tương tác WileyPLUS chứa ngân hàng câu hỏi trắc nghiệm khái niệm và đề luyện thi FE.

---

Kết luận

Fox and McDonald’s Introduction to Fluid Mechanics (Eighth Edition) thiết lập một chuẩn mực học thuật rõ ràng trong việc giảng dạy cơ học chất lưu ở bậc đại học. Giá trị cốt lõi của giáo trình thể hiện ở tính chặt chẽ trong phương pháp luận phân tích thể tích kiểm soát và vi phân, việc chuẩn hóa kỹ năng giải quyết vấn đề của kỹ sư và khả năng kết nối giữa lý thuyết giải tích với công cụ phân tích số.

+-----------------------------------------------------------------------------+
|                          LỘ TRÌNH HỌC TẬP ĐỀ XUẤT                           |
+-----------------------------------------------------------------------------+
|  Giai đoạn 1: Nền tảng tĩnh học & Môi trường liên tục (Chương 1 - 3)        |
|  Giai đoạn 2: Phương pháp thể tích kiểm soát dạng tích phân (Chương 4)      |
|  Giai đoạn 3: Phân tích vi phân & Dòng thế lý tưởng (Chương 5 - 6)          |
|  Giai đoạn 4: Phân tích thứ nguyên & Dòng nhớt thực nghiệm (Chương 7 - 9)   |
|  Giai đoạn 5: Máy thủy khí, Dòng kênh hở & Dòng khí nén (Chương 10 - 13)    |
+-----------------------------------------------------------------------------+

Lộ trình học tập đề xuất bắt đầu từ việc nắm vững phân tích tích phân thể tích kiểm soát (Chương 4), làm chủ phân tích vi phân (Chương 5, 6), ứng dụng phân tích thứ nguyên (Chương 7) và tiến đến các bài toán kỹ thuật chuyên sâu về dòng nội quan, dòng ngoại quan, máy thủy khí, kênh hở và khí nén (Chương 8 - 13). Việc kết hợp đồng bộ giữa giáo trình in, hệ thống bảng tính Excel mẫu, kho video thực nghiệm NCFMF và nền tảng WileyPLUS tạo nên một cấu trúc học tập hoàn chỉnh, đáp ứng đầy đủ yêu cầu khắt khe của các chương trình đào tạo kỹ thuật hiện đại.

Trích đoạn nội dung tài liệu

com This file won't load/read correctly in Adobe products (reader or editor). PDF-XChange Viewer from Tracker Software is recommended (freeware).com/product/pdf-xchange-viewer) This page intentionally left blank www. accessible, affordable, PLUS active learning www.com WileyPLUS is an innovative, research-based, online environment for effective teaching and learning.motivates students with .supports instructors with confidence-boosting reliable resources that feedback and proof of reinforce course goals progress, 24/7. inside and outside of the classroom.

Includes Interactive Textbook & Resources WileyPLUS. Learn More, www.com WILEY + PLUS www.com ALL THE HELP, RESOURCES, AND PERSONAL SUPPORT YOU AND YOUR STUDENTS NEED! www.com/resources 2-Minute Tutorials and all Student support from an Collaborate with your colleagues, of the resources you & your experienced student user. find a mentor, attend virtual and live students need to get started. events, and view resources.com Pre-loaded, ready-to-use Technical Support 2-4/7 Your WileyPLUS Account Manager.

assignments and presentations. FAQs, online chat, Personal training and Created by subject matter experts. and phone support.com/support www.com Fox and McDonald’s INTRODUCTION TO FLUID MECHANICS EIGHTH EDITION PHILIP J. PRITCHARD Manhattan College With special contributions from: JOHN C.

LEYLEGIAN Manhattan College JOHN WILEY & SONS, INC.com VICE PRESIDENT AND EXECUTIVE PUBLISHER Don Fowley ASSOCIATE PUBLISHER Daniel Sayre AQUISITIONS EDITOR Jennifer Welter EDITORIAL ASSISTANT Alexandra Spicehandler MARKETING MANAGER Christopher Ruel MEDIA EDITOR Elena Santa Maria CREATIVE DIRECTOR Harold Nolan SENIOR DESIGNER Kevin Murphy SENIOR ILLUSTRATION EDITOR Anna Melhorn PHOTO EDITOR Sheena Goldstein PRODUCTION MANAGER Dorothy Sinclair SENIOR PRODUCTION EDITOR Trish McFadden PRODUCTION MANAGEMENT SERVICES MPS Limited, A Macmillan Company COVER DESIGN Wendy Lai COVER PHOTO rsupertramp/iStockphoto CFD simulation image courtesy of Symscape at www.com CHAPTER OPENING PHOTO Dr. Charles O’Neill, Oklahoma State University This book was set in Times Roman by MPS Limited, A Macmillan Company and printed and bound by R. The cover was printed by R. This book is printed on acid-free paper.

Copyright r 2011 John Wiley & Sons, Inc. 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, scanning, or otherwise, except as permitted under Sections 107 or 108 of the 1976 United States Copyright Act, without either the prior written permission of the Publisher, or authorization through payment of the appropriate per-copy fee to the Copyright Clearance Center, Inc., 222 Rosewood Drive, Danvers, MA 01923, [phone], fax [phone] or on the web at www. Requests to the Publisher for permission should be addressed to the Permissions Department, John Wiley & Sons, Inc., 111 River Street, Hoboken, NJ 07030-5774, [phone], fax [phone], or online at http://www.com/go/permissions.

Evaluation copies are provided to qualified academics and professionals for review purposes only, for use in their courses during the next academic year. These copies are licensed and may not be sold or transferred to a third party. Upon completion of the review period, please return the evaluation copy to Wiley. Return instructions and a free of charge return shipping label are available at www.com/go/returnlabel.

Outside of the United States, please contact your local representative. ISBN-13 9780470547557 ISBN-10 0470547553 Printed in the United States of America 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 www.com Contents CHAPTER 1 INTRODUCTION /1 1.1 Note to Students /3 1.2 Scope of Fluid Mechanics /4 1.3 Definition of a Fluid /4 1.5 Methods of Analysis /6 System and Control Volume /7 Differential versus Integral Approach /8 Methods of Description /9 1.6 Dimensions and Units /11 Systems of Dimensions /11 Systems of Units /11 Preferred Systems of Units /13 Dimensional Consistency and “Engineering” Equations /14 1.7 Analysis of Experimental Error /15 1.8 Summary /16 Problems /17 CHAPTER 2 FUNDAMENTAL CONCEPTS /20 2.1 Fluid as a Continuum /21 2.2 Velocity Field /23 One-, Two-, and Three-Dimensional Flows /24 Timelines, Pathlines, Streaklines, and Streamlines /25 2.4 Viscosity /31 Newtonian Fluid /32 Non-Newtonian Fluids /34 2.6 Description and Classification of Fluid Motions /38 Viscous and Inviscid Flows /38 Laminar and Turbulent Flows /41 Compressible and Incompressible Flows /42 Internal and External Flows /43 2.7 Summary and Useful Equations /44 v www.com vi Contents References /46 Problems /46 CHAPTER 3 FLUID STATICS /55 3.1 The Basic Equation of Fluid Statics /56 3.2 The Standard Atmosphere /60 3.3 Pressure Variation in a Static Fluid /61 Incompressible Liquids: Manometers /61 Gases /66 3.5 Hydrostatic Force on Submerged Surfaces /69 Hydrostatic Force on a Plane Submerged Surface /69 Hydrostatic Force on a Curved Submerged Surface /76 *3.6 Buoyancy and Stability /80 3.7 Fluids in Rigid-Body Motion (on the Web) /W-1 3.8 Summary and Useful Equations /83 References /84 Problems /84 CHAPTER 4 BASIC EQUATIONS IN INTEGRAL FORM FOR A CONTROL VOLUME /96 4.1 Basic Laws for a System /98 Conservation of Mass /98 Newton’s Second Law /98 The Angular-Momentum Principle /99 The First Law of Thermodynamics /99 The Second Law of Thermodynamics /99 4.2 Relation of System Derivatives to the Control Volume Formulation /100 Derivation /101 Physical Interpretation /103 4.3 Conservation of Mass /104 Special Cases /105 4.4 Momentum Equation for Inertial Control Volume /110 *Differential Control Volume Analysis /122 Control Volume Moving with Constant Velocity /126 4.5 Momentum Equation for Control Volume with Rectilinear Acceleration /128 4.6 Momentum Equation for Control Volume with Arbitrary Acceleration (on the Web) /W-6 *4.7 The Angular-Momentum Principle /135 Equation for Fixed Control Volume /135 Equation for Rotating Control Volume (on the Web) /W-11 4.8 The First Law of Thermodynamics /139 Rate of Work Done by a Control Volume /140 Control Volume Equation /142 4.9 The Second Law of Thermodynamics /146 4.10 Summary and Useful Equations /147 Problems /149 CHAPTER 5 INTRODUCTION TO DIFFERENTIAL ANALYSIS OF FLUID MOTION /171 5.1 Conservation of Mass /172 Rectangular Coordinate System /173 Cylindrical Coordinate System /177 *5.2 Stream Function for Two-Dimensional Incompressible Flow /180 5.3 Motion of a Fluid Particle (Kinematics) /184 Fluid Translation: Acceleration of a Fluid Particle in a Velocity Field /185 Fluid Rotation /190 Fluid Deformation /194 5.4 Momentum Equation /197 Forces Acting on a Fluid Particle /198 Differential Momentum Equation /199 Newtonian Fluid: Navier Stokes Equations /199 www.com Contents vii *5.5 Introduction to Computational Fluid Dynamics /208 The Need for CFD /208 Applications of CFD /209 Some Basic CFD/Numerical Methods Using a Spreadsheet /210 The Strategy of CFD /215 Discretization Using the Finite-Difference Method /216 Assembly of Discrete System and Application of Boundary Conditions /217 Solution of Discrete System /218 Grid Convergence /219 Dealing with Nonlinearity /220 Direct and Iterative Solvers /221 Iterative Convergence /222 Concluding Remarks /223 5.6 Summary and Useful Equations /224 References /226 Problems /226 CHAPTER 6 INCOMPRESSIBLE INVISCID FLOW /235 6.1 Momentum Equation for Frictionless Flow: Euler’s Equation /237 6.2 Euler’s Equations in Streamline Coordinates /238 6.3 Bernoulli Equation—Integration of Euler’s Equation Along a Streamline for Steady Flow /241 *Derivation Using Streamline Coordinates /241 *Derivation Using Rectangular Coordinates /242 Static, Stagnation, and Dynamic Pressures /244 Applications /247 Cautions on Use of the Bernoulli Equation /252 6.4 The Bernoulli Equation Interpreted as an Energy Equation /253 6.5 Energy Grade Line and Hydraulic Grade Line /257 *6.6 Unsteady Bernoulli Equation: Integration of Euler’s Equation Along a Streamline (on the Web) /W-16 *6.7 Irrotational Flow /259 Bernoulli Equation Applied to Irrotational Flow /260 Velocity Potential /261 Stream Function and Velocity Potential for Two-Dimensional, Irrotational, Incompressible Flow: Laplace’s Equation /262 Elementary Plane Flows /264 Superposition of Elementary Plane Flows /267 6.8 Summary and Useful Equations /276 References /279 Problems /279 CHAPTER 7 DIMENSIONAL ANALYSIS AND SIMILITUDE /290 7.1 Nondimensionalizing the Basic Differential Equations /292 7.2 Nature of Dimensional Analysis /294 7.3 Buckingham Pi Theorem /296 7.4 Determining the Π Groups /297 7.5 Significant Dimensionless Groups in Fluid Mechanics /303 7.6 Flow Similarity and Model Studies /305 Incomplete Similarity /308 Scaling with Multiple Dependent Parameters /314 Comments on Model Testing /317 7.7 Summary and Useful Equations /318 References /319 Problems /320 CHAPTER 8 INTERNAL INCOMPRESSIBLE VISCOUS FLOW /328 8.1Introduction /330 Laminar versus Turbulent Flow /330 The Entrance Region /331 PART A. FULLY DEVELOPED LAMINAR FLOW /332 www.com viii Contents 8.2 Fully Developed Laminar Flow between Infinite Parallel Plates /332 Both Plates Stationary /332 Upper Plate Moving with Constant Speed, U /338 8.3 Fully Developed Laminar Flow in a Pipe /344 PART B. FLOW IN PIPES AND DUCTS /348 8.4 Shear Stress Distribution in Fully Developed Pipe Flow /349 8.5 Turbulent Velocity Profiles in Fully Developed Pipe Flow /351 8.6 Energy Considerations in Pipe Flow /353 Kinetic Energy Coefficient /355 Head Loss /355 8.7 Calculation of Head Loss /357 Major Losses: Friction Factor /357 Minor Losses /361 Pumps, Fans, and Blowers in Fluid Systems /367 Noncircular Ducts /368 8.8 Solution of Pipe Flow Problems /369 Single-Path Systems /370 *Multiple-Path Systems /383 PART C.10 Restriction Flow Meters for Internal Flows /387 The Orifice Plate /391 The Flow Nozzle /391 The Venturi /393 The Laminar Flow Element /394 8.11 Linear Flow Meters /397 8.13 Summary and Useful Equations /400 References /402 Problems /403 CHAPTER 9 EXTERNAL INCOMPRESSIBLE VISCOUS FLOW /421 PART A.1 The Boundary-Layer Concept /423 9.2 Boundary-Layer Thicknesses /425 9.3 Laminar Flat-Plate Boundary Layer: Exact Solution (on the Web) /W-19 9.4 Momentum Integral Equation /428 9.5 Use of the Momentum Integral Equation for Flow with Zero Pressure Gradient /433 Laminar Flow /434 Turbulent Flow /439 Summary of Results for Boundary-Layer Flow with Zero Pressure Gradient /441 9.6 Pressure Gradients in Boundary-Layer Flow /442 PART B.

FLUID FLOW ABOUT IMMERSED BODIES /445 9.7 Drag /445 Pure Friction Drag: Flow over a Flat Plate Parallel to the Flow /446 Pure Pressure Drag: Flow over a Flat Plate Normal to the Flow /450 Friction and Pressure Drag: Flow over a Sphere and Cylinder /450 Streamlining /456 9.9 Summary and Useful Equations /474 References /477 Problems /478 CHAPTER 10 FLUID MACHINERY /492 10.1 Introduction and Classification of Fluid Machines /494 Machines for Doing Work on a Fluid /494 Machines for Extracting Work (Power) from a Fluid /496 Scope of Coverage /498 10.2 Turbomachinery Analysis /499 The Angular-Momentum Principle: The Euler Turbomachine Equation /499 Velocity Diagrams /501 www.com Contents ix Performance: Hydraulic Power /504 Dimensional Analysis and Specific Speed /505 10.3 Pumps, Fans, and Blowers /510 Application of Euler Turbomachine Equation to Centrifugal Pumps /510 Application of the Euler Equation to Axial Flow Pumps and Fans /512 Performance Characteristics /516 Similarity Rules /522 Cavitation and Net Positive Suction Head /526 Pump Selection: Applications to Fluid Systems /529 Blowers and Fans /541 10.4 Positive Displacement Pumps /548 10.5 Hydraulic Turbines /552 Hydraulic Turbine Theory /552 Performance Characteristics for Hydraulic Turbines /554 Sizing Hydraulic Turbines for Fluid Systems /558 10.6 Propellers and Wind-Power Machines /562 Propellers /563 Wind-Power Machines /571 10.7 Compressible Flow Turbomachines /581 Application of the Energy Equation to a Compressible Flow Machine /581 Compressors /582 Compressible-Flow Turbines /586 10.8 Summary and Useful Equations /586 References /589 Problems /591 CHAPTER 11 FLOW IN OPEN CHANNELS /600 11.1 Basic Concepts and Definitions /603 Simplifying Assumptions /604 Channel Geometry /605 Speed of Surface Waves and the Froude Number /606 11.2 Energy Equation for Open-Channel Flows /610 Specific Energy /613 Critical Depth: Minimum Specific Energy /616 11.3 Localized Effect of Area Change (Frictionless Flow) /619 Flow over a Bump /620 11.4 The Hydraulic Jump /625 Depth Increase Across a Hydraulic Jump /627 Head Loss Across a Hydraulic Jump /628 11.5 Steady Uniform Flow /631 The Manning Equation for Uniform Flow /633 Energy Equation for Uniform Flow /639 Optimum Channel Cross Section /640 11.6 Flow with Gradually Varying Depth /641 Calculation of Surface Profiles /643 11.7 Discharge Measurement Using Weirs /646 Suppressed Rectangular Weir /646 Contracted Rectangular Weirs /647 Triangular Weir /648 Broad-Crested Weir /648 11.8 Summary and Useful Equations /650 References /652 Problems /653 CHAPTER 12 INTRODUCTION TO COMPRESSIBLE FLOW /657 12.1 Review of Thermodynamics /659 12.2 Propagation of Sound Waves /665 Speed of Sound /665 Types of Flow—The Mach Cone /670 12.3 Reference State: Local Isentropic Stagnation Properties /673 Local Isentropic Stagnation Properties for the Flow of an Ideal Gas /674 www.5 Summary and Useful Equations /681 References /683 Problems /683 CHAPTER 13 COMPRESSIBLE FLOW /689 13.1 Basic Equations for One-Dimensional Compressible Flow /691 13.