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流體力學究竟在說什麼?:簡單讀懂流體力學的奧妙

流體力學究竟在說什麼?:簡單讀懂流體力學的奧妙

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9789579036214
王曉剛
樂果文化
2020年1月22日
150.00  元
HK$ 127.5
省下 $22.5
 
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ISBN:9789579036214
  • 叢書系列:樂科普
  • 規格:平裝 / 421頁 / 19 x 25 x 2.1 cm / 普通級 / 單色印刷 / 初版
  • 出版地:台灣
    樂科普


  • 自然科普 > 物理/化學 > 物理/化學理論











    這是一本以學生之觀點撰寫的教科書

    是工程與技職科系學生克服學習流體力學恐懼症的工具



    這是一本比科普更深入更人性化的案頭書

    期許一般大眾領略大自然力量與奧妙並讚嘆歷史長河中人類的智慧



      流體力學對於理工科系學生而言,似乎都是艱深的一門課,被「當」者大有人在,普通人更只能望其項背,而失去認識大自然的機會,殊為可惜,因為人類無論了解大自然與否,時時刻刻都生活在流體的世界中,不了解它就受其肆虐,了解它 就為我們應用造福人類,也許就是達到中國人所謂之天人合一境界吧!



      流體力學並不難學,「順藤摸瓜、循序漸進」,從日常生活及大自然中觀察、比較,建立正確之基本觀念,加上一些邏輯分析與判斷來學習,就可領略流體的奧妙,令人生畏的數學只是描述其美麗的工具而已。



      本書跳出一般中英文教科書定理、公式、證明等見樹不見林之枯燥窠臼,尤其多年來與學生之教學相長中體會到學生學習的困難與盲點,以更簡單、更人性的方法解釋看似抽象的流體世界。

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    ☆ 1。1 前言 .......................................................... 2

    ☆ 1。2 流體力學回顧 .................................................. 5

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    第1 流體特性簡介?? 14

    ☆ 1.1 因次(dimensions)與單位(units).............................. 16

    ☆ 1.2 流體之特性- 黏滯力(viscous force)與黏性(stickiness)............. 21

    ☆ 1.3 牛頓黏滯力方程式應用: 平板流體 - 庫耶(couette)流場.......... 36

    ☆ 1.4 黏滯係數之測量 ............................................... 38

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    第2 流體靜力學(Fluid statics) 46

    ☆ 2.1 流體內壓力分佈(pressure distribution).......................... 49

    ☆ 2.2 壓力之表示與測量............................................. 63

    ☆ 2.3 平板潛體之液體靜壓........................................... 83

    ☆ 2.4 曲面潛體之液體靜壓........................................... 93

    ☆ 2.5 浮力(buoyancy).............................................. 96

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    第3 基本流體動力學- 伯努力方程式(Bernoulli equation) 114

    ☆ 3.1 流體沿流線方向力之平衡- 伯努力方程式........................ 118

    ☆ 3.2 流體垂直於流線方向力之平衡.................................. 134

    ☆ 3.3 靜力壓、停滯壓、動能壓、與全壓.............................. 138

    ☆ 3.4 伯努力方程式之應用與影響.................................... 143

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    第4 流體運動學(Fluid Kinematics) 164

    ☆ 4.1 速度場(velocity field)........................................ 168

    ☆ 4.2 加速度場(acceleration field).................................. 175

    ☆ 4.3 控制容積(control volume)與系統(system)表示法.............. 181

    ☆ 4.4 雷諾轉換定理(Reynolds transport theorem,RTT).................. 187

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    第5 有限控制容積分析(Finite control volume analysis) 202

    ☆ 5.1 質量守衡 – 連續方程式(continuity equation)................... 205

    ☆ 5.2 牛頓第二定率 – 動量守衡.................................... 212

    ☆ 5.3 能量守衡 ................................................... 218

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    第6 流體微分分析法(Differential analysis) 240

    ☆ 6.1 流體元素運動學(fluid element kinematics)....................... 243

    ☆ 6.2 質量守衡 ................................................... 251

    ☆ 6.3 動量守衡 ................................................... 255

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    第7 管路黏滯流體 282

    ☆ 7.1 管路流體特性 .............................................. 284

    ☆ 7.2 層流(laminar flow) 與紊流(turbulent flow)....................... 288

    ☆ 7.3 管路層流 ................................................... 293

    ☆ 7.4 管路紊流 ................................................... 295

    ☆ 7.5 管路壓力降 - 主要損失....................................... 300

    ☆ 7.6 管路壓力降 - 次要損失....................................... 307

    ☆ 7.7 非圓形管路 .................................................. 312

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    第8 外部流體 (External flows) 322

    ☆ 8.1 流線函數(stream function)與速度勢(velocity potential) .......... 324

    ☆ 8.2 流線函數與速度勢之應用...................................... 330

    ☆ 8.3 外部流體之特性 .............................................. 343

    ☆ 8.4 邊界層理論 .................................................. 352

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    第9 附錄 367

    附錄 ............................................................ 367

    INDEX .......................................................... 404





    前言



      流體力學對於理工科系學生而言,似乎都是艱深的一門課,被「當」者大有人在,普通人更只能望其項背,而失去認識大自然的機會,殊為可惜,因為人類無論了解大自然與否,時時刻刻都生活在流體的世界中,不了解祂就受其肆虐,了解祂就為吾人應用造福人類,也許就是達到中國人所謂之天人合一境界吧。



      雖然是很多學生的夢靨,但其實流體力學並不難學,「順藤摸瓜、循序漸進」,從日常生活及大自然中觀察、比較,建立正確之基本觀念,加上一些邏輯分析與判斷來學習,就可領略流體的奧妙,令人生畏的數學只是描述其美麗的工具而已。本書希望能跳出一般中英文教科書定理、公式、證明等見樹不見林之枯燥窠臼,尤其多年來與學生之教學相長中體會到學生學習的困難與盲點,設身處地,以更簡單、更人性的方法解釋看似抽象的流體世界,就成為寫書之初心,例如巴斯葛定理告訴我們壓力( 場) 是純量( 場),但如何用邏輯推論得出千斤頂能頂起汽車之結果?”1 ”、「溫度」也是純量( 場)( 甚至能量) 為何無法頂起?本書期望提供工程與技職科系學生一另類之學習工具外,更希望對於一般大眾,只要具備普通科學常識,不須深入了解公式,從圖文中就可將其當作科普書籍而一探究竟,領略流體之力量與奧妙。本書文字部分盡量淺白詼諧,以期避免成為讀者之催眠神器,也將複雜數學部分置於附錄,以期閱讀之流暢,教授者可略過較艱深之部分 ( 以 ※ 標示 )。本書未附錄物質特性圖表,讀者需要時可使用網路搜尋所需之資訊。



      本書各章重點如下:



      第一章:介紹工程上之單位與其重要性。流體中最為特殊的就是黏性、黏滯力、「非滑動現象」等,以及流體力學最重要的方程式之一 - 「牛頓黏滯力方程式」( 摩擦力與黏性、速度分佈之關係)。



      第二章:本章介紹流體力學之基本重要觀念- 壓力與壓力梯度,在應用上,例如設計水庫、船艦、壓力合力與施力點、浮力等,此章為修習土木、水利、海洋工程等之基礎概念介紹。



      第三章:此章介紹流體中動能、位能、與壓力之能量守衡關係,及所連帶出流體力學中最奇妙又迷人之樂章 - 伯努力方程式,及其衍生有趣甚至可怕之現象,例如空泡化,亦即「水能載舟亦能覆舟」 - 人類才能避禍就福的與流體世界共存共榮。



      第四章: 本章介紹一個其他學科中鮮少討論之觀念- 觀測法與觀測對象不同,得到的結果大不相同。我們所熟知( 對於「系統」而言) 之守衡定律,在流體世界裡並非完全實用,而需使用對某一限定區域(「控制容積」) 分析其變化,及本書所強調使用於控制容積之「OIS」觀念,可大大簡化流體與流場之分析,甚至可應用於分析日常生活中之損益得失。



      第五章: 延續前章,將控制容積之OIS 觀念應用到各種守衡分析上,尤其在了解流體中複雜之「力」、及能量,如何影響流場,進而學習如何使用大自然中流體之力量與能量。



      第六章: 相對於前一章之有限( 非無窮小) 控制容積分析,本章乃針對流體中無窮小之一點做分析,此分析之優點乃其結果可適用於流體中任何位置,代表此種分析可以得到流場各點無窮之訊息,此章為修習進階流體力學之數學基礎。



      第七章: 黏滯力對於流體之最直接影響就是表現在管路中,例如速度分佈、壓力降、以及層流與紊流等現象,此章中流體能量損失(「主要」與「次要」損失) 計算乃工程中非常實際之問題。



      第八章:對應於第七章,本章討論流體對物體外在之影響。本章亦介紹古典流體力學重大進度之里程碑 - 流線函數、速度勢; 以及近代流體力學發展之紊流、邊界層理論及其對阻力之影響,以期補足一般大學部學習之不足; 尤其在邊界層中,流體力學、對流熱傳、甚至於化工質傳,大自然似乎都安排了奇妙的相似性。本書未加入研究所才常討論之因次分析與可壓縮流體。



      宇宙萬物似乎冥冥中均有其運行之規則,英文中有"Go with the flow"、”Ride the wave”之灑脫諺語,中文中有「達觀隨寓兮,奚必予宮」之豁達詩詞,”Hold water”才能站得住腳,”Does not hold water”就太扯了,“Be water, my friend”就是李小龍的功夫哲學,「人義水甜」就是好,「水」就是美…,古今中外文化中隱然都崇尚嚮往風調雨順之流體世界。本書之出版感謝紅螞蟻書局鼎力支持,尤其董事長李錫東先生之啟示與激勵:「寫書之目的: 一是有用,一是有趣」。 感謝家人鼓勵及老婆的白天嘮叨擔心晚上打氣相挺,並謹以此書獻給摯愛的雙親。

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    王曉剛

    義守大學 機械與自動化工程系

    中華民國108 年吉日




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