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　　《流体力学》为《高等学校土木工程本科指导性专业规范配套系列教材》之一，是“大土木”的一门基础课教材。全书共9
章，内容包括：绪论，流体静力学，流体动力学基础，流动阻力和水头损失，孔口、管嘴出流和有压管流，明渠流动，堰流，渗流，量纲分析和相似理论。每章有导读和小结，书后附有习题答案。
《流体力学》主要作为高等学校土木工程等专业的流体力学课程教学用书，也可作为全国注册结构工程师考试的参考书，此外，也可供从事工程流体力学工作的工程技术人员参考。

1 绪论
 1.1 流体力学及其作用
 1.2 流体的主要物理性质
 1.3 作用在流体上的力
 本章小结
 习题
2 流体静力学
 2.1 流体静压强及其特性
 2.2 流体平衡微分方程
 2.3 重力作用下液体静压强的分布
 2.4 液柱式测压计
 2.5 静止液体作用在平面上的总压力
 2.6 静止液体作用在曲面上的总压力
 本章小结
 习题
3 流体动力学基础
 3.1 流体运动的描述
 3.2 流体流动的若干基本概念
 3.3 连续性方程
 3.4 元流和总流的能量方程
 3.5 总流的动量方程
 3.6 流体的运动微分方程
 本章小结
 习题
4 流动阻力和水头损失
 4.1 流动阻力和水头损失分类
 4.2 粘性流体的两种流态
 4.3 沿程水头损失与切应力的关系
 4.4 圆管中的层流运动
 4.5 紊流运动
 4.6 紊流的沿程损失
 4.7 流动的局部损失
 4.8 边界层概念与绕流阻力
 本章小结
 习题
5 孔口、管嘴出流和有压管流
 5.1 孔口出流
 5.2 管嘴出流
 5.3 有压管流
 本章小结
 习题
6 明渠流动
 6.1 概述
 6.2 明渠均匀流
 6.3 明渠流动状态
 6.4 水跃和水跌
 6.5 明渠非均匀渐变流水面曲线的计算
 本章小结
 习题
7 堰流
 7.1 堰流及其特征
 7.2 薄壁堰
 7.3 宽顶堰
 7.4 实用堰
 本章小结
 习题
8 渗流
 8.1 概述
 8.2 渗流阻力定理
 8.3 地下水的渐变渗流
 8.4 井和井群
 本章小结
 习题
9 量纲分析和相似原理
 9.1 量纲和谐原理
 9.2 量纲分析法
 9.3 流动相似原理
 9.4 模型试验
 本章小结
 习题
习题答案
主要参考文献

版权页： 插图： 4.6 紊流的沿程损失 由达西公式（4.16）可知，计算沿程水头损失hf的关键在于沿程阻力系数λ的确定。对于圆管层流，本章第4节中已通过理论分析，得到其沿程阻力系数λ=64／Re；而对于紊流，由于其运动的复杂性，直至目前尚缺少有效地解决紊流沿程损失规律的理论。实用中，紊流A的变化规律和计算公式往往是根据半经验理论，并结合实验研究成果。尼古拉兹的人工砂粒粗糙圆管实验是著名的经典研究工作，至今仍是沿程损失规律研究的基础。 4.6.1尼古拉兹实验 沿程阻力系数λ与介质类型、流态及管道特性关系密切，而管道特性主要反映在管壁的粗糙度上。为了探寻λ的变化规律，1933年德国水力学家尼古拉兹将粒径相同的砂粒均匀粘贴在光滑管壁上，制成了一种人工粗糙管道。对于人工粗糙管，可用砂粒的直径大小来表示管壁的粗糙度，通常用△表示绝对粗糙度，而用△与管道半径r0的比值△／r0表示相对粗糙度，用r0／△表示相对光滑度。 尼古拉兹用相对光滑度为r0／△=15，30.6，60，126，252，507的6组人工粗糙管道进行实 验，获得了不同光滑度管道在不同流量下的断面平均流速v和沿程水头损失hf，计算了相应的 λ和Re值，最后在双对数坐标系中点绘出每一组r0／△的lgRe～lg(100λ）关系，得到了如图 4.12所示的尼古拉兹实验曲线。 根据图4.12中沿程阻力系数A的变化特性，可将尼古拉兹实验曲线分为以下5个阻力区。 1）层流区 直线Ⅰ及其以左区域为层流区。当雷诺数Re

　　随着高等学校人才培养模式的不断更新，流体力学也迎来了新的挑战。为适应新形势下人才培养的需求，根据土木工程专业的需要和新颁布的《高等学校土木工程本科指导性专业规范》对流体力学课程的要求，龙天渝和童思陈主编的《流体力学》介绍了工程流体力学的基本概念、基本原理和基本方法。该书按土木工程大类专业培养的理念编写，在保证必需的基础知识的前提下，力求内容精炼，编排合理，思路清晰，物理概念明确；注意强调知识点的物理含义与工程背景，强调研究方法与实验手段，使读者在学习过程中不断积累自己理论联系实际的意识与能力。

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1、1 第六节第六节 紊流的沿程水头损失紊流的沿程水头损失 一、尼古拉兹实验一、尼古拉兹实验 1933年德国力学家和工程师尼古拉兹年德国力学家和工程师尼古拉兹Nikuradse进行进行 了管流沿程阻力系数和断面流速分布的实验测定。了管流沿程阻力系数和断面流速分布的实验测定。 1沿程阻力系数沿程阻力系数 的影响因素的影响因素 v人工粗糙人工粗糙管管 绝对粗糙度绝对粗糙度: 用糙粒的突起高度用糙粒的突起高度ks（砂粒直径）来表示壁面的粗糙（砂粒直径）来表示壁面的粗糙 相对粗糙度：相对粗糙度： 糙粒突起高度糙粒突起高度ks与管道直径之比，它能在不同直径的与管道直径之比，它能在不同直径的 管道中反映壁面粗

2、糙的影响管道中反映壁面粗糙的影响 2 2 f l h dg v v Re 64 1 ln u yc v v dkf s /Re, 2 2沿程阻力系数的测定和阻力分区图沿程阻力系数的测定和阻力分区图 v实验装置：实验装置：人工粗糙管人工粗糙管 v实验方法：实验方法： #以以ks/d=1/30 1/1014的人工粗糙管作不同组实验的人工粗糙管作不同组实验 #对每根人工粗糙管对每根人工粗糙管(ks/d= c)变流量，则变流量，则v、hf变化变化 Re d v 2 2 f dg h l v 算出若干组算出若干组Re和和值，将其点绘值，将其点绘 在双对数坐标纸上，就得到在双对数坐标纸上，就得到 =f(R

3、e, ks /d）曲线，即曲线，即尼古拉兹曲线图尼古拉兹曲线图 3 4 v尼古拉兹实验曲线尼古拉兹实验曲线 I.ab线线层流区层流区， =f(Re) ， =64/Re， Re4000，随随Re的增大，的增大， ks/d大的管道，实验点在大的管道，实验点在Re较低时便离开此线较低时便离开此线 ks/d小的管道，实验点在小的管道，实验点在Re较大时才离开较大时才离开 IV. cd、ef 线间线间紊流过渡区紊流过渡区， =f(Re，ks/d) 不同相对粗糙管的实验点分别落在不同的曲线上不同相对粗糙管的实验点分别落在不同的曲线上 V. ef 右侧水平直线族右侧水平直线族紊流粗糙区紊流粗糙区(阻力平方区

4、阻力平方区)， =f(ks/d) 对于一定的管道（对于一定的管道（ks/d一定），一定）， 是常数是常数 5 v紊流三区的流动特征紊流三区的流动特征 紊流分为光滑区、过渡区及粗糙区，各区的变化规律紊流分为光滑区、过渡区及粗糙区，各区的变化规律 不同，究其原因是存在不同，究其原因是存在粘性底层粘性底层的缘故。的缘故。 紊流光滑区紊流光滑区 ks 粗糙突起完全被掩盖在粘性底层内，对紊流核心的流粗糙突起完全被掩盖在粘性底层内，对紊流核心的流 动几乎没有影响动几乎没有影响 =f(Re) 紊流过渡区紊流过渡区 ks 粗糙影响到紊流核心的紊动强度，粗糙影响到紊流核心的紊动强度， =f(Re，ks/d) 紊

5、流粗糙区紊流粗糙区 ks 粗糙突起几乎完全突入紊流核心内粗糙突起几乎完全突入紊流核心内 =f(ks/d) 6 圆管流动流态特点圆管流动流态特点 流流 态态 流态判流态判 别标准别标准 流区判流区判 别别 流速分流速分 布布 主要作用力主要作用力 影响值的影响值的 因素因素 水头损水头损 失失 层层 流流 管流：管流： Re2300 光滑区光滑区 a . 粘 性粘 性 底层线底层线 性分布性分布; b.其他其他 区域呈区域呈 对数或对数或 指数曲指数曲 线分布。线分布。 紊流附加切紊流附加切 应力应力 =f（Re ） 与与ks /d无无 关关 过渡区过渡区 =f(Re， ks /d ） 粗糙区粗

6、糙区 =f(ks /d) 与与Re无关无关 dy du 012 2 xy u u 1 f h 0 . 275. 1 f h 7 二、流速分布半经验公式二、流速分布半经验公式 尼古拉兹通过实测流速分布，尼古拉兹通过实测流速分布， 完善了普朗特完善了普朗特卡门对数分布律，卡门对数分布律， 使之具有实用意义使之具有实用意义 1 ln u yc v 1紊流光滑区紊流光滑区 5.75lg5.5 yu v v 1 1 ln yu c v v 根据尼古拉兹实验取根据尼古拉兹实验取=0.4、c1=5.5代入上式，并把自代入上式，并把自 然对数换成常用对数，便得到然对数换成常用对数，便得到 光滑区速度分布半经验

7、公式光滑区速度分布半经验公式 8 2紊流粗糙区紊流粗糙区 根据尼古拉兹实验取根据尼古拉兹实验取=0.4、c2=8.48代入上式，并把代入上式，并把 自然对数换成常用对数，便得到自然对数换成常用对数，便得到 粗糙区速度分布半经验公式粗糙区速度分布半经验公式 5.75lg8.48 s uy k v 2 1 ln s uy c k v 3、紊流流速分布的指数式紊流流速分布的指数式 n r y u u 0max 1932年尼古拉兹根据实验结果提年尼古拉兹根据实验结果提 出了此式，出了此式，n 为指数随雷诺数为指数随雷诺数Re而变而变 化。该指数公式完全是经验性的，但化。该指数公式完全是经验性的，但 因

8、公式形式简单，被广泛应用因公式形式简单，被广泛应用 9 三、三、的半经验公式的半经验公式 1、尼古拉兹光滑管公式、尼古拉兹光滑管公式 51. 2 Re lg2 1 2、尼古拉兹粗糙管公式、尼古拉兹粗糙管公式 s k d7 . 3 lg2 1 10 四、阻力区的判别四、阻力区的判别 粘性底层厚度为粘性底层厚度为 紊流三区的紊流三区的计算公式不同，必须先判别阻力区，才能选用相计算公式不同，必须先判别阻力区，才能选用相 应公式。粘性底层厚度应公式。粘性底层厚度、壁面粗糙突起高度、壁面粗糙突起高度ks的相互关系决定了的相互关系决定了 阻力分区。在边界阻力分区。在边界y= 处，粘性底层厚度应同时满足下两

紊流过渡区紊流过渡区 紊流粗糙区紊流粗糙区 11 五、工业管道和柯列勃洛克公式五、工业管道和柯列勃洛克公式Colebrook 1、工业管道的当量粗糙高度、工业管道的当量粗糙高度 人工粗糙管和工业管道有很大差异，尼古拉人工粗

10、糙管和工业管道有很大差异，尼古拉 兹半经验公式能否用于工业管道兹半经验公式能否用于工业管道? v工业钢管粗糙特点工业钢管粗糙特点: 粗糙高度随机粗糙高度随机(有大有小有大有小),形状各异形状各异,疏密不定疏密不定,排排 列随机列随机 v人工粗糙管特点人工粗糙管特点: 粗糙高度粗糙高度ks一定一定(筛分后的沙粒直径相同筛分后的沙粒直径相同),排列排列 整齐整齐,疏密均匀疏密均匀 12 v紊流光滑区紊流光滑区 两者虽然粗糙不同，但都为粘性底层掩盖，对紊流核两者虽然粗糙不同，但都为粘性底层掩盖，对紊流核 心无影响。尼古拉兹光滑管公式适用于工业管道心无影响。尼古拉兹光滑管公式适用于工业管道 v紊流粗糙