流体力学1序论(2).

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1、 第一章 绪 论 工程流体力学 课程安排课程安排 教 材： 孔 珑流体力学高等教育出版社 2003.9 参考书：杜广生工程流体力学中国电力出版社 孔 珑流体力学高等教育出版社 2003.9 陈卓如工程流体力学第二版 高等教育出版社 2004.1 丁祖荣流体力学上册高等教育出版社2003.12 丁祖荣流体力学上册高等教育出版社2003.12 学时数： 6456（理论课）8（实验课） 课程性质：技术基础课 引引 言言 (INTRODUCTION)(INTRODUCTION) 流体力学流体力学： 宏观力学。宏观力学。 Fluid Mechanics, Fluid Hydrodynamics， Hyd

2、rodynamics 研究对象：流体(Fluid)。包括液体和气体。 液体无形状，有一定的体积；不易压缩，存在 自由（液）面。 气体既无形状，也无体积，易于压缩。 研究任务： 研究流体所遵循的宏观运动规律以及流体和周围 物体之间的相互作用。 研究方法 v理论分析: 根据实际问题建立理论模型 涉及微分体 积法 速度势法 保角变换法 v实验研究方法: 根据实际问题利用相似理论建立实验 模型 选择流动介质 设备包括风洞、水槽、水洞、 激波管、测试管系等 v数值计算方法 ：根据理论分析的方法建立数学模型 ，选择合适的计算方法，包括有限差分法、有限元 法、特征线法、边界元法等，利用商业软件和自编 程序计

3、算，得出结果，用实验方法加以验证。 流体力学的发展简史 流体力学在中国 u 大禹治水 4000多年前的大禹治水，说明我国古代已有大规模的治河工程。 u (公元前256210年) 秦代，在公元前256-前210年间便修建了都江堰、郑国渠、灵渠三大水利 工程，说明当时对明槽水流和堰流流动规律的认识已经达到相当水平。 u 龙首渠（公元前156-前87） 西汉武帝时期，为引洛水灌溉农田，在黄土高原上修建了龙首渠，创造性 地采用了井渠法，即用竖井沟通长十余里的穿山隧洞，有效地防止了黄土 的塌方。 u水利风力机械 在古代，以水为动力的简单机械也有了长足的发展，例如 用水轮提水，或通过简单的机械传动去碾米、

4、磨面等。东汉 杜诗任南阳太守时（公元37年）曾创造水排（水力鼓风机） ，利用水力，通过传动机械，使皮制鼓风囊连续开合，将空 气送入冶金炉，较西欧约早了一千一百年。 流体力学在中国 流体力学在中国 u 真州船闸 北宋（960-1126）时期，在运河上修建的真州船闸与十四 世纪末荷兰的同类船闸相比，约早三百多年。 u 潘季顺 明朝的水利家潘季顺（1521-1595）提出了“筑堤防溢， 建坝减水，以堤束水，以水攻沙”和“借清刷黄”的治黄 原则，并著有两河管见、两河经略和河防一揽 。 u 流 量 清朝雍正年间，何梦瑶在算迪一书中提出流量等于 过水断面面积乘以断面平均流速的计算方法。 流体力学在中国 u

5、 钱学森 钱学森（1911）浙江省杭州市人， 他在 火箭、导弹、航天器的总体、动力、制导 、气动力、结构、材料、计算机、质量控 制和科技管理等领域的丰富知识，为中国 火箭导弹和航天事业的创建与发展作出了 杰出的贡献。1957年获中国科学院自然科 学一等奖，1979年获美国加州理工学院杰 出校友奖，1985年获国家科技进步奖特等 奖。1989年获小罗克维尔奖章和世界级科 学与工程名人称号，1991年被国务院、中 央军委授予“国家杰出贡献科学家”荣誉 称号和一级英模奖章。 流体力学在中国 u 周培源（ 19021993) 1902年8月28日出生，江苏宜兴人。 理论学家、流体力学家主要从事物理学

6、的基础理论中难度最大的两个方面即爱 因斯坦广义相对论引力论和流体力学中 的湍流理论的研究与教学并取得出色成 果。 u吴仲华（Wu Zhonghua） 在1952年发表的在轴流式、 径流式和 混流式亚声速和超声速叶轮机械中的三元流 普遍理论和在1975年发表的使用非正 交曲线坐标的叶轮机械三元流动的基本方程 及其解法两篇论文中所建立的叶轮机械三 元流理论，至今仍是国内外许多优良叶轮机 械设计计算的主要依据。 流体力学的西方史 u 阿基米德（Archimedes，公元前287212 ） 欧美诸国历史上有记载的最早 从事流体力学现象研究的是古希腊 学者阿基米德在公元前250年发表 学术论文论浮体，第

7、一个阐明 了相对密度的概念，发现了物体在 流体中所受浮力的基本原理阿 基米德原理。 流体力学的西方史 u 列奥纳德.达.芬奇（Leonardo.da.Vinci,14521519） 著名物理学家和艺术家 设计建造了一小型 水渠，系统地研究了物体的沉浮、孔口出流 、物体的运动阻力以及管道、明渠中水流等 问题。 u斯蒂文（S.Stevin,1548-1620）将用于研究固体平衡的凝结原理 转用到流体上。 u 伽利略（Galileo,1564-1642） 在流体静力学中应用了虚位移 原理，并首先提出，运动物体的阻力随着流体介质密度的增 大和速度的提高而增大。 u托里析利（E.Torricelli,1

8、608-1647）论证了孔口出流的基本规律 。 流体力学的西方史 u 帕斯卡（B.Pascal,1623-1662） 提出了密闭流体能传递压强的原理-帕 斯卡原理。 u 牛 顿 英国伟大的数学家、物理学家、天文学家和自 然哲学家。1642年12月25日生于英格兰林肯郡格兰 瑟姆附近的沃尔索普村，1727年3月20日在伦敦病 逝。牛顿在科学上最卓越的贡献是微积分和经典力 学的创建。牛顿的成就，恩格斯在英国状况十八 世纪中概括得最为完整：“牛顿由于发明了万有引 力定律而创立了科学的天文学，由于进行了光的分 解而创立了科学的光学，由于创立了二项式定理和 无限理论而创立了科学的数学，由于认识了力的本

9、性而创立了科学的力学“。 u 伯努利（D.Bernoulli，17001782） 瑞士科学家 在1738年出版的名著流体 动力学中，建立了流体位势 能、压强势能和动能之间的能 量转换关系伯努利方程。 在此历史阶段，诸学者的工作 奠定了流体静力学的基础，促 进了流体动力学的发展。 流体力学的西方史 流体力学的西方史 u 欧 拉（L.Euler，17071783） 经典流体力学的奠基人，1755 年发表流体运动的一般原理 ，提出了流体的连续介质模型， 建立了连续性微分方程和理想流 体的运动微分方程，给出了不可 压缩理想流体运动的一般解析方 法。他提出了研究流体运动的两 种不同方法及速度势的概念，并

10、 论证了速度势应当满足的运动条 件和方程。 流体力学的西方史 u 达朗伯（J.le R.dAlembert,17171783） 1744年提出了达朗伯疑题（又称达朗伯佯谬），即在 理想流体中运动的物体既没有升力也没有阻力。从反面说 明了理想流体假定的局限性。 u 拉格朗日（J.-L.Lagrange,17361813） 提出了新的流体动力学微分方 程，使流体动力学的解析方法有了 进一步发展。严格地论证了速度势 的存在，并提出了流函数的概念， 为应用复变函数去解析流体定常的 和非定常的平面无旋运动开辟了道 路。 流体力学的西方史 u弗劳德（W.Froude，1810-1879）对船舶阻力和摇摆的

11、研究颇 有贡献，他提出了船模试验的相似准则数-弗劳德数，建立了 现代船模试验技术的基础。 u亥姆霍兹（H.von Helmholtz,1821-1894）和基尔霍夫（ G.R.Kirchhoff,1824-1887）对旋涡运动和分离流动进行了大量 的理论分析和实验研究，提出了表征旋涡基本性质的旋涡定 理、带射流的物体绕流阻力等学术成就。 流体力学的西方史 u 纳维（C.-L.-M.-H.Navier）首先提出了不可压缩粘性流体 的运动微分方程组。斯托克斯（G.G.Stokes）严格地 导出了这些方程，并把流体质点的运动分解为平动、 转动、均匀膨胀或压缩及由剪切所引起的变形运动。 后来引用时，便

12、统称该方程为纳维-斯托克斯方程。 纳维（L.Navier，1785 1836，法国） 斯托克斯（G.Stokes，1819 1903，英国） 流体力学的西方史 u 谢 才（A.de Chzy法国 ） 在1755年便总结出明渠均匀流 公式-谢才公式，一直沿用至今 。 u 雷 诺（O.Reynolds，1842-1912） 1883年用实验证实了粘性流体 的两种流动状态层流和紊流 的客观存在，找到了实验研究 粘性流体流动规律的相似准则 数雷诺数，以及判别层流和 紊流的临界雷诺数，为流动阻 力的研究奠定了基础。 流体力学的西方史 u 瑞 利（L.J.W.Reyleigh，1842-1919英国）在相

13、似原 理的基础上，提出了实验研究的量纲分析法 中的一种方法-瑞利法。 u 库 塔（M.W.Kutta，18671944）1902年就曾提 出过绕流物体上的升力理论，但没有在通行 的刊物上发表。 u 儒科夫斯基（.,18471921 ）从1906年起，发表了论依附涡流等论 文，找到了翼型升力和绕翼型的环流之间的 关系，建立了二维升力理论的数学基础。他 还研究过螺旋桨的涡流理论以及低速翼型和 螺旋桨桨叶剖面等。他的研究成果，对空气 动力学的理论和实验研究都有重要贡献，为 近代高效能飞机设计奠定了基础。 流体力学的西方史 u 普朗特（L.Prandtl，18751953）建立了边界层 理论，解释了阻

14、力产生的机制。以后又针对 航空技术和其他工程技术中出现的紊流边界 层，提出混合长度理论。1918-1919年间， 论述了大展弦比的有限翼展机翼理论，对现 代航空工业的发展作出了重要的贡献。 u 卡 门（T.von Krmn，1881-1963）在1911- 1912年连续发表的论文中，提出了分析带旋 涡尾流及其所产生的阻力的理论，人们称这 种尾涡的排列为卡门涡街。在1930年的论文 中，提出了计算紊流粗糙管阻力系数的理论 公式。嗣后，在紊流边界层理论、超声速空 气动力学、火箭及喷气技术等方面都有不少 贡献。 流体力学的西方史 u布拉休斯（H.Blasius）在1913年发表的论文中，提出了计算

15、 紊流光滑管阻力系数的经验公式。 u伯金汉（E.Buckingham）在1914年发表的在物理的相似 系统中量纲方程应用的说明论文中，提出了著名的定理 ，进一步完善了量纲分析法。 u尼古拉兹（J.Nikuradze）在1933年发表的论文中，公布了 他对砂粒粗糙管内水流阻力系数的实测结果-尼古拉兹曲线 ，据此他还给紊流光滑管和紊流粗糙管的理论公式选定了应 有的系数。 流体力学的西方史 u 科勒布茹克（C.F.Colebrook）在1939年发表的论文中，提出 了把紊流光滑管区和紊流粗糙管区联系在一起的过渡区 阻力系数计算公式。 u 莫迪（L.F.Moody）在1944年发表的论文中，给出了他绘

16、 制的实用管道的当量糙粒阻力系数图-莫迪图。至此， 有压管流的水力计算已渐趋成熟。 流体力学在工程中的应用 船舶运动 浮标 海洋平台 潜器 地效翼艇 （WIG） 航空航天航海 流体力学在工程中的应用 u能源动力 发动机四冲程 Wind TurbineWind Turbine 飞机发动机 蒸汽机车 u能源动力 杨浦大桥 节能型建筑 u能源动力 气象云图 龙卷风 u气象科学 环境控制 污水净化设备模型 电厂冷却塔 u生物仿生学 信天翁滑翔信天翁滑翔 应用广泛已派生出很多新的分支 : 电磁流体力学、生物流体力学 化学流体力学、地球流体力学 高温气体动力学、非牛顿流体力学 爆炸力学、流变学、计算流体力学等 流体 能够流动的物质叫流体 在任何微小的剪切力的作用下都能够发生 连 续变形的物质称为流体。包括气体、液体。 气体无一定形状和体积。 第三节第三节 流体