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1、流体力学（I）,中南大学：能源科学与工程学院主讲教师：李 贺 松联系电话：18684696162E-Mail: 办公地点：外语楼108,第一章 导论,流体概念 流体是液体与气体的总称 在任何微小剪应力作用下能够发生连续变形的物质,流体力学 研究流体在外力作用下平衡和运动规律的科学 力学的一个分支，与刚体力学、弹性力学、材料力学并列为四大力学,绪 言,课程的性质,流体力学是一门横跨各领域、各不同专业的重要基础课。研究流体 静止（相对静止）和运动的力学规律，并应用到实际工程领域中。,建筑设备：建筑给排水 、通风 、采暖空调 、电梯 环境工程：大气（扩散）、水（管道或明渠传输） 水利工程：防洪（三峡
2、）和旱工程（南水北调）、农田水利工程 、水力发电工程、航道和港口工程、供水和排水工程（工农业用水）、环境水利工程（防止土流失和水质污染）等 航空、航天、航海 汽车 冶金、发电（风力发电） 热能工程（传热与传质） 等,流体力学发展简史,、前30000年前3000年以“水火风”的初步利用为特征：石器、陶具、风帆、水钟、引水灌溉,、前3000年 1678年以简单流体机械为特征：水车、风车、风箱、火箭等,、1678 1900年初步形成和发展时期，标志性成就：牛顿粘性定律、欧拉方程组、拉格朗日流函数、伯努利定理、亥姆霍兹涡定理、达西公式、NS方程、雷诺方程、瑞利相似原理、罗蒙诺索夫质量守恒定律、焦耳能量
3、守恒定律,荷兰用的最多,仰韶陶具,、 1900 1950年 体系完善与深入时期，标志性成就：儒可夫斯基绕流、卡门涡街、普朗特边界层理论、尼古拉兹实验、激波理论、湍流理论、风洞、热线流速仪,流体力学发展简史,、 1950年至今 渗透与分支：计算流体力学、实验流体力学、可压缩气体力学、稀薄气体力学、磁流体力学、化学流体力学、非牛顿流体力学、多相流体力学、生物流体力学、 天体物理流体力学、渗流力学激光干涉仪、测速仪,流体力学的发展简史,流体力学在中国 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。 (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
4、、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。 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。,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、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。 铜壶滴漏,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
5、闸相比，约早三百多年。 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。 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,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
6、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,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。,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
7、今仍是国内外许多优良叶轮机械设计计算的主要依据。,郑白 郑国主持兴修的大型灌溉渠 它西引泾水东注洛水，长达 300 余里,中国和世界最古老的人工运河之一。在中国广西壮族自治区东北部兴安县境内，又称湘桂运河或兴安陡河。开凿于西元前214年(秦)。横亘湘、桂边境的南岭山 势散乱，湘江、漓江上源在此相距很近。兴安城附近分水岭为一列土岭，宽300500公尺，相对高度2030公尺，两河水位相差不到6公尺。,西汉武帝,建武七年（公元三十一年），杜诗创造了利用水力鼓风铸铁的机械水排，这个水排是中国古代的一项伟大的发明，是机械工程史上的一大发明，约早于欧洲一千多年。,流体力学的西方史,阿基米德（Archime
8、des，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,列奥纳德.达.芬奇(十几个领域）（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。,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。 伽利略（Galileo,1564-1642）在流体静力学中应用了虚位
9、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。 托里析利（E.Torricelli,1608-1647）论证了孔口出流的基本规律。,流体力学的西方史,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。 牛 顿是英国伟大的数学家、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
10、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，由于认识了力的本性而创立了科学的力学“。,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,欧 拉（L.Euler，17071783）是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
11、出了研究流体运动的两种不同方法及速度势的概念，并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,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。,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,弗劳德（W.Froude，1810-1879）对船
12、舶阻力和摇摆的研究颇有贡献，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。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,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，便统称该方程为
13、纳维-斯托克斯方程。,纳维（L.Navier，17851836，法国）,斯托克斯（G.Stokes，18191903，英国）,流体力学的西方史,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。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,瑞 利（L.J.W.Reyleigh，1842-1919英国）在相似原理的基础上，提出了实验研究的量纲分析法中的一种
14、方法-瑞利法。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。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,普朗特（L.Prandtl，18751953）建立了边界层理论，解释了阻力产生的机制。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。191
15、8-1919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。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,布拉休斯（H.Blasius）在1913年发表的论文中，提出了计算紊流光滑管阻力系数的经验公式。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
16、中，提出了著名的定理，进一步完善了量纲分析法。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,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。莫迪（L.F.Moody）在1944年发表的论文中，给出了他绘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。,EXIT,F-22,流体力学在各领域中的应用,使重量超过3百吨，面积达半个足球场的大型民航客机，靠空气的支托象鸟一样飞行成为可能，创造了人类技术史上的奇迹。,
