流体力学 流体力学流体力学,是研究流体（液体和气体）的力学运动规律及其应用的学科主要研究 在各种力的作用下，流体本身的状态，以及流体和固体壁面、流体和流体间、流 体与其他运动形态之间的相互作用的力学分支流体力学是力学的一个重要分 支，它主要研究流体本身的静止状态和运动状态，以及流体和固体界壁间有相对 运动时的相互作用和流动的规律在生活、环保、科学技术及工程中具有重要的 应用价值目录概述发展简史其它力学分支学科1.力学分支学科2主要物理学分支概述1.流体力学2应用领域发展简史流体力学1. 流体力学的基本假设2流体力学的研究内容3流体力学的研究分支流体力学的展望研究方法1.现场观测2实验室模拟3理论分析4数值计算5集中研究方法要 相辅相成其它力学分支学科1.力学分支学科2主要物理学分支概述流体力学流体力学是连续介质力学的一门分支，是研究流体（包含气体及液体 现象以及相关力学行为的科学可以按照研究对象的运动方式分为流体静 力学和流体动力学，还可按应用范围分为 水力学，空气动力学等等理论 流体力学的基本方程是纳维-斯托克斯方程，简称N-S方程纳维-斯托克斯方程由一些微分方程组成，通常只有通过一些边界条件 或者通过数值计算的方式才可以求解。
它包含速度v=（u,v,w）,压强，密度， 粘度温度等变量，而这些都是位® （x,y,z）和时间t的函数通过质量守 恒、能量守恒和动量守恒，以及热力学方程f（ p ,P,T）和介质的材料性质 我们可以确定这些变量I VI退流体的流动曲线流体力学中研究得最多的流体是水和空气它的主要基础是牛顿运动定律 和质量守恒定律，常常还要用到热力学知识，有时还用到宏观电动力学的 基本定律、本 构方程和高等数学、物理学、化学的基础知识1738年伯努利出版他的专著时，首先采用了水动力学这个名词并作为 书名；1880年前后出现了空气动力学这个名词；1935年以后，人们概括了 这两方面的知识，建立了统一的体系，统称为 流体力学应用领域除水和空气以外，流体还指作为汽轮机工作介质的水蒸气、润滑油 地下石油、含泥沙的江水、血液、超 高压作用下的金属和燃烧后产生成分 复杂的气体、高温条件下的等离子体等等气象、水利的研究，船舶、飞行器、叶轮机械和核电站的设计及其运 行，可燃气体或炸药的爆炸，汽车制造（联众 集群），以及天体物理的若 干问题等等，都广泛地用到流体力学知识许 多现代科学技术所关心的问 题既受流体力学的指导，同时也促进了它不断 地发展。
1950年后，电子计 算机的发展又给予流体力学以极大的推动发展简史流体力学出现流体力学是在人类同自然界作斗争和在生产实践中逐步发展起来的 古时中国有大禹治水疏通江河的传说；秦朝 李冰父子带领劳动人民修建的 都江堰，至今还在发挥着作用；大约与此同时，古罗马人建成了大规模的 供水管道系统等等对流体力学学科的形成作出第一个 贡献的是古希腊的阿基米德，他建 立了包括物理浮力定律和浮体稳定性在内的 液体平衡理论，奠定了流体静 力学的基础此后千余年间，流体力学没有重大发展直到15世纪，意大利达•芬奇的著作才谈到水波、管流、水力机械 鸟的飞翔原理等问题;17世纪，帕斯卡阐明了静止流体中压力的概念但流体力学尤其是流体动力学作为一门严密的科 学，却是随着经典力学建立 了速度、加速度，力、流场等概念，以及 质量、动量、能量三个守恒定律 的奠定之后才逐步形成的流体动力学逐渐发展17世纪，力学奠基人生顿研究了在流体中运动的物体所受到的阻力，得到 阻力与流体密度、物体迎流截面积以及运动速度的平方成正比的关系他 针对粘性流体运动时的内摩擦力也提出了牛顿粘性定律但是，牛顿还没 有建立起流体动力学的理论基础，他提出的许 多力学模型和结论同实际情 形还有较大的差别。
之后，法国皮托发明了测量流速的皮托管；达朗贝尔对运河中船只的 阻力进行了许多实验工作，证实了阻力同物体 运动速度之间的平方关系； 瑞士的欧拉采用了连续介质的概念，把 静力学中压力的概念推广到运动流 体中，建立了欧拉方程，正确地用微分方程组 描述了无粘流体的运动；伯 努利从经典力学的能量守恒出发，研究供水管 道中水的流动，精心地安排 了实验并加以分析，得到了流体定常运动下的 流速、压力、管道高程之间 的关系—— 伯努利方程欧拉方程和伯努利方程的建立，是流体动 力学作为一个分支学科建立 的标志，从此开始了用微分方程和实验测量进行流体运动定量研究的阶段 从18世纪起，位势流理论有了很大进展，在水波、潮汐、涡旋运动、声学 等方面都阐明了很多规律法国拉格朗日对于无旋运动，德国赫姆霍兹对 于涡旋运动作了不少研究……在上述的研究中，流体的粘性并不起重要作 用，即所考虑的是无粘流体这种理论当然阐 明不了流体中粘性的效应流体动力学的理论基础19世纪，工程师们为了解决许多 工程问题，尤其是要解决带有 粘性影 响的问题于是他们部分地运用流体力学，部 分地采用归纳实验结果的半 经验公式进行研究，这就形成了水力学，至今它仍与流体力学并行地发展。
1822年，纳维建立了粘性流体的基本运动方程；1845年，斯托克斯又以更 合理的基础导出了这个方程，并将其所涉及的 宏观力学基本概念论证得令 人信服这组方程就是沿用 至今的纳维-斯托克斯方程（简称N-S方程），它 是流体动力学的理论基础上面说到的欧拉方 程正是N-S方程在粘度为零 时的特例普朗特学派从1904年到1921年逐步将N-S方程作了简化，从推理、数学 论证和实验测量等各个角度，建立了边界层理论，能实际计算简单情形下， 边界层内流动状态和流体同固体间的粘性力同时普朗克又提出了许多新 概念，并广泛 地应用到飞机和汽轮机的设计中去这一理论既明确了理想 流体的适用范围，又能计算物体运动时遇到的 摩擦阻力使上述两种情况 得到了统一流体力学的一次重大进展20世纪初，飞机的出现极大地促 进了空气动力学的发展航空 事业的 发展，期望能够揭示飞行器周围的压力分布、飞行器的受力状况和阻力等 问题，这就促进了流体力学在实验和理论分析 方面的发展20世纪初，以 儒科夫斯基、恰普雷金、普朗特等为代表的科学家，开创了以无粘不可压 缩流体位势流理论为基础的机翼理论，阐明了 机翼怎样会受到举力，从而 空气能把很重的飞机托上天空。
机翼理论的正确性，使人们重新认识无粘 流体的理论，肯定了它指导工程设计的重大意义机翼理论和边界层理论的建立和发展是流体力学的一次重大进展，它 使无粘流体理论同粘性流体的边界层理论很好地结合起来随着汽轮机的 完善和飞机飞行速度提高到每秒50米以上，又迅速扩展了从19世纪就开 始的，对空气密度变化效应的实验和理论研究，为高速飞行提供了理论指 导20世纪40年代以后，由于喷气 推进和火箭技术的应用，飞行器速度超 过声速，进而实现了航天飞行，使气体高速流 动的研究进展迅速，形成了 气体动力学、物理-化学流体动力学等分支学科流体力学成熟以这些理论为基础，20世纪40年代，关于炸药或天然 气等介质中发生 的爆轰波又形成了新的理论，为研究 原子弹、炸药等起爆后，激波在空气 或水中的传播，发展了爆炸波理论此后，流 体力学又发展了许多分支， 如高超声速空气动力学、超音速空气动力学、稀薄空气动力学、电磁流体 力学、计算流体力学、两相（气液或气固）流等等这些巨大进展是和采用各种数学分析方法和建立大型、精密的实验设 备和仪器等研究手段分不开的从50年代起，电子计算机不断完善，使原 来用分析方法难以进行研究的课题，可以用 数值计算方法来进行，出现了 计算流体力学这一新的分支学科。
与此同时，由于民用和军用生产的需要 ， 液体动力学等学科也有很大进展20世纪60年代，根据结构力学和固体力学的需要，出现了计算弹性力 学问题的有限元法经过十多年的发展，有限元分析这项新的计算方法又 开始在流体力学中应用，尤其是在低速流和 流体边界形状甚为复杂问题中， 优越性更加显著近年来又开始了用有限元方 法研究高速流的问题，也出 现了有限元方 法和差分方法的互相渗透和融合从20世纪60年代起，流体力学开始了流 体力学和其他学科的互相交 叉渗透，形成新的交叉学科或边缘学科，如物理-化学流体动力学、磁流体 力学等；原来基本上只是定性地描述的问题， 逐步得到定量的研究，生物 流变学就是一个例子流体力学流体力学的基本假设流体力学有一些基本假设，基本假设以方 程的形式表示例如，在三 维的不可压缩 流体中，质量守恒的假设的方程 如下：在任意封闭曲面（例 如球体）中，由曲面进入封闭曲面内的质量 速率，需和由曲面离开封闭曲面内的质量速率相等换句话说，曲面内的 质量为定值，曲面外的质量 也是定值）以上方程可以用曲面上的积分式表示流体力学假设所有流体满足以下的假设：•连续体假设•质量守恒 ・动量守恒体，也就是流体的密度为一 是。
有时也会假设流体的黏 可视为非粘性流体若流体 ，则在边界处流体的速度为在流体力学中常会假设流体是不可压缩流 定值液体可以算是不可压缩流体，气体则不 度为零，此时流体即为非粘性流体气体常常 黏度不为零，而且流体被容器包围（如管子） 零和生产活动中随时随地都可 生产事业密切相关的大气 球，地球表面的70%是水面流体力学的研究内容流体是气体和液体的总称在人们的生活 遇到流体，所以流体力学是与人类日常生活和 和水是最常见的两种流体，大气包围着整个地 大气运动、海水运动（包括波浪、潮汐、中尺度涡旋、环流等）乃至地球深 处熔浆的流动都是流体力学的研究内容20世纪初，世界上第一架飞机出现以后，飞机和其他各种飞行器得到 迅速发展20世纪50年代开始的航天飞 行，使人类的活动范围扩展到其他 星球和银河系航空航天事业的蓬勃发展是同流体力学的分支学科一一空 气动力学和气体动力学的发展紧密相连的这些学科是流体力学中最活跃 最富有成果的领域石油和天然气的开采，地下水的开发利用，要求人们了解流体在多孔 或缝隙介质中的运动，这是流体力学分支之一 ——渗流力学研究的主要对 象渗流力学还涉及土壤盐碱化的防治，化工中的浓缩、分离和多孔过滤， 燃烧室的冷却等技术问题。
燃烧离不开气体，这是有化学反应和热能变化的流体力学问题，是物 理-化学流体动力学的内容之 一爆炸是猛烈的瞬间能量变化 和传递过程， 涉及气体动力学，从而形成了爆炸力学沙漠迁移、河流泥沙运动、管道中煤粉输 送、化工中气体催化剂的运 动等，都涉及流体中带有固体颗粒或液体中带 有气泡等问题，这类问题是 多相流体力学研究的范围究等离子体的运动规律的学 在受控热核反应、磁流体发等离子体是自由电子、带等量正 电荷的离子以及中性粒子的集合体 等离子体在磁场作用下有特殊的运动规律研 科称为等离子体动力学和电磁流体力学，它们 电、宇宙气体运动等方面有广泛的应用承受载荷和激发振动；废气 海岸遭受侵蚀；研究这些流 用的学科称为环境流体力学曰风对建筑物、桥梁、电缆等的作用使它们 和废水的排放造成环境污染；河床冲刷迁移和 体本身的运动及其同人类、动植物间的相互作 （其中包括环境空气动力学、建筑空气动力学）这是一门涉及经典流体力学、气象学、海洋学和水力学、结构动力学等生物流变学研究人体或其他动植物中有关 在血管中的流动，心、肺、肾中的生理流体运 此外，还研究鸟类在空中的飞翔，动物在水中的新兴边缘学科的流体力学问题，例如血液 动和植物中营养液的输送。
的游动，等等因此，流体力学既包含自然科学的基础理论，又涉及工程技术科学方 面的应用此夕卜，如从流体作用力的角度，则 可分为流体静力学、流体运 动学和流体动力学；从对不。