工程流体力学工程流体力学目 录前 言第一章 流体的定义与物理性质第二章 流体静力学第三章 流体动力学第四章 相似理论与量纲分析第五章 粘性流动与水力计算第六章 流体的涡旋流动第七章 理想不可压流体的无旋流第八章 边界层理论基础第九章 气体动力学基础第十章 气体紊动射流第十一章 多孔介质中的渗流前 言 流体力学发展简史流体力学发展简史 流体力学的研究方法流体力学的研究方法前 言一、流体力学发展简史一、流体力学发展简史时期有代表性的事件公元前3世纪阿基米德提出浮力定律1638年托里拆利论证了孔口出流的基本规律1653年帕斯卡提出流体静力学的基本关系式1687年牛顿提出粘性流体的剪应力公式1732年皮托发明了测量流体总压的皮托管1738年伯努利提出著名的定常不可压缩流体的伯努利定理1744年达朗伯提出了达朗伯疑题1755年欧拉提出流体运动的描述方法和无粘性流体运动方程组1781年拉格朗日引进流函数和势函数的概念1845年亥姆霍兹提出了涡旋第一与第二定理1856年达西通过实验，提出著名的达西公式1883年雷诺通过实验发现流动有两种状态，即层流与湍流1902年库塔与儒可夫斯基分别提出库塔儒可夫斯基定理和假定1904年瑞利首先提出用量纲分析法求流动相似性参数1904年普朗特在自建水槽中进行了试验后，提出著名的边界层理论1906年普朗特在格丁根建造马赫数为1.5的超声速风洞1910年儒可夫斯基首先用共形映射法获得儒可夫斯基理想翼型1911年卡门证明圆柱尾流内涡街的稳定性1913年布拉休斯提出了计算紊流光滑管阻力系数的经验公式1914年伯金汉提出了著名的定理，进一步完善了量纲分析法1930年卡门提出了计算紊流粗糙管阻力系数的理论公式1933年尼古拉兹公布了阻力系数的实测结果1938年钱学森提出了平板可压缩层流边界层解法-卡门-钱学森解法1940年周培源奠定湍流模式理论基础1944年莫迪给出实用管道的当量粗糙度阻力系数图1946年钱学森和郭永怀提出高超声速流动中的相似律前 言前 言286年-2278年 大禹治水公元前256年 李冰修建都江堰公元前250年 阿基米德论浮体1500年 达芬奇论水的运动和测量第一阶段：萌芽阶段 （古代 16世纪中叶）代表性事件前 言 阿基米德（Archimedes，公元前287-212年）伟大的古希腊哲学家、数学家、物理学家、力学家，流体静力学的奠基人，并且享有“力学之父”的美称，阿基米德和高斯、牛顿并列为世界三大数学家。
前 言 曹冲（公元196-208年）称象 孙权曾致巨象，太祖欲知其斤重，访之群下，咸莫能出其理冲曰：“置象大船之上，而刻其水痕所至，称物以载之，则校可知矣太祖悦，即施行焉前 言 战国时期，秦国蜀郡太守李冰和他的儿子，修建了著名的都江堰水利工程都江堰的整体规划是将岷江水流分成两条，其中一条引入成都平原，这样既可以分洪减灾，又可以引水灌田、变害为利主体工程包括鱼嘴分水堤、飞沙堰溢洪道和宝瓶口进水口都江堰（公元前256年，李冰父子修都江堰）前 言（1）16世纪中叶17世纪中叶 偏重流体静力学（2）17世纪中叶18世纪中叶 1687年牛顿牛顿提出内摩擦定律 1738年伯努利伯努利 水动力学 1755年欧拉欧拉 流体运动的一般原理第二阶段：成为一门独立学科的基础阶段 （16世纪中叶 18世纪中叶）代表性事件前 言 英国物理学家、数学家、科学家、思想家和哲学家他在1687年发表的自然哲学的数学原理里提出的万有引力定律以及牛顿运动定律是经典力学牛顿和莱布尼茨各自独立地发明了微积分被公认为是人类历史上最伟大，最有影响力的科学家之一牛顿（Isaac Newton，1643-1727）前 言（1）古典流体力学 欧拉欧拉提出理想流体 纳维纳维导出粘性流体运动方程（2）水力学 达西达西与魏斯巴赫魏斯巴赫提出沿程水头损失公式第三阶段：古典流体力学+水力学 （18世纪中叶19世纪末）代表性事件数独数独 SudokuSudoku前 言 欧拉（Leonhard Euler，1707-1783）瑞士数学家和物理学家。
被称为历史上最伟大的两位数学家之一（另一位是高斯）欧拉是第一个使用“函数”一词来描述包含各种参数的表达式的人，例如：y=F(x)（函数的定义由莱布尼兹在1694年给出）他是把微积分应用于物理学的先驱者之一前 言1882年 雷诺雷诺提出相似理论1904年 普朗特普朗特提出边界层理论 第四阶段：近代流体力学 （19世纪末现在）代表性事件普朗特普朗特二、流体力学的研究方法二、流体力学的研究方法前 言1.现场观测现场观测2.实验室模拟实验室模拟4.数值计算数值计算3.理论分析理论分析二、流体力学的研究方法二、流体力学的研究方法前 言作用作用：现场观测是对自然界固有流动现象或已有工程的实际流动现象，利用仪器进行系统观测，进而总结出流体运动的规律，并以此预测流动现象的演变优点优点：直接对真实的流动进行观测，容易发现新的流动现象缺点缺点：现场流动现象的发生往往不能控制，且发生条件几乎不可能完全重复出现，影响到对流动现象的研究和规律的总结；现场观测还要花费大量物力、财力和人力1.1.现场观测现场观测二、流体力学的研究方法二、流体力学的研究方法前 言2.2.实验室模拟实验室模拟作用作用：实验模拟能显示运动特点及其主要趋势，实验结果可检验理论的正确性。
优点优点：能直接解决生产中的复杂问题，能发现流动中的新现象和新原理，它的结果可以作为检验其他方法是否正确的依据缺点缺点：对不同情况，需作不同的实验，所得结果的普适性较差二、流体力学的研究方法二、流体力学的研究方法前 言3.3.理论分析理论分析作用作用：根据流体运动的普遍规律如质量守恒、动量守恒、能量守恒等，利用数学分析的手段，研究流体的运动，解释已知的现象，预测可能发生的结果优点优点：能明确给出各种参量之间的变化关系，具有普遍规律性缺点缺点：数学上的困难很大，只有极少数流动问题能获得分析解二、流体力学的研究方法二、流体力学的研究方法前 言4.4.数值计算数值计算作用作用：利用计算机的高速运算能力，应用流体力学计算方法，对无法用理论分析求解的复杂流体力学问题进行数值方法求解优点优点：许多用分析法无法求解的问题，用此法可以求得它们的数值解缺点缺点：对复杂而又缺乏完善数学模型的流体力学问题，仍无能为力前 言作用优点缺点理论分析用数学手段研究流体运动，解释及预测流动现象明确给出各参量间的关系，有普遍性数学困难大，极少数流动能得分析解实验室实验可显示流动特点，实验结果可检验理论的正确性解决实际流动问题，发现新流动现象需作大量实验，所得结果的普适性差数值模拟计算理论无法求解的复杂流动，可进行数值求解可求出理论无法求解问题的数值解需要以完善的数学模型为基础现场观测实测得出实际流动规律，并预测流动现象的演变直接观测流动，易发现新的流动现象现场流动不可控，成本高三、流体力学的工程应用三、流体力学的工程应用前 言飞机机翼飞机机翼跑车尾翼跑车尾翼前 言高尔夫球高尔夫球前 言足球香蕉球足球香蕉球前 言汽车的阻力汽车的阻力前 言阻力系数 0.137阻力系数 0.2阻力系数 0.4阻力系数 0.8阻力系数 0.6前 言火车站台安全线火车站台安全线前 言本章小结1.1.1.1.理解流体力学的学科定义；理解流体力学的学科定义；理解流体力学的学科定义；理解流体力学的学科定义；2.2.2.2.了解流体力学的发展简史；了解流体力学的发展简史；了解流体力学的发展简史；了解流体力学的发展简史；3.3.3.3.熟悉流体力学的研究方法熟悉流体力学的研究方法熟悉流体力学的研究方法熟悉流体力学的研究方法 。
学习目标】【学习目标】工程流体力学工程流体力学中国矿业大学电力学院第一章 流体的定义与物理性质 1.1 流体的定义流体的定义 1.2 连续介质假说连续介质假说 1.3 流体的物理性质流体的物理性质1.1 1.1 流体的定义流体的定义物质的存在状态：气态、液态、固态物质的存在状态：气态、液态、固态气态气态液态液态固态固态分子间距大，分子相互作用微弱，不能保持一定的体积和形状可压缩性大分子间距较小，分子间相互作用较大，可保持其固有体积，但不能保持形状分子间距很小，分子间作用力很大，分子排列规则整齐，能保持一定的形态和体积物质的受力和运动特性物质的受力和运动特性1.1 1.1 流体的定义流体的定义流体流体固体固体不能抵抗切向力，在切向力的作用下可以无限的变形，这种变形称为流动能承受一定的切应力，其切应力与变形的大小呈一定的比例关系流体的定义流体的定义流体是一种受任何微小的剪切力作用时，都会产生连续变形的物质流动性是流体的主要特征1.2 1.2 连续介质假说连续介质假说从微观上看，流体分子间存在间隙，因此流体的物理量在空间上不是连续分布的通常情况下，一个很小的体积内流体的分子数量极多流体力学是研究流体的宏观机械运动，它研究的是流体的宏观特性，即大量分子的平均统计特性。
研究流体的宏观机械运动时，可取到宏观上足够小的流体微团，其尺度与所研究问题的特征尺寸相比足够小，同时又包含有足够数量的分子；将这种宏观上足够小、微观上足够大的流体微团称为流体质点将流体看作是由连续分布的流体质点组成，即在流体力学中将流体假设为由连续分布的流体质点组成的连续介质分五个层次理解连续介质假说分五个层次理解连续介质假说 连续介质模型连续介质模型1.2 1.2 连续介质假说连续介质假说假定流体是由空间上连续分布的流体质点所组成的连续介质这些流体质点与所研究问题的特征尺寸相比足够小，即宏观上足够小；而又包含足够多的流体分子，呈现大量分子平均特性，即微观上足够大分子间存在空隙连续分布的流体质点 引入连续介质模型的目的是什么？引入连续介质模型的目的是什么？1.3 1.3 流体的物理性质流体的物理性质1.3.1 流体的惯性流体的惯性p物质维持原有运动状态的特性称为惯性，是物质本身固有的属性，运动状态的任何变化都必须克服惯性的作用p衡量惯性大小的物理量是质量或密度流体密度的定义流体密度的定义单位体积流体的质量称为流体的密度流体名称水酒精水银空气密度/kg/m31000800136001.293表表1-1 常见流体的密度常见流体的密度 流体比容流体比容单位质量流体的体积。
1.3 1.3 流体的物理性质流体的物理性质1.3.2 流体的压缩性和膨胀性流体的压缩性和膨胀性p流体的体积随压力变化的特性称为流体的压缩性p压缩性的大小用压缩系数来度量压缩系数压缩系数的定义的定义温度不变时，单位压力的变化所引起的体积的相对变化量称为压缩系数或：p上式中，负号表示体积与压力的变化相反，以使压缩系数总为正的压缩系数越大，表示越容易压缩1.3 1.3 流体的物理性质流体的物理性质p工程上，经常使用“体积模量体积模量”代替压缩系数，表示流体的压缩性体积模量的定义体积模量的定义压缩系数的倒数称为体积模量，或弹性系数p体积模量物理意义是压缩单位体积的流体所要做的功，它表示了流体反抗压缩的能力K值越大，流体越难压缩p常温常压下，水的体积模量约为2100MPa，空气的体积模量大约只有0.14MPap工程上，常将液体当成是不可压缩的p气体是否也可当成是不可压缩的？1.3 1.3 流体的物理性质流体的物理性质p流体的体积随温度变化的特性称为膨胀性膨胀性的大小用体膨胀系数体膨胀系数来度量体膨胀系数的定义体膨胀系数的定义压力不变时，单位温度的变化所引起的体积的相对变化量称为体膨胀系数p液体的膨胀性很小。
除温度变化很大的场合外，在一般工程问题中不必考虑液体的膨胀性p气体只有在常温常压下，且流速低于102m/s的情况下，才可以忽略压缩性和膨胀性p对实际气体，当压力不大时，则满足完全气体状态方程：1.3 1.3 流体的物理性质流体的物理性质1.3.3 流体的粘性流体的粘性p实验实验：2个圆盘放置在充满液体 的容器中上圆盘由电 机驱动p现象现象：经过一段时间后，下圆 盘也随上圆盘一起转动p流体在受。