0導(dǎo)言流體力學

1、工程流體力學 緒 論,,引 言 (INTRODUCTION),流體力學： 宏觀力學。Fluid Mechanics, Fluid Hydrodynamics， Hydrodynamics,研究對象：流體(Fluid)。包括液體和氣體。 液體——無形狀，有一定的體積；不易壓縮，存在自由（液）面。 氣體——既無形狀，也無體積，易于壓縮。,,研究任務(wù)：研究流體所遵循的宏觀運動規(guī)律以及流體和周圍物體之間的相互作用。,研

2、究方法,理論分析: 根據(jù)實際問題建立理論模型 涉及微分體積法 速度勢法 實驗研究方法: 根據(jù)實際問題利用相似理論建立實驗?zāi)Ｐ?選擇流動介質(zhì) 設(shè)備包括風洞、水槽、水洞、激波管、測試管系等數(shù)值計算方法 ：根據(jù)理論分析的方法建立數(shù)學模型，選擇合適的計算方法，包括有限差分法、有限元法、特征線法、邊界元法等，利用商業(yè)軟件和自編程序計算，得出結(jié)果，用實驗方法加以驗證。,流體力學的發(fā)展簡史,,流體力學在中國大禹治水 4000多年

3、前的大禹治水，說明我國古代已有大規(guī)模的治河工程。 (公元前256~210年) 秦代，在公元前256-前210年間便修建了都江堰、鄭國渠、靈渠三大水利工程，說明當時對明槽水流和堰流流動規(guī)律的認識已經(jīng)達到相當水平。龍首渠（公元前156-前87） 西漢武帝時期，為引洛水灌溉農(nóng)田，在黃土高原上修建了龍首渠，創(chuàng)造性地采用了井渠法，即用豎井溝通長十余里的穿山隧洞，有效地防止了黃土的塌方。,水利風力機械 在古代，

4、以水為動力的簡單機械也有了長足的發(fā)展，例如用水輪提水，或通過簡單的機械傳動去碾米、磨面等。東漢杜詩任南陽太守時（公元37年）曾創(chuàng)造水排（水力鼓風機），利用水力，通過傳動機械，使皮制鼓風囊連續(xù)開合，將空氣送入冶金爐，較西歐約早了一千一百年。,流體力學在中國,真州船閘 北宋（960-1126）時期，在運河上修建的真州船閘與十四世紀末荷蘭的同類船閘相比，約早三百多年。潘季順　明朝的水利家潘季順（1521-1595）提出了“筑堤防溢

5、，建壩減水，以堤束水，以水攻沙”和“借清刷黃”的治黃原則，并著有《兩河管見》、《兩河經(jīng)略》和《河防一攬》。流 量　清朝雍正年間，何夢瑤在《算迪》一書中提出流量等于過水斷面面積乘以斷面平均流速的計算方法。,流體力學在中國,錢學森  　錢學森（1911－）浙江省杭州市人， 他在火箭、導(dǎo)彈、航天器的總體、動力、制導(dǎo)、氣動力、結(jié)構(gòu)、材料、計算機、質(zhì)量控制和科技管理等領(lǐng)域的豐富知識，為中國火箭導(dǎo)彈和航天事業(yè)的創(chuàng)建與發(fā)展作出了杰出

6、的貢獻。1957年獲中國科學院自然科學一等獎，1979年獲美國加州理工學院杰出校友獎，1985年獲國家科技進步獎特等獎。1989年獲小羅克維爾獎?wù)潞褪澜缂壙茖W與工程名人稱號，1991年被國務(wù)院、中央軍委授予“國家杰出貢獻科學家”榮譽稱號和一級英模獎?wù)隆?流體力學在中國,周培源（ 1902－1993)。 1902年8月28日出生，江蘇宜興人。理論學家、流體力學家。主要從事物理學的基礎(chǔ)理論中難度最大的兩個方面即愛因斯坦廣義相對論

7、引力論和流體力學中的湍流理論的研究與教學并取得出色成果。,吳仲華（Wu Zhonghua）在1952年發(fā)表的《在軸流式、 徑流式和混流式亞聲速和超聲速葉輪機械中的三元流普遍理論》和在1975年發(fā)表的《使用非正交曲線坐標的葉輪機械三元流動的基本方程及其解法》兩篇論文中所建立的葉輪機械三元流理論，至今仍是國內(nèi)外許多優(yōu)良葉輪機械設(shè)計計算的主要依據(jù)。,流體力學的西方史,阿基米德（Archimedes，公元前287－212）歐美諸國歷史上有記

8、載的最早從事流體力學現(xiàn)象研究的是古希臘學者阿基米德在公元前250年發(fā)表學術(shù)論文《論浮體》，第一個闡明了相對密度的概念，發(fā)現(xiàn)了物體在流體中所受浮力的基本原理──阿基米德原理。,流體力學的西方史,列奧納德.達.芬奇 （Leonardo.da.Vinci,1452－1519） 著名物理學家和藝術(shù)家 設(shè)計建造了一小型水渠，系統(tǒng)地研究了物體的沉浮、孔口出流、物體的運動阻力以及管道、明渠中水流等問題。,斯蒂文（S.Stevin,154

9、8-1620） 將用于研究固體平衡的凝結(jié)原理轉(zhuǎn)用到流體上。伽利略（Galileo,1564-1642） 在流體靜力學中應(yīng)用了虛位移原理，并首先提出，運動物體的阻力隨著流體介質(zhì)密度的增大和速度的提高而增大。托里析利（E.Torricelli,1608-1647） 論證了孔口出流的基本規(guī)律。,流體力學的西方史,帕斯卡（B.Pascal,1623-1662） 提出了密閉流體能傳遞壓強的原理--帕斯卡原理。

10、牛 頓 是英國偉大的數(shù)學家、物理學家、天文學家和自然哲學家。1642年12月25日生于英格蘭林肯郡格蘭瑟姆附近的沃 爾索普村，1727年3月20日在倫敦病逝。牛頓在科學上最卓越的貢獻是微積分和經(jīng)典力學的創(chuàng)建。牛頓的成就，恩格斯在《英國狀況十八世紀》中概括得最為完整："牛頓由于發(fā)明了萬有引力定律而創(chuàng)立了科學的天文學，由于進行了光的分解而創(chuàng)立了科學的光學，由于創(chuàng)立了二項式定理和無限理論而創(chuàng)立了科學的數(shù)學，由

11、于認識了力的本性而創(chuàng)立了科學的力學"。,伯努利（D.Bernoulli，1700－1782）瑞士科學家 在1738年出版的名著《流體動力學》中，建立了流體位勢能、壓強勢能和動能之間的能量轉(zhuǎn)換關(guān)系──伯努利方程。在此歷史階段，諸學者的工作奠定了流體靜力學的基礎(chǔ)，促進了流體動力學的發(fā)展。,流體力學的西方史,流體力學的西方史,歐 拉（L.Euler，1707－1783） 是經(jīng)典流體力學的

12、奠基人，1755年發(fā)表《流體運動的一般原理》，提出了流體的連續(xù)介質(zhì)模型，建立了連續(xù)性微分方程和理想流體的運動微分方程，給出了不可壓縮理想流體運動的一般解析方法。他提出了研究流體運動的兩種不同方法及速度勢的概念，并論證了速度勢應(yīng)當滿足的運動條件和方程。,流體力學的西方史,達朗伯（J.le R.d‘Alembert,1717－1783） 1744年提出了達朗伯疑題（又稱達朗伯佯謬），即在理想流體中運動的物體既沒有升力也沒有阻力。從反

13、面說明了理想流體假定的局限性。,拉格朗日（J.-L.Lagrange,1736－1813） 提出了新的流體動力學微分方程，使流體動力學的解析方法有了進一步發(fā)展。嚴格地論證了速度勢的存在，并提出了流函數(shù)的概念，為應(yīng)用復(fù)變函數(shù)去解析流體定常的和非定常的平面無旋運動開辟了道路。,流體力學的西方史,弗勞德（W.Froude，1810-1879）對船舶阻力和搖擺的研究頗有貢獻，他提出了船模試驗的相似準則數(shù)--弗勞德數(shù)，建立了現(xiàn)代船模試驗技

14、術(shù)的基礎(chǔ)?！『ツ坊羝潱℉.von Helmholtz,1821-1894）和基爾霍夫（G.R.Kirchhoff,1824-1887）對旋渦運動和分離流動進行了大量的理論分析和實驗研究，提出了表征旋渦基本性質(zhì)的旋渦定理、帶射流的物體繞流阻力等學術(shù)成就。,流體力學的西方史,納維（C.-L.-M.-H.Navier）首先提出了不可壓縮粘性流體的運動微分方程組。斯托克斯（G.G.Stokes）嚴格地導(dǎo)出了這些方程，并把流體質(zhì)點的運動分解為

15、平動、轉(zhuǎn)動、均勻膨脹或壓縮及由剪切所引起的變形運動。后來引用時，便統(tǒng)稱該方程為納維-斯托克斯方程。,納維（L.Navier，1785－1836，法國）,斯托克斯（G.Stokes，1819－1903，英國））,流體力學的西方史,謝 才（A.de Chézy法國 ）在1755年便總結(jié)出明渠均勻流公式--謝才公式，一直沿用至今。雷 諾（O.Reynolds，1842-1912）1883年用實驗證實了粘性流體的兩種流動狀態(tài)─

16、─層流和紊流的客觀存在，找到了實驗研究粘性流體流動規(guī)律的相似準則數(shù)──雷諾數(shù)，以及判別層流和紊流的臨界雷諾數(shù)，為流動阻力的研究奠定了基礎(chǔ)。,流體力學的西方史,瑞 利（L.J.W.Reyleigh，1842-1919英國）在相似原理的基礎(chǔ)上，提出了實驗研究的量綱分析法中的一種方法--瑞利法。庫 塔（M.W.Kutta，1867－1944）1902年就曾提出過繞流物體上的升力理論，但沒有在通行的刊物上發(fā)表。儒科夫斯基（Н.Е.Ж

17、уковский,1847－1921）從1906年起，發(fā)表了《論依附渦流》等論文，找到了翼型升力和繞翼型的環(huán)流之間的關(guān)系，建立了二維升力理論的數(shù)學基礎(chǔ)。他還研究過螺旋槳的渦流理論以及低速翼型和螺旋槳槳葉剖面等。他的研究成果，對空氣動力學的理論和實驗研究都有重要貢獻，為近代高效能飛機設(shè)計奠定了基礎(chǔ)。,流體力學的西方史,普朗特（L.Prandtl，1875－1953） 建立了邊界層理論，解釋了阻力產(chǎn)生的機制。以后又針對航空技術(shù)和其他

18、工程技術(shù)中出現(xiàn)的紊流邊界層，提出混合長度理論。1918-1919年間，論述了大展弦比的有限翼展機翼理論，對現(xiàn)代航空工業(yè)的發(fā)展作出了重要的貢獻。 卡 門（T.von Kármán，1881-1963）在1911-1912年連續(xù)發(fā)表的論文中，提出了分析帶旋渦尾流及其所產(chǎn)生的阻力的理論，人們稱這種尾渦的排列為卡門渦街。在1930年的論文中，提出了計算紊流粗糙管阻力系數(shù)的理論公式。嗣后，在紊流邊界層理論、超聲速空

19、氣動力學、火箭及噴氣技術(shù)等方面都有不少貢獻,流體力學的西方史,布拉休斯（H.Blasius）在1913年發(fā)表的論文中，提出了計算紊流光滑管阻力系數(shù)的經(jīng)驗公式?！〔饾h（E.Buckingham）在1914年發(fā)表的《在物理的相似系統(tǒng)中量綱方程應(yīng)用的說明》論文中，提出了著名的π定理，進一步完善了量綱分析法。尼古拉茲（J.Nikuradze）在1933年發(fā)表的論文中，公布了他對砂粒粗糙管內(nèi)水流阻力系數(shù)的實測結(jié)果--尼古拉茲曲線，據(jù)此他

20、還給紊流光滑管和紊流粗糙管的理論公式選定了應(yīng)有的系數(shù)。,流體力學的西方史,科勒布茹克（C.F.Colebrook）在1939年發(fā)表的論文中，提出了把紊流光滑管區(qū)和紊流粗糙管區(qū)聯(lián)系在一起的過渡區(qū)阻力系數(shù)計算公式。莫迪（L.F.Moody）在1944年發(fā)表的論文中，給出了他繪制的實用管道的當量糙粒阻力系數(shù)圖--莫迪圖。至此，有壓管流的水力計算已漸趨成熟。,流體力學在工程中的應(yīng)用,航空航天航海,船舶運動,地效翼艇 （WIG）,浮標,海洋