第1章_绪论_流体力学-授课(终)

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。
纳维尔 斯托克斯
N－S方程
黏性流体运动微分方程
流体动力学基础
1883—— 雷诺
层流、紊流
流动阻力
雷诺应力
英国力学家、物理学家和工程师。 杰出的实验科学家。
儒可夫斯基
机翼理论—— 升力公式 机翼设计
绕流运动
1912——卡
门
卡门涡街
美国著名空气动力学家
解释机翼张线的"线鸣"、 水下螺旋桨的"嗡鸣"

李冰（公元前302—235）伟大的水利学 家。他领导创建了目前世界上历史最悠 久的水利工程——都江堰。李冰总结了 前人治水的经验，在渠首工程的选点上 作了深刻的科学研究。精心地选择在成 都平原顶点的岷江上游出山口处作为工 程地点，采用乘势利导、因时制宜的治 水方略，修建了都江堰水利工程：无坝 引水的鱼嘴分水堤，泄洪排沙的溢洪道， 保证成都平原引足春水和控制洪水的咽 喉工程宝瓶口。使鱼嘴分水堤、宝瓶口、 飞沙堰溢洪道三大主体工程各有其独特 的功能和作用。它们之间相互依存，相 互制约，形成布局合理的系统工程，联 合发挥分流分沙、泄洪排沙、引水输沙 的重要作用。其科学合理的设计方案， 仍令当今科学界赞叹不已。都江堰保证 了流区千万亩农田和城市用水的需要， 使其枯水不缺、洪水不淹、泥沙少淤、
二、流体力学概念
流体力学是力学的一个独立分支，是一门研究流体 的平衡和流体机械运动规律及其实际应用的技术科 学。 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。
流体：具有流动性。在静止时不能承受剪切力或拉力，而能承 受一定压力。
流体力学中研究得最多的流体是水和空气。 3、液体和气体的共同点： 两者均具有易流动性，即在任何微小切应力作用 下都会发生变形或流动，故二者统称为流体。 4、液体和气体的区别： (1)气体易于压缩；而液体难于压缩； (2)液体有一定的体积，存在一个自由液面；气体 能充满任意形状的容器，无一定的体积，不存在 自由液面。


丹· 伯努利（Daniel Bernoull， 1700—1782）：瑞士科学家， 他在流体力学、气体动力学、 微分方程和概率论等方面都有 重大贡献，是理论流体力学的 创始人。 以《流体动力学》 （1738）一书著称于世，书中 提出流体力学的一个定理，反 映了理想流体（不可压缩、不 计粘性的流体）中能量守恒定 律。这个定理和相应的公式称 为伯努利定理和伯努利公式。 他与欧拉是好友。

理论分析的步骤大致如下：
首先是建立“力学模型”，即针对实际流体的力学问题， 分析其中的各种矛盾并抓住主要方面，对问题进行简化 而建立反映问题本质的“力学模型”。

其次是针对流体运动的特点，用数学语言表达，从而得 到连续性方程、动量方程和能量方程。此外，还要加上 某些联系流动参量的关系式(例如状态方程) 。这些方 程合在一起称为流体力学基本方程组。

周培源（ 1902－1993)。 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，至今仍是 国内外许多优良叶轮机械设计计算的主要依据。
求出方程组的解后，结合具体流动，解释这些解的物理 含义和流动机理。

2、实验方法：通过对具体流动的观察与测量，来认识流动 规律。至今，工程中的许多问题，即使能用现代理论分析与 数值计算求解，最终还要借助实验检验修正。 实验研究形式：包括原型实验（现场观测）和模型试验。

模型实验在流体力学中占有重要地位。把研究对象的尺度改 变(放大或缩小)以便能安排实验。根据模型实验所得的数据可 以用像换算单位制那样的简单算法求出原型的数据。
掌 握 ——基本概念、基本原理
基本计算方法
明 确 ——公式推导的前提条件、适用范围
各种系数的确定方法 结合实际灵活运用
熟 悉 ——测压、测速、测流量的仪器原理
使用方法
五、流体力学发展史
第一时期： 18世纪以前 第二时期： 18世纪——20世纪初叶 第三时期： 近代
第一时期： 18世纪以前
1755—— 欧拉
理想流体平衡 微分方程
第二章
流体静力学
理想流体运动 微分方程
第三章 流体动力学基础
瑞士数学家、力学家、天文学家、物理学家， 变分法的奠基人，复变函数论的先驱者，理 论流体力学的创始人。

L 欧拉（Leonhard Euler ，1707— 1783）：瑞士数学家、力学家、天 文学家、物理学家，变分法的奠基人， 复变函数论的先驱者，理论流体力学 的创始人。 柏林科学院的创始人之 一。他是刚体力学和流体力学的奠基 者，弹性系统稳定性理论的开创人。 他认为质点动力学微分方程可以应用 于液体。他曾用两种方法来描述流体 的运动，即分别根据空间固定点 （1755）和根据确定的流体质点 （1759）描述流体速度场。前者称 为欧拉法，后者称为拉格朗日法。欧 拉奠定了理想流体的理论基础，给出 了反映质量守恒的连续方程（1752） 和反映动量变化规律的流体动力学方 程（1755）。欧拉的专著和论文多 达800多种。
3、数值方法是在计算机应用的基础上，采用各
种离散化方法（有限差分法、有限元法等），建 立各种数值模型，通过计算机进行数值计算和数 值实验，得到在时间和空间上许多数字组成的集 合体，最终获得定量描述流场的数值解。近二三 十年来，这一方法得到很大发展，已形成专门学 科——计算流体力学。
1612年—— 伽利略—— 潜体的沉浮原理 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。
第二章 流体静力学
1643年—— 托里拆利—— 孔口泄流公式 1650年—— 帕斯卡—— 液体中压力传递定律
1686—— 牛顿——《自然哲学的数学原理》
流体力学第一部著作
公元前250年—— 阿基米德——《论浮体》
第二章 流体静力学
古希腊数学家、力学家，静力学 和流体静力学的奠基人
达芬奇——
实验方法了解水流性态 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 水力学

达· 芬奇（Leonardo da Vinci ,1452—1519）：意大利文 艺复兴时期的美术家、自然科学 家、工程师，是力学理论的奠基 者，为水力学、流体力学古典理 论的形成做出了重要贡献。他强 调数学和力学是自然科学的基础。 在军事、水利、土木、机械工程 等方面有许多重要的设想和发 现。 达· 芬奇的力学研究并不只限 于理论上。他还运用力学和机械 原理设计了许多机器和器械，参 加了运河、水利和建筑工程的设 计和施工。他通过对鸟翼运动的 研究，于1493年首次设计出一个 飞行器。他在水力学方面写有许 多重要手稿，并在他死后以《水 的运动与测量》为题出版。
流体黏性 牛顿内摩擦定律
第一章 黏性
英国伟大的数学家、物理学家、 天文学家和自然哲学家。
古典流体力学成 为一门独立学科
第二时期： 18世纪——20世纪初叶
1738—— 伯努利 伯努利方程
流体动力学基本公式
第三章 流体动力学基础
瑞士科学家，曾在俄国彼得堡科学院任教，他在流 体力学、气体动力学、微分方程和概率论等方面都 有重大贡献，是理论流体力学的创始人。
1904——普朗特
边界层理论
流动阻力
德国力学家。现代流体力学的创始人之一。边界层 理论、风洞实验技术、机翼理论、紊流理论等方面 都作出了重要的贡献，被称作空气动力学之父。
第三时期： 近
代
三元流动理论 计算流体力学
多相流
环境流体力学 磁流体力学 非牛顿流体力学
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。
模型理论：量纲分析（因次 分析） 、相似理论，如原形和 模型之间的Re相似或Fr相似
现场观测是对自然界固有的流动现象或已有工程的 全尺寸流动现象，利用各种仪器进行系统观测，从 而总结出流体运动的规律，并借以预测流动现象的 演变。 现场观测常常是对已有事物、已有工程的观测，而 实验室模拟却可以对还没有出现的事物、没有发生 的现象(如待设计的工程、机械等)进行观察，使之 得到改进。因此，实验室模拟是研究流体力学的重 要方法。

流体力学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， 本构方程和物理学、化学的基础知识。
三、研究内容
平衡规律
绝对静止
相对静止 压力分布 压力计算
流体静力学
流体运动学
流动规律
管 流 绕Hale Waihona Puke Baidu流 明 渠流
速度分布 压力分布 能量损失
流、固体相互作用
力与流动的关系
流体动力学
四、重点内容
流体力学
绪 论
流体力学及其任务 作用在流体上的力 流体的主要物理性质 牛顿流体和非牛顿流体
第一节 流体力学的任务及发展简史
一、流体的概念
1、流体的定义 在物理性质上，具有受任何微小的剪切力都能 产生连续变形的特性，即流动性的介质。 2、流体和固体的区别:
从力学分析的意义上看，在于它们对外力抵抗的能力不同。 固体：既能承受压力，也能承受拉力与抵抗拉伸变形。
六 流体力学的研究方法


1、理论方法是通过对液体物理性质和流动特性的科学抽象 （近似），提出合理的理论模型。对这样的理论模型，根据 机械运动的普遍规律，建立控制流体运动的闭合方程组，将 原来的具体流动问题转化为数学问题，在相应的边界条件和 初始条件下求解。 理论研究方法的关键在于提出理论模型，并能运用数学方法 求出理论结果。 理论方法中，流体力学引用的主要定理有： 质量守恒定律： 动量守恒定律： 牛顿运动第二定律： 能量守恒定律：动能+压能+位能+能量损失=const
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。


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。 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。
(公元前256~210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。 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。
李冰（公元前302-235）
都江堰

“寸金难买寸光阴”对我们来说 是再熟悉不过的诗句了，但是 其中却揭示了计量时间的方法。 我国古代计时是用铜壶滴漏， 它使水从高度不等的几个容器 里依次滴下来，最后滴到最低 的有浮标的容器里，根据浮标 上的刻度也就是根据最低容器 里的水位来读取时间。这样， 就使无形的时间改换成有形的 尺寸了。光阴自然可以用寸来 计量。 铜壶漏滴中的最低容器里 的水位，是由高处的水一滴一 滴流下来，经过长时间的积累 而形成的，所以铜壶滴漏的计 时原理实质上就是水滴总数的 自动累计。