流体力学课件PPT孔珑主编

热能与动力工程教研室 王发辉
虽然生活在流体环境中，人们对一些 流体运动却缺乏认识，比如：
1. 高尔夫球 ：表面光滑还是粗糙？ 2. 汽车阻力： 来自前部还是后部？ 3. 机翼升力 ：来自下部还是上部？
高尔夫球运动起源于15世纪的苏格兰。
最早的高尔夫球（皮革已龟裂） 起初，人们认为表面光滑的球飞行阻力小，因此当时 用皮革制球。
大型水利枢纽工程，超高层建筑，大跨度 桥梁等的设计和建造离不开水力学和风工 程。
杨浦大桥
总之，没有流体力学的发展， 现代工业和高新技术的发展是不可 能的。
流体力学在推动社会发展方面做 出过很大贡献，今后仍将在科学与 技术各个领域发挥更大的作用。
第一章 绪论 一、流体力学研究的内容
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。
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流体力学也是众多应用科学和工程技术的基础。由于 空气动力学的发展，人类研制出3倍声速的战斗机。
F-15
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。
利用超高速气体动力学，物理化学流体力学和稀薄气体力 学的研究成果，人类制造出航天飞机，建立太空站，实现 了人类登月的梦想。

90年代以后，科研人员研制开发了气动性能更优 良的未来型汽车，阻力系数仅为0.137。
90年代以后，科研人员研制开发了气动性能更优良 的未来型汽车，阻力系数仅为0.137。
目前在汽车外形设计中，流体力学性能研究已 占主导地位，合理的外形使汽车具有更好的动 力学性能和更低的耗油率。
机翼升力 人们的直观印象是空气从下面冲击着 鸟的翅膀，把鸟托在空中。
3 . 从19世纪末起，人们将理论分析方法和实验分析方法 相结合，以解决实际问题，同时古典流体力学和实验流体 力学的内容也不断更新变化，如提出了相似理论和量纲分 析，边界层理论和紊流理论等，在此基础上，最终形成了 理论与实践并重的研究实际流体模型的现代流体力学。在 20世纪60年代以后，由于计算机的发展与普及，流体力 学的应用更是日益广泛。
此后，流体力学的发展主要经历了三个阶段：
１.伯努利所提出的液体运动的能量估计及欧拉 所提出的液体运动的解析方法，为研究液体运 动的规律奠定了理论基础，从而在此基础上形 成了一门属于数学的古典“水动力学”（或古 典“流体力学”）。
2. 在古典“水动力学”的基础上纳维和斯托克斯 提出了著名的实际粘性流体的基本运动方程——纳 维-斯托克思方程(N-S方程)。从而为流体力学的长 远发展奠定了理论基础。但由于其所用数学的复杂 性和理想流体模模型的局限性，不能满意地解决工 程问题，故形成了以实验方法来制定经验公式的 “实验流体力学” 。但由于有些经验公式缺乏理 论基础，使其应用范围狭窄，且无法继续发展。
后来发现表面有很多划痕的旧球反而飞得更远。 这个谜直到20世纪建立流体力学边界层理论后才解开。
现在的高尔夫球表面有许多窝，在同样大小和重量下， 飞行距离为光滑球的5倍。
光滑的球和非光滑球对比
汽车阻力 汽车发明于19世纪末。
当时人们认为汽车高速前进时的阻力主要来自车前部 对空气的撞击。
因此早期的汽车后部是陡峭的，称为箱型车，阻力系 数CD很大，约0.8
排水量达50万吨以上的超大型运输船
时速达200公里的新型地效艇等，它们的设计 都建立在水动力学，船舶流体力学的基础之上。
用翼栅及高温，化学，多相流动理论设计制造成功 大型气轮机，水轮机，涡喷发动机等动力机械，为 人类提供单机达百万千瓦的强大动力 。
气轮机叶片
大型水利枢纽工程，超高层建筑，大跨度桥 梁等的设计和建造离不开水力学和风工程。
流体力学的萌芽，是自距今约2200年以前，西 西里岛的希腊学者阿基米德写的“论浮体”一文 开始的。 他对静止时的液体力学性质作了第一次 科学总结。 流体力学的主要发展是从牛顿时代开始的， 1687年牛顿在名著《自然哲学的数学原理》中讨 论了流体的阻力、波浪运动，等内容，使流体力 学开始成为力学中的一个独立分支。
流体力学所研究的基本规律，有两大 组成部分：
１.流体静力学：它研究流体处于静止（或相对平衡） 状态时，作用于流体上的各种力之间的关系。 ２.流体动力学：它研究流体在运动状态时，作用于流 体上的力与运动要素之间的关系，以及流体的运动特 征与能量转换等，这一部分称为流体动力学。
流体力学在研究流体平衡和机械运动规律时， 要应用物理学及理论力学中有关物理平衡及运动 规律的原理，如力系平衡定理、动量定理、动能 定理等等。因为流体在平衡或运动状态下，也同 样遵循这些普遍的原理。所以物理学和理论力学 的知识是学习流体力学课程必要的基础。
测量和计算表明上部吸力的贡献 比下部要大。
NACA2412翼型在7.4度攻角时的压强分布
丰富多彩的流动图案背后隐藏着复杂的力学规律， 有些动物具有巧妙运用这些规律的本领。
地球表面水和空气的运动是气象、水文、水利、 环保、农业、航空、航海、渔业、国防等部门研 究的对象。
航空、航天、造船、机械、动力、冶金、化工、 石油、建筑等部门设备中的工作介质都是流体， 改进流程，提高效率，需要流体力学知识。
目前，根据流体力学在各个工程领域的应用，流体 力学可分为以下三类：
水利类流体力学：面向水工、水动、海洋等；
机械类流体力学：面向机械、冶金、化工、水机 等； 土木类流体力学：面向市政、工民建、道桥、城市防
洪等。 大气类流体力学：飞机、飞行器外行的设计，天气预 报，环境污染预报等。
二、 流体力学的发展历史
实际上，汽车阻力主要取决于后部形成的尾流。
20世纪30年代起，人们开始运用流体力学原理，改 进了汽车的尾部形状，出现了甲壳虫型，阻力系数 下降至0.6。
50～60年代又改进为船型，阻力系数为0.45。
80年代经风洞实验系统研究后，进一步改进为鱼 型，阻力系数为0.3。
后来又出现楔型，阻力系数为0.2。
19世纪初流体力学环流理论彻底改变了人们的传 统观念。
脱体涡量与机翼环量大小相等方向相反
足球运动的香蕉球现象可以帮助理解环流理论：
旋转的足球带动空气形成环流，一侧气流加 速，另一侧气流减速，形成压力差，促使足 球拐弯，称为马格努斯效应。
机翼的特殊形状使它不用旋转就能产生 环流，上部流速加快形成吸力，下部流 速减慢形成压力。