山东大学工程流体力学课件

流体力学的西方史
• 普朗特（L.Prandtl，1875－1953） 建立了边界层理论，解释了阻力产生的机制。 以后又针对航空技术和其他工程技术中出现的 紊流边界层，提出混合长度理论。1918-1919 年间，论述了大展弦比的有限翼展机翼理论， 对现代航空工业的发展作出了重要的贡献。
卡 门（T.von Kármán，1881-1963）在19111912年连续发表的论文中，提出了分析带旋涡 尾流及其所产生的阻力的理论，人们称这种尾 涡的排列为卡门涡街。在1930年的论文中，提 出了计算紊流粗糙管阻力系数的理论公式。嗣 后，在紊流边界层理论、超声速空气动力学、 火箭及喷气技术等方面都有不少贡献
研究任务： 研究流体所遵循的宏观运动规律以及流体和周围物体之间 的相互作用。
研究方法



理论分析: 根据实际问题建立理论模型 涉及微分体 积法 速度势法 保角变换法 实验研究方法: 根据实际问题利用相似理论建立实 验模型 选择流动介质 设备包括风洞、水槽、水洞、 激波管、测试管系等 数值计算方法 ：根据理论分析的方法建立数学模型， 选择合适的计算方法，包括有限差分法、有限元法、 特征线法、边界元法等，利用商业软件和自编程序 计算，得出结果，用实验方法加以验证。
应用广泛已派生出很多新的分支:
电磁流体力学、生物流体力学 化学流体力学、地球流体力学 高温气体动力学、非牛顿流体力学 爆炸力学、流变学、计算流体力学等
第三节 流体的定义及特征
流体 能够流动的物质叫流体 在任何微小的剪切力的作用下都能够发生连续变形 的物质称为流体。包括－－－气体、液体 • 气体无一定形状和体积。
流体力学的西方史
• 伯努利（D.Bernoulli，1700 －1782）瑞士科学家 在1738年出版的名著 《流体动力学》中，建立了 流体位势能、压强势能和动 能之间的能量转换关系── 伯努利方程。在此历史阶段， 诸学者的工作奠定了流体静 力学的基础，促进了流体动 力学的发展。
流体力学的西方史
流体力学的西方史
• 科勒布茹克（C.F.Colebrook）在1939年发表的论 文中，提出了把紊流光滑管区和紊流粗糙管区联系 在一起的过渡区阻力系数计算公式。
• 莫迪（L.F.Moody）在1944年发表的论文中，给出 了他绘制的实用管道的当量糙粒阻力系数图--莫迪 图。至此，有压管流的水力计算已渐趋成熟。
流体力学的发展简史
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。
(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。
流体力学的西方史
• 瑞 利（L.J.W.Reyleigh，1842-1919英国）在相似原 理的基础上，提出了实验研究的量纲分析法中的一种 方法--瑞利法。 • 库 塔（M.W.Kutta，1867－1944）1902年就曾提出 过绕流物体上的升力理论，但没有在通行的刊物上发 表。 • 儒科夫斯基（Н.Е.Жуковский,1847－1921） 从1906年起，发表了《论依附涡流》等论文，找到了 翼型升力和绕翼型的环流之间的关系，建立了二维升 力理论的数学基础。他还研究过螺旋桨的涡流理论以 及低速翼型和螺旋桨桨叶剖面等。他的研究成果，对 空气动力学的理论和实验研究都有重要贡献，为近代 高效能飞机设计奠定了基础。
• 就易变形性而言，液体与气体属于同类。
流体的易变形性
在受到剪切力持续作用时，固体的变形一般 是微小的(如金属)或有限的(如塑料)，但流 体却能产生很大的甚至无限大(只作用时间 无限长)的变形；
第三节 流体的定义及特征
• 当剪切力停止作用后，固体变形能恢复或部分恢复，流体 则不作任何恢复。
•固体内的切应力由剪切变形量(位移)决定，而流体内 的切应力与变形量无关，由变形速度(切变率)决定。
流体力学在工程中的应用
• 航空航天航海
海洋平台
潜器
船舶运动
地效翼艇
（WIG）
浮标
流体力学在工程中的应用
• 能源动力
Wind Turbine
发动机 四冲程
• 能源动力
飞机发动机
蒸汽机车
建筑与环境
节 能 型 建 筑
杨浦大桥
气象科学
气象云图
龙卷风
环境控制
电厂冷却塔
污水净化设备模型
生物仿生学
信天翁滑翔
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。
流体力学在中国
• 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。
将用于研究固体平衡的凝结原理转用到流体上。 伽利略（Galileo,1564-1642）
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。 托里析利（E.Torricelli,1608-1647） 论证了孔口出流的基本规律。
流体力学的西方史
• 帕斯卡（B.Pascal,1623-1662） 提出了密闭流体能传递压强的原理--帕斯卡原 理。 • 牛 顿 是英国伟大的数学家、物理学家、天文学家 和自然哲学家。1642年12月25日生于英格兰 林肯郡格兰瑟姆附近的沃 尔索普村，1727年3月20日在伦敦病逝。牛顿 在科学上最卓越的贡献是微积分和经典力学 的创建。牛顿的成就，恩格斯在《英国状况 十八世纪》中概括得最为完整："牛顿由于发 明了万有引力定律而创立了科学的天文学， 由于进行了光的分解而创立了科学的光学， 由于创立了二项式定理和无限理论而创立了 科学的数学，由于认识了力的本性而创立了 科学的力学"。
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流体力学的西方史 • 纳维（C.-L.-M.-H.Navier）首先提出了不可压缩粘性流体 的运动微分方程组。斯托克斯（G.G.Stokes）严格地导出 了这些方程，并把流体质点的运动分解为平动、转动、均 匀膨胀或压缩及由剪切所引起的变形运动。后来引用时， 便统称该方程为纳维-斯托克斯方程。
纳维（L.Navier， 1785－1836，法国）
流体力学的西方史
• 弗劳德（W.Froude，1810-1879）对船舶阻力和摇摆的 研究颇有贡献，他提出了船模试验的相似准则数--弗劳德数， 建立了现代船模试验技术的基础。 亥姆霍兹（H.von Helmholtz,1821-1894）和基尔霍夫 （G.R.Kirchhoff,1824-1887）对旋涡运动和分离流动进行 了大量的理论分析和实验研究，提出了表征旋涡基本性质 的旋涡定理、带射流的物体绕流阻力等学术成就。
第一章 绪 论
课程安排
学时数：64＝58（理论课）＋6（实验课） 课程性质：技术基础课
教 材： 杜广生《工程流体力学》中国电力出版社2005.1
参考书：孔 珑《流体力学》Ⅰ高等教育出版社 2003.9
孔 珑《流体力学》Ⅱ高等教育出版社 2003.9
陈卓如《工程流体力学》第二版 高等教育出版社 2004.1 丁祖荣《流体力学》上册高等教育出版社2003.12
• 欧 拉（L.Euler，1707－1783） 是经典流体力学的奠基人，1755 年发表《流体运动的一般原理》，提 出了流体的连续介质模型，建立了连 续性微分方程和理想流体的运动微分 方程，给出了不可压缩理想流体运动 的一般解析方法。他提出了研究流体 运动的两种不同方法及速度势的概念，
并论证了速度势应当满足的运动条件 和方程。
流体力学的西方史
• 布拉休斯（H.Blasius）在1913年发表的论文中，提出了 计算紊流光滑管阻力系数的经验公式。 • 伯金汉（E.Buckingham）在1914年发表的《在物理的 相似系统中量纲方程应用的说明》论文中，提出了著名的 π定理，进一步完善了量纲分析法。
• 尼古拉兹（J.Nikuradze）在1933年发表的论文中，公布 了他对砂粒粗糙管内水流阻力系数的实测结果--尼古拉兹 曲线，据此他还给紊流光滑管和紊流粗糙管的理论公式选 定了应有的系数。
流体力学的西方史
• 阿基米德（Archimedes，公元前287－212） • 欧美诸国历史上有记载的最早从事流体力学 现象研究的是古希腊学者阿基米德在公元前 250年发表学术论文《论浮体》，第一个阐明 了相对密度的概念，发现了物体在流体中所 受浮力的基本原理──阿基米德原理。
流体力学的西方史
列奥纳德.达.芬奇 （Leonardo.da.Vinci,1452－1519） 著名物理学家和艺术家 设计建造了一小型水渠， 系统地研究了物体的沉浮、孔口出流、物体的运 动阻力以及管道、明渠中水流等问题。 斯蒂文（S.Stevin,1548-1620）
流体力学在中国
• 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。