流体力学与传热学-1讲解
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工程流体力学与传热学
信息学院·次英
第一章 绪 论
§1.1 流体运动与流体力学
人类的祖先在海洋里生活了40亿年
人类在空气里也生活了700万年
虽然生活在流体环境中，人们对一些流体运动却缺乏认识:
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？
拉格朗日（1736－1813） 提出了新的流体动力学微分方程，并提出了流函数的概念。 纳 维 （ 1785－1836 法国） 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（ 1819－1903，英国） 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。统称为纳维-斯托克斯方程。 弗劳德（1810-1879） 提出了船模试验的相似准则数--弗劳德数。 亥姆霍兹（1821-1894）和基尔霍夫（1824-1887） 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。
2、理论阶段（十七世纪～十九世纪）
斯蒂文（1548-1620） 将用于研究固体平衡的凝结原理转用到流体上。 伽利略（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。
托里拆里（1608-1647） 论证了孔口出流的基本规律。 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（1642-1727） 提出牛顿内摩擦定律 伯努利（1700－1782） 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。 欧 拉（1707－1783） 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。
1) 空气看不见摸不着，水无色透明，人的肉眼难以
观察到真实的流动图像；
2) 即使能看到部分流动形态，由于变化太快肉眼无法
辨认。
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
§1.2 流体力学的研究对象、发展简况和研究方法
1、流体力学的研究对象 流体: 在静力平衡时，不能承受拉力或剪力的物体。
液体：无形状，有一定的体积；不易压缩，存在自由（液）面
气体：既无形状，也无体积，易于压缩。
流体力学：研究流体平衡、机械运动的规律以及在工程实际中的运用 任 务： 研究流体的运动规律；
在火箭、导弹、航天器的总体、动力、制导、气动力、结构、材料、计
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
3、第三阶段(二十世纪初至中叶)
流体力学理论、实验全面开展，航空航天迅速发展。
4、第四阶段——多学科互相渗透
工业流体力学、实验流体力学、地球流体力学、非牛顿流体力学、 多相流体力学、生物流体力学等都已形成独立的学科
足球运动的“香蕉球”现象可以帮助理解环流理论： 旋转的球带动空气形成环流，一侧气体加速，一侧气体减速， 形成压力差，使足球拐弯。
马格努斯效应 在炮弹的飞行中观察到的
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。
测量和计算表明上部吸力的贡献比下部要大得多。
人们之所以不能凭直觉来认识流体运动，是因为：
经过近80年的研究和改进，汽车阻力系数从0.8降至0.137，减少到原 来的1/5；
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
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； 19世纪初Байду номын сангаас体力学环流理论彻底改变了人们的传统观念；
流体之间或流体与固体之间的相互作用力；
流动过程中动量、能量和质量的传输规律等。
2、流体力学的发展简况 1、经验阶段（十七世纪前）
大禹治水 4000多年前的大禹治水 古代已有大规模的治河工程。 (公元前256～210年) 秦代，修建了都江堰、郑国渠、灵渠三大水利工程对明槽水流和堰 流流动规律的认识已经达到相当水平。 (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。 真州船闸（960-1126） 北宋时期，在运河上修建的真州船闸与十四世纪末荷兰的同类船相 比,约早三百多年。
阿基米德（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。 列奥纳德.达.芬奇（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。
高尔夫球
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； 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。
5倍
汽车 汽车发明于19世纪末，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； 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，改进汽车的尾部形状；
雷 诺（1842-1912） 用实验证实了粘性流体的两种流动状态──层流和紊流的存在，找到了 实验研究粘性流体流动规律的相似准则数──雷诺数。 普朗特（1875－1953） 建立了边界层理论，解释了阻力产生的机制。 钱学森 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。 周培源 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。
信息学院·次英
第一章 绪 论
§1.1 流体运动与流体力学
人类的祖先在海洋里生活了40亿年
人类在空气里也生活了700万年
虽然生活在流体环境中，人们对一些流体运动却缺乏认识:
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？
拉格朗日（1736－1813） 提出了新的流体动力学微分方程，并提出了流函数的概念。 纳 维 （ 1785－1836 法国） 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（ 1819－1903，英国） 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。统称为纳维-斯托克斯方程。 弗劳德（1810-1879） 提出了船模试验的相似准则数--弗劳德数。 亥姆霍兹（1821-1894）和基尔霍夫（1824-1887） 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。
2、理论阶段（十七世纪～十九世纪）
斯蒂文（1548-1620） 将用于研究固体平衡的凝结原理转用到流体上。 伽利略（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。
托里拆里（1608-1647） 论证了孔口出流的基本规律。 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（1642-1727） 提出牛顿内摩擦定律 伯努利（1700－1782） 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。 欧 拉（1707－1783） 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。
1) 空气看不见摸不着，水无色透明，人的肉眼难以
观察到真实的流动图像；
2) 即使能看到部分流动形态，由于变化太快肉眼无法
辨认。
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
§1.2 流体力学的研究对象、发展简况和研究方法
1、流体力学的研究对象 流体: 在静力平衡时，不能承受拉力或剪力的物体。
液体：无形状，有一定的体积；不易压缩，存在自由（液）面
气体：既无形状，也无体积，易于压缩。
流体力学：研究流体平衡、机械运动的规律以及在工程实际中的运用 任 务： 研究流体的运动规律；
在火箭、导弹、航天器的总体、动力、制导、气动力、结构、材料、计
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
3、第三阶段(二十世纪初至中叶)
流体力学理论、实验全面开展，航空航天迅速发展。
4、第四阶段——多学科互相渗透
工业流体力学、实验流体力学、地球流体力学、非牛顿流体力学、 多相流体力学、生物流体力学等都已形成独立的学科
足球运动的“香蕉球”现象可以帮助理解环流理论： 旋转的球带动空气形成环流，一侧气体加速，一侧气体减速， 形成压力差，使足球拐弯。
马格努斯效应 在炮弹的飞行中观察到的
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。
测量和计算表明上部吸力的贡献比下部要大得多。
人们之所以不能凭直觉来认识流体运动，是因为：
经过近80年的研究和改进，汽车阻力系数从0.8降至0.137，减少到原 来的1/5；
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
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； 19世纪初Байду номын сангаас体力学环流理论彻底改变了人们的传统观念；
流体之间或流体与固体之间的相互作用力；
流动过程中动量、能量和质量的传输规律等。
2、流体力学的发展简况 1、经验阶段（十七世纪前）
大禹治水 4000多年前的大禹治水 古代已有大规模的治河工程。 (公元前256～210年) 秦代，修建了都江堰、郑国渠、灵渠三大水利工程对明槽水流和堰 流流动规律的认识已经达到相当水平。 (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。 真州船闸（960-1126） 北宋时期，在运河上修建的真州船闸与十四世纪末荷兰的同类船相 比,约早三百多年。
阿基米德（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。 列奥纳德.达.芬奇（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。
高尔夫球
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； 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。
5倍
汽车 汽车发明于19世纪末，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； 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，改进汽车的尾部形状；
雷 诺（1842-1912） 用实验证实了粘性流体的两种流动状态──层流和紊流的存在，找到了 实验研究粘性流体流动规律的相似准则数──雷诺数。 普朗特（1875－1953） 建立了边界层理论，解释了阻力产生的机制。 钱学森 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。 周培源 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。