流体力学综述

流体力学综述

奇妙的流体力学：流体力学是研究流体在受到一系列力和边界条件作用时流体的运动和内部应力的科学。生活中我们与流体力学息息相关，很多貌似很奇怪、很难理解的现象，如河流中沙丘的形成、浴帘效应、杯中水的涡旋等现象，都可以用流体力学的只是来解释 流体力学的特点：

1、研究对象范围广：大到宇宙中的天体星云，小到人体内的毛细血管大气运动、沙漠迁移、河流泥沙运动、管道中煤粉输送、化工中气体催化剂的运动海水运动(包括波浪、潮汐、中尺度涡旋、环流等)乃至地球深处熔浆的流动，都属于流体力学的研究范畴。

2、研究历史悠久：流体力学是在人类同自然界作斗争和在生产实践中逐步发展起来的。公元前2000余年中国有大禹治水疏通江河的传说；秦朝李冰父子带领劳动人民修建的都江堰，至今还在发挥着作用；大约与此同时，古罗马人建成了大规模的供水管道系统等等，这都是人们对于自然的探索与改造。箭弩的发明反映了原始人对箭头的流线型降低摩阻及尾翅的稳定性问题的探索。

3、对整个自然科学贡献大：流体力学为自然科学的研究提供里一个完整的体系，并且对整个自然科学的一些根本性的东西产生了重要的影响。作为与量子力学、相对论相齐名的一个重大科学理论，混沌理论自产生以来产生的巨大影响同时也被广泛应用于各领域。

流体力学的研究内容：

1、流体静力学：主要研究流体处于静止状态时的力和平衡关系。

⏹ 浮力规律的探讨—阿基米德（十七世纪以前）

对流体力学学科的形成作出第一个贡献的是古希腊的阿基米德，静力学和流体静力学的奠基人，他建立了包括物理浮力定律和浮体稳定性在内的液体平衡理论，奠定了流体静力学的基础。他的著作《论浮体》相当详细地讨论了正回旋抛物体在流体中的稳定性，研究了不同的高与底的比、具有不同的比重及在流体中处于不同位置时这种立体的性态。

⏹ 帕斯卡原理（静压传递原理）（1651-1654）

其基本内容是加在密闭液体任何一部分上 const 2g 2

=+g

v p ρ 的压强，必然按照其原来的大小由液体向各个方向传递。帕斯卡的著作《论液体的平衡和空气的重力》代表了十七世纪力学发展的里程碑。静压传递原理是液压与气压传动的基础，在液压千斤顶、液压机等机械上有非常广泛的应用。

F1／F2（F 为施加的力）＝S2／S2（S 指大小活塞的面积）

2、 理想流体的运动学和动力学 ：流体动力学中主要研究无粘性不可压缩流体在绕过物体时的流动和管内流动规律的一个分支，又称经典流体动力学。这一学科分支的任务是求解流场中的速度、压力分布和物体受力。它忽略了真实流体的粘性和压缩性，也不考虑表面张力，从而大大简化了复杂的流体动力学问题，故常作为近似处理许多工程问题的依据。

牛顿、伯努利、欧拉、拉格朗日、拉普拉斯、纳维、柯西、泊松、圣维南、斯托克斯、雷诺等科学家对流体力学的发展都做出了巨大贡献。

⏹ 牛顿-站在巨人的肩上：他的著作《自然哲学的数学原理》发表于1687年，牛顿内摩擦定律-第一个系统研究流体力学的人。他所研究的流体我们定义为“牛顿流体”，是指在受力

后极易变形，且切应力与变形速率成正比的低粘性流体。“牛顿流体” 任一点上的剪应力都同剪切变形速率呈线性函数关系的流体，最简单的牛顿流体流动是二无限平板以相对速度U 相互平行运动时,两板间粘性流体的低速定常剪切运动（或库埃特流动）。

⏹ 伯努利方程-欧拉const 2g 2

=+g

v p ρ 伯努利1738年发表《流体动力学》一书，伯努利方程是理想流体定常流动的动力学方程，意为流体在忽略粘性损失的流动中，流线上任意两点的压力势能、动能与位势能之和保持不变。。欧拉方程和伯努利方程的建立，是流体动力学作为一个分支学科建立的标志，从此开始了用微分方程和实验测量进行流体运动定量研究的阶段。

⏹ “达朗贝尔佯缪”：我们知道根据无黏不可压缩流体无旋流动的理论，一个有限大小的物体在无边际的流体中匀速运动时，只要是附体流动、没有分离，则不论物体的形状如何，都不会受到阻力。

⏹ 雷诺实验揭示了重要的流体流动机理，即根据流速的大小,流体有两中不同的形态。当流体流速较小时，流体质点只沿流动方向作一维的运动，与其周围的流体间无宏观的混合即分层流动这种流动形态称为层流或滞流。流体流速增大到某个值后，流体质点除流动方向上的流动外，还向其它方向作随机的运动，即存在流体质点的不规则脉动，这种流体形态称为湍流。

3、 运动学：是在不考虑引起流体运动的作用力的情况下，对流体运动规律进行研究和描述。 ⏹ 描写流体运动的方法：拉格朗日方法和欧拉方法

拉格朗日方法着眼于流体质点，设法描述每个流体质点的位置随时间变化的规律。通常利用初始时刻流体质点的直角坐标或曲线坐标a 、b 、c 作为区分不同流体质点的标志。流体质点的运动规律可表示为r=r （a 、b 、c 、t ），其中r 是流体质点的矢径；t 为时间；a 、b 、c 、t 统称为拉格朗日变量。

欧拉方法着眼于空间点，设法在空间每一点上描述流体运动随时间的变化状况。流体质点的运动规律可用速度矢量v=v （r 、t ）表示，其中r 、t 称为欧拉变量。

从运动学的角度讲，欧拉法主要是确定速度向量u 是如何随空间点和时间t 变化的。在直角坐标系中，流速场可表达为，u=u (x,y,z,t),

应该指出的是，拉格朗日法和欧拉法在研究流体运动时，只是着眼点不同而已，并没有本质的差别，对于同一个问题，用两种方法描述的结果是一致的。事实上，这两种方法可以互相转换的。

⏹ 流场可视化：激光多普勒测速、粒子图像速度场（PIV ）、高速摄像、示踪方式（示踪粒子、气泡示踪、染色流体、荧光剂） 4、动力学：研究运动流体的规律和运动流体与边界之间相互作用的流体力学分支。流体动力学的主要内容包括：流体动力学基本方程、无粘性不可压缩流体动力学、粘性不可压缩流体动力学、气体动力学和透平机械气体动力学。

流体动力学研究的对象是运动中的流体(流体指液体和气体)的状态与规律。 流体动力学底下的小学科包括有空气动力学(研究气体)和 hydrodynamics(研究液体)。流体动力学有很大的应用，在预测天气，计算飞机所受的力和力矩，输油管线中石油的流率等方面。其中的的一些原理甚至运用在交通工程.交通运输本身被视为一连续流体，解决一个典型的流体动力学问题，需要计算流体的多项特性，包括速度、压力、密度、温度。

⏹ 计算流体力学（CFD ）