流体力学实验

3. 理论分析
根据流体运动的普遍规律如质量守恒、动量守恒及能量守恒等，利用数学 分析、物理学和基础力学等手段，观测和研究流体的运动规律，解释已知现 象、预测可能发生的现象。
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理论分析步骤 1）建立力学模型
针对实际的流体力学问题，分析主要矛盾，对问题进行适当简化，使得建 立的力学模型能够反映问题的本质。
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梵高的《星夜》
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• 17世纪，帕斯卡--静止流体中压力的概念
最基本的流体力学理论已经建立，但是流体力学作为一门严谨的学科，是 在经典力学建立了速度、加速度、力和流场等概念，以及动量、质量和能量 三个守恒定律之后才逐步形成。
ρ Au 2，牛顿粘性定律 17世纪，牛顿--Fr∝
关系
皮托--测量流速的皮托管 达朗贝尔--船只阻力与船体运动速度之间的平方 欧拉—连续介质概念，建立了欧拉方程，用微分 方程组描述了无粘流体的运动 伯努力—能量守恒，管道流动，得到了流体定常 运动下的流速、压力与管道扬程之间的关系，即伯努力方 程
• 古希腊，阿基米德--包括浮力定律和浮体稳定性的液体平衡 理论，奠定了流体静力学基础
此后千余年，流体力学停滞，没有重大发展!
• 15世纪，达·芬奇--谈到水波、管流、水力机械、鸟的飞翔 原理等，正确推导了一维不可压流动的质量守恒方程
在达芬奇和梵高的绘画作品中，旋涡图案及光与影的模式与流体力学理论惊 人相符 。
流体力学的分支—高超声速空气动力学、超声速空气动力 学、稀薄空气动力学、电磁流体力学等 • 20世纪60年代起，与其它学科交叉渗透形成新的学科或边 缘学科--物理—化学流体动力学、磁流体力学、生物流变 学等 随着社会的发展和技术的进步，实验流体力学的理论和 方法必将得到完善，解决更多的实际问题!!!
对自然界固有的流动现象或工程全尺寸实物，利用各种仪器进行系统观测， 总结出流体运动规律，预测流动现象的演变。（气象观测、预报） 问题：对现场的流动现象不能控制，发生条件不可能完全重复出现；花费 大量的人力、物力、财力。
2. 实验室模拟
根据数学、物理和流体力学基本理论的指导以及实验室条件，改变研究对 象的尺度建立模型，根据模型实验结果依据相似理论推算出原型的数据。 现场观测是对已有事物已有工程的观测，实验室模拟则可以对还没有出现 的事物及现象进行观察、预测，是一种研究流体力学问题的重要方法。
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（3）利用模拟技术解决工程实际问题和研究流动规律
例如： 将对某些对流体运动过程起主要作用的力（如惯性力、粘性力、浮力、或 重力等）组成无量纲参数来确定这些相似性参数和流动状态及流场特性的定 量关系，最大限度地精简实验内容，使大尺度流体运动的原型可以在实验室 简单的条件下得到重现。 利用模拟技术以最小的代价和最少的实验条件来发现、证实有价值的物理 规律或工程问题，具有重要意义！ 大型化工设备在设计制造过程中要在数十或数千分之一的模型中进行实验。 实验结果决定某一设计方案的取舍。 新型号的飞机、舰船设计需要做大量的模型实验： 飞机的气动力学实验--风洞实验 ； 舰船阻力拖曳、自航及耐波性实验、操纵性实验--方形水池
（八）实验教学环节
演示实验 第6周
1.流谱流线显示 2.水击原理 3.紊动机理 4.流场显示
操作实验
第7-16周
2. 动量定律 4. 沿程阻力 6. 毕托管 8. 能量方程
1. 孔口管嘴 3. 雷诺实验 5. 局部阻力 7. 文丘里
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第1章 实验流体力学绪论
1.1 实验流体力学及其发展简史
基础理论+测试系统及方法+数据处理和误差分析 实验流体力学 理论流体力学 计算流体力学 实验流体力学
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4. 数值计算
流体力学基本方程组非常复杂特别是考虑粘性流动时，几乎很少能够得到 解析解。 随着数学的发展和计算机的不断进步，各种数值计算方法不断涌现，这使 得原来无法求解的复杂流体力学问题有了求得数值解的可能性。流体流动的 数值模拟促进了流体力学研究的深入，并形成了一门新的学科分支：“计算 流体力学”。数值模拟和实验模拟相互配合，使得 流体相关的科学研究和工 程设计的速度大大加快，并节省了大量开支。 近年来数值计算方法发展迅速，重要性与日俱增! 虽然流体力学的研究手段和方法在飞速发展、不断进步，但是自然界及人 们日常成活中仍然有大量的实际问题仍然没有被解决，相对于其它学科，实 验流体力学的新任务和面临的新问题仍然十分艰巨，有待于依赖科学技术的 进步得到更深入的发展!
2）建立连续性方程、动量方程和能量方程
针对流体运动特点，应用质量、动量、能量守恒定律得到方程组，此外还 要加上某些联系流动参量的关系式或其它方程。
3）求解方程组
结合具体流动，回归解的物理意义，解释流动机理。通常还需将求解结果 与实验结果进行比较，确定解的准确程度及所建力学模型的适用范围。 从基本概念到基本方程的一系列定量研究均涉及到很深的数学问题，因此 流体力学的发展是以数学的发展为前提。对于进行流体力学研究的人来说， 数学基础十分重要!
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1.2 实验流体力学的研究内容
流体=气体+液体（颗粒悬浊液，非牛顿） 1. 大气运动、海水运动、岩浆流动
最常见的两种流体--大气、水。
2. 空气动力学、气体动力学 3. 渗流力学
（最活跃、成果丰富的领域）
飞机及各种新型飞行器、航空航天。 石油和天然气的开采、地下水的开发利用--多孔介质或缝隙介质中的流体 流动。
欧拉方程和伯努力方程的建立，标志着流体力学学科的形成，从此开始了 利用数学方法和实验测量进行流体运动定量研究的新阶段。
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• 18世纪，势流理论（理想流体）快速发展
揭示了水波、潮汐、涡旋运动、声学等方面的许多规律。
拉格朗日--无旋运动 亥姆霍兹--漩涡运动 • 19世纪，工程中的粘性流问题 纳维--总结出粘性流体的基本运动方程 斯托克斯--基于更合理的理论推导出该方程
9. 生物流变学
研究与人体或其它动植物有关的流体力学问题。如血液在血管中的流动、 心、肺中生理流体的运动和植物中营养液的输送；鸟类在空中的飞翔、动物 在水中的游动等等。 本研究室：低剪切速率下热量质量传递过程强化技术、机理研究--人工肺、换 热器、反应器
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1.3 实验流体力学的研究方法
1. 现场观测
4. 物理—化学流体动力学
具有化学反应和热能变化的流体力学问题--燃烧过程。
5. 爆炸力学
猛烈的瞬间能量变化及传递过程，涉及到气体动力学 。
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6. 多相流体力学
沙漠迁移、河流中的泥沙流动、管道中煤粉输送、化工单元操作中催化 剂的运动等，涉及到流体中携带固体颗粒或者液体中带有气泡等问题。
7. 等离子体动力学和电磁流体力学
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• 古罗马，大规模供水管道系统
较为完整的给排水体系，大型喷水池。铅制供水管道，直接通到私人住宅。 因“铅中毒”而衰亡？ （中国最早“城市供水系统” ：1879年,旅顺北郊水师营三八里村开始修建龙 引泉水源,当时是为了解决向清朝北洋水师基地旅顺港供水问题,李鸿章上奏 ‘凿石引泉’,这成就了我国历史上第一个“城市供水系统”。）
（四）流体力学测试仪器
1. 压力的测量 2. 液体式压力机 3. 压力传感器 4. 速度的测量 5. 流量的测量 6.温度及湿度的测量
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（五）绕流问题
1. 势流理论中的圆柱绕流 2. 机翼绕流
（六）边界层
1. 边界层基本理论 2. 边界层的测量
（七）管道流动
1. 管流基本理论 2. 管道流动实验
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以无粘性不可压缩势流理论为基础，阐明了机翼升力产生的机理。机翼理 论的正确性，使人们重新认识到了无粘流体理论对指导工程设计的重大意义。
20时40年代开始，航天飞行--气体动力学
随着喷气式发动机和火箭技术的应用，满足超音速飞行的需要。
爆炸波理论，爆炸力学
研究原子弹、炸药爆炸后激波在空气或水中的传播等的需要。
流体力学的理论基础
N-S方程
普朗特--通过推理、数学论证和实验测量，建立边界层理论
计算简单情形下边界层内的流动状态和流固间的粘性力。
• 20世纪初，空气动力学飞速发展
航空事业的发展要求揭示飞行器周围的压力分布、受力状况和阻力等问题， 促进了流体力学在实验和理论分析方面的发展。
13ຫໍສະໝຸດ Baidu
• 20世纪初，儒科夫斯基、恰普雷金、普朗克--机翼理论
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主要内容
（一）实验流体力学绪论
1.实验流体力学的发展简史及其研究内容 2.实验流体力学的研究方法和面临的问题
（二）基本理论及其方法
1. 相似理论 2. 水电比拟（略） 3. 数值模拟 4. 误差分析与数据处理
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（三）流体力学实验设备简介
1. 循环水槽 2. 风洞 3. 小型流体力学实验设备 4. 流动显示设备及技术
流体力学实验
学 总 学 课 堂 讲 实 分 时 授 验 1.5 32 8学时 24学时
流体力学研究室 卞永宁
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教
材：《应用流体力学实验》 毛根海 主编
毛根海，章军军，陈少庆，胡卫红 编著 高等教育出版社 定 价： 14.10元
其它材料：fluidexp_2009@126.com, student 实验报告要求及实验指导书 流体力学实验教学安排-2010年 实验轮流表（空白）
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1.4 实验流体力学的任务和面临的问题
1.实验流体力学的任务
（1）不断观察、研究流体的新现象和探索相应的基本规律
流体力学在许多分支中的新发现和重大研究成果不断涌现，更多的研究 领域和课题还有待于发掘，这些工作远非单纯的理论分析和数值方法能够 胜任。
（2）研究各种流动现象的本构关系
运动流体的本构关系随流体的流动状态、可压缩性、外力的作用以及边 界条件的不同或者变化而异。 例如： 物体绕流问题，远离物体的流体运动 忽略粘性影响，只有法向力； 物体附近，看作粘性流体，切向应力随流态变化。 流体流速接近声速时，流体的应力和应变之间的关系必须考虑可压缩性。 稀薄气体中粘性的影响区大大超出通常的边界层概念的数量级。 对于大量的实际流体来说，其本构关系大多有待于研究和确定。
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（4）研制新型实验仪器及其设备系统，发展新的测量方法
实验仪器及设备系统--实验研究的重要手段 利用或购买现有的专门产品，正确和熟练地使用仪器， 根据仪器和设备 的性能来设计实验放案、实现确定的目标。 自行研究、设计和开发新的仪器或测量方法。 各学科的实验研究方法通常可以相互借鉴，要熟知其中的一些方法和技巧。 计算机技术的发展和应用在实验流体力学中产生了巨大的影响，加速了测 量仪器的智能化和自动化，特别是在流速测量和流场显示技术方面 激光多普勒测速仪 LDV 激光流场显示仪 PIV
（1）湍流的形成机制及其内在规律
虽然经过几代人的努力，对湍流的认识已经大为深入，但是随着高新技术 的发展，过去的经验局限性逐渐显露，因此在湍流的研究上亟待突破。 （NSFC支持的重点!）
（2）各种涡系的生成、消长及流动分离的过程机理
各种飞行器、船舶在流体中运动特别是作非定常运动时会产生包括漩涡、 分离流动在内的非线性复杂流场。相关机理的解明对未来空中及水中航行器 的研制具有重大意义。
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2. 实验流体力学面临的问题
流体力学或实验流体力学在工程技术中的应用有目共睹： 超声速飞行、航空航天、海上石油天然气钻井平台、大型水利枢纽的设计 建造、大型建筑物及大跨度桥梁风载破坏实验……, 总之，没有流体力学的 发展，21世纪的许多工程技术、个别是高新技术的发展是不可能的. 流体力学或实验流体力学在取得巨大进展的同时，也留下了大量亟待解决 的问题：
流体力学
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实验流体力学贯穿于流体力学研究的各个领域 !!!
精细的观察和测量 揭示流动过程中流场各处的流动状态和特征 流动参数的直接测量 提供了各种特定流动的物理模型 关键性作用
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实验流体力学的发展历程
自然灾害，生产实践，社会发展---实验流体力学
• 秦朝，李冰父子--都江堰1,都江堰2
利用岷江出山口的山麓弧形，运用弯道环流原理，采用疏导型无坝引水方 式，建成由鱼嘴（自动分水）、飞沙堰（泄洪、排沙）、宝瓶口（引水口） 三大主体相辅相成的系统水利工程，至今仍然发挥着作用。
等离子体是自由电子、带等量正电荷的离子及中性粒子的集合体，常见 于受控热核反应、磁流体发电等过程中。在磁场的作用下等离子体有特殊的 运动规律。
8. 环境流体力学（环境空气动力学、建筑空气动力学）
风对建筑物、桥梁、电缆等作用使他们承受载荷并激发振动；废气、废 水的排放造成环境污染；河床冲刷迁移 和海岸遭受侵蚀—研究这些流体本身 与人类和自然界间的相互作用。