流体力学简史
流体力学发展历程
流体力学发展历程流体力学是研究流体的运动和力学性质的学科,其发展历程可以追溯到古代。
本文将从古代到现代,梳理流体力学的发展历程。
古代,人们对水的运动和性质有了初步的认识。
古希腊的亚里士多德提出了流体的连续性原理,他认为流体是连续不断的。
在古代中国,张衡发明了地动仪,通过水的流动来模拟地震,这也是古代流体力学的重要成果之一。
17世纪,随着科学革命的兴起,流体力学开始得到系统的发展。
英国科学家牛顿提出了流体的黏性理论,他认为流体的黏性是导致流体摩擦的原因。
此后,德国数学家伯努利提出了伯努利原理,揭示了流体运动中能量守恒的基本原理。
18世纪,瑞士数学家欧拉为流体力学奠定了坚实的理论基础。
他提出了欧拉方程,描述了理想流体的运动规律。
欧拉方程是流体力学的基本方程之一,对后来的研究具有重要影响。
19世纪,流体力学的研究逐渐扩展到气体和空气动力学领域。
德国物理学家克劳修斯提出了克劳修斯方程,描述了气体的运动规律。
克劳修斯方程是流体力学中重要的方程之一,被广泛应用于航空航天领域。
20世纪初,爱尔兰数学家雷诺为流体力学的发展做出了重要贡献。
他提出了雷诺数,用于描述流体流动的稳定性。
雷诺数在流体力学中具有重要的应用价值,被广泛用于流体力学实验和数值模拟中。
20世纪中叶以后,随着计算机技术和数值模拟方法的发展,流体力学得到了广泛的应用和研究。
计算流体力学(CFD)成为流体力学研究的重要工具之一,可以通过数值方法模拟和预测流体的运动和性质。
近年来,随着科学技术的不断进步,流体力学的研究也在不断深入。
人们开始研究微观尺度下的流体力学问题,如纳米流体力学和微流体力学。
此外,流体力学在生物医学领域的应用也越来越广泛,如血液流动、呼吸系统等。
总结起来,流体力学的发展历程可以追溯到古代,经过了古代的初步认识、17世纪的理论建立、18世纪的基础奠定、19世纪的扩展应用以及20世纪的数值模拟和应用拓展。
随着科学技术的发展,流体力学的研究也在不断深入,为我们认识和应用流体提供了重要的理论和方法。
流体力学发展简史.
流体力学发展简史流体力学作为经典力学的一个重要分支,其发展与数学、力学的发展密不可分。
它同样是人类在长期与自然灾害作斗争的过程中逐步认识和掌握自然规律,逐渐发展形成的,是人类集体智慧的结晶。
人类最早对流体力学的认识是从治水、灌溉、航行等方面开始的。
在我国水力事业的历史十分悠久。
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。
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,特别是李冰父子领导修建的都江堰,既有利于岷江洪水的疏排,又能常年用于灌溉农田,并总结出“深淘滩,低作堰”、"遇弯截角,逢正抽心"的治水原则。
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。
西汉武帝(公元前156-前87)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。
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。
古代的铜壶滴漏(铜壶刻漏)--计时工具,就是利用孔口出流使铜壶的水位变化来计算时间的。
说明当时对孔口出流已有相当的认识。
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。
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》。
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。
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(Archimedes,公元前287-212),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。
工程流体力学课件-第一章
二、流体力学在石油化工工业中的应用
流体力学是一门重要的工程学科,它的应用几乎遍及国民经济的各个部门, 尤其在石油工程和石油化工工业中,流体力学是其重要的理论核心之一。
在石油工业中 ,用到流体力学原理分析流体在管内的流动规律,压力、阻 力、流速和输量的关系,据此设计管径,校核管材强度,布置管线及选择泵的类 型和大小,设计泵的安装位置等;在校核油罐和其他储液容器的结构强度,估算 容器、油槽车、油罐的装卸时间,解释气蚀、水击等现象 。
实验方法的优点是能直接解决生产中的复杂问题,能发现流动中的新现象。
它的结果往往可作为检验其他方法是否正确的依据。这种方法的缺点是对不同 情况,需作不同的实验,也即所得结果的普适性较差。
3 、数值计算方法
数值计算方法是按照理论分析方法建立数学模型,在此基础上选择合理 的计算方法,如有限差分法、特征线法、有限元法、边界元法、谱方法等,将 方程组离散化,变成代数方程组,编制程序,然后用计算机计算,得到流动问 题的近似解。数值计算方法是理论分析法的延伸和拓展。
两板间流体沿y方向的速度呈线性分布。
上面的现象说明,当流体中发生了层与层之间的相对运动时,速度快的流层对 速度慢的流层产生了一个拉力使它加速,而速度慢的流层对速度快的流层就有 一个阻止它向前运动的阻力,拉力和阻力是大小相等方向相反的一对力,分别 作用在两个流体层的接触面上,这就是流体黏性的表现,这种力称为内摩擦力 或黏性力。
体积弹性模量:在工程上流体的压缩性也常用p的倒数即体积弹性模量来描述
E 1 dp
p dV /V
2.可压缩流动与不可压缩流动
流体的压缩性及相应的体积弹性模量是随流体的种类、温度和压力而变化 的。当压缩性对所研究的流动影响不大,可以忽略不计时,这种流动成为不可 压缩流动,反之称为可压缩流动。通常,液体的压缩性不大,所以工程上一般 不考虑液体的压缩性,把液体当作不可压缩流体来处理。当然,研究一个具体 流动问题时,是否考虑压缩性的影响不仅取决于流体是气体还是液体,而更主 要是由具体条件来决定。
流体力学发展史
流体力学发展简史流体力学作为经典力学的一个重要分支,其发展与数学、力学的发展密不可分。
它同样是人类在长期与自然灾害作斗争的过程中逐步认识和掌握自然规律,逐渐发展形成的,是人类集体智慧的结晶。
人类最早对流体力学的认识是从治水、灌溉、航行等方面开始的。
在我国水力事业的历史十分悠久。
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。
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,特别是李冰父子领导修建的都江堰,既有利于岷江洪水的疏排,又能常年用于灌溉农田,并总结出"深淘滩,低作堰"、"遇弯截角,逢正抽心"的治水原则。
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。
西汉武帝(公元前156-前87)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。
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。
古代的铜壶滴漏(铜壶刻漏)--计时工具,就是利用孔口出流使铜壶的水位变化来计算时间的。
说明当时对孔口出流已有相当的认识。
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。
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》。
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。
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(Archimedes,公元前287-212),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。
流体力学发展史
流体力学发展简史流体力学作为经典力学的一个重要分支,其发展与数学、力学的发展密不可分。
它同样是人类在长期与自然灾害作斗争的过程中逐步认识和掌握自然规律,逐渐发展形成的,是人类集体智慧的结晶。
人类最早对流体力学的认识是从治水、灌溉、航行等方面开始的。
在我国水力事业的历史十分悠久。
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。
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,特别是李冰父子领导修建的都江堰,既有利于岷江洪水的疏排,又能常年用于灌溉农田,并总结出"深淘滩,低作堰"、"遇弯截角,逢正抽心"的治水原则。
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。
西汉武帝(公元前156-前87)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。
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。
古代的铜壶滴漏(铜壶刻漏)--计时工具,就是利用孔口出流使铜壶的水位变化来计算时间的。
说明当时对孔口出流已有相当的认识。
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。
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》。
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。
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(Archimedes,公元前287-212),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
力学的分支
01 发展简史
03 研究方法
目录
02 学科内容 04 展望
力学的一个分支,主要研究在各种力的作用下,流体本身的静止状态和运动状态以及流体和固体界壁间有相 对运动时的相互作用和流动规律。
发展简史
出现
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。中国有大禹治水疏通江河的传说。秦朝 李冰父子(公元前3世纪)领导劳动人民修建了都江堰,至今还在发挥作用。大约与此同时,罗马人建成了大规模 的供水管道系统。
在实验室内,流动现象可以在短得多的时间内和小得多的空间中多次重复出现,可以对多种参量进行隔离并 系统地改变实验参量。在实验室内,人们也可以造成自然界很少遇到的特殊情况(如高温、高压),可以使原来 无法看到的现象显示出来。现场观测常常是对已有事物、已有工程的观测,而实验室模拟却可以对还没有出现的 事物、没有发生的现象(如待设计的工程、机械等)进行观察,使之得到改进。因此,实验室模拟是研究流体力 学的重要方法。但是,要使实验数据与现场观测结果相符,必须使流动相似条件(见相似律)完全得到满足。不 过对缩尺模型来说,某些相似准数如雷诺数和弗劳德数不易同时满足,某些工程问题的大雷诺数也难以达到。所 以在实验室中,通常是针对具体问题,尽量满足某些主要相似条件和参数,然后通过现场观测验证或校正实验结 果。
③求解方程组
在给定的边界条件和初始条件下,利用数学方法,求方程组的解。
前面提到的采用简化模型后的方程组或封闭的流体力学基本方程组用数值方法求解。电子计算机的出现和发 展,使许多原来无法用理论分析求解的复杂流体力学问题有了求得数值解的可能性。数值方法可以部分或完全代 替某些实验,节省实验费用。数值计算方法最近发展很快,其重要性与日俱增。
计算流体力学发展史
计算流体力学发展史流体力学是研究流体运动规律的一门科学,它涉及到气体、液体等在力的作用下的运动行为。
下面将为读者描绘流体力学的发展史,带领大家回顾这一科学领域的重要里程碑。
古代流体力学的发展始于古希腊时期,当时的学者们对水流和气流的行为进行了初步的观察和研究。
亚里士多德是其中一位重要的学者,他通过对水的流动以及物体在空气中的运动进行观察,提出了一些基本的流体力学原理。
然而,古代流体力学的研究停滞了很长一段时间,直到17世纪末才有了重大的突破。
伽利略·伽利莱是最早对流体运动进行系统研究的学者之一,他通过实验和观察,提出了重力加速度和阻力的概念,为后来的研究奠定了基础。
18世纪,达西和伯努利等科学家对流体力学进行了深入研究。
达西提出了流体流动的连续性方程,并通过实验研究了流体的压力和速度之间的关系。
伯努利则通过对流体流动中能量守恒的研究,提出了伯努利定理,揭示了流体速度与压力之间的关系。
19世纪是流体力学发展的重要阶段,其中最重要的贡献之一是纳维-斯托克斯方程的提出。
这个方程描述了流体的运动规律,对于解决实际问题具有重要意义。
此外,随着数学工具的发展,流体力学的分析方法也得到了显著改进,使得研究者能够更加深入地理解流体运动的本质。
20世纪是流体力学研究的黄金时期,尤其是在航空航天工程的发展过程中发挥了关键作用。
飞机和火箭的设计需要对流体力学进行深入研究,以确保飞行器在各种条件下的安全和稳定。
同时,计算机技术的进步也为流体力学的数值模拟提供了强有力的工具,使得研究者能够更加精确地预测和分析流体流动的行为。
如今,流体力学已经成为一个广泛应用于各个领域的学科,包括工程、地球科学、生物学等。
通过对流体运动规律的研究,人类能够更好地理解自然界中的现象,并应用这些知识来解决实际问题。
流体力学的发展史为我们提供了宝贵的经验和启示,也为未来的研究提供了重要的参考。
通过对流体力学发展史的回顾,我们可以看到这一科学领域的进步与人类智慧的结晶紧密相连。
流体力学的发展现状
流体力学的发展现状流体力学是研究流体运动规律和流体力学性质的学科,涉及领域广泛,包括空气动力学、水动力学、湍流、多相流等。
本文将从流体力学的发展历程、应用领域和最新研究进展等方面,详细介绍流体力学的发展现状。
一、流体力学的发展历程流体力学作为一门学科,起源于古代。
早在公元前4世纪,古希腊学者亚历山大的亚历山大斯提出了流体力学的基本概念。
而真正的流体力学理论的建立,要追溯到牛顿的力学理论的发展。
牛顿在其《自然哲学的数学原理》中,首次提出了流体的运动方程和流体的力学性质,奠定了流体力学的基础。
随着科学技术的发展,流体力学的研究逐渐深入。
19世纪末20世纪初,欧拉和伯努利等学者提出了流体的基本方程和流体力学的基本定律,为流体力学的系统化研究奠定了基础。
20世纪中叶,随着计算机技术的发展,数值模拟方法在流体力学研究中得到广泛应用,为流体力学的发展提供了新的手段。
二、流体力学的应用领域流体力学的研究在工程和科学领域有着广泛的应用。
以下是流体力学在几个重要领域的应用概述。
1. 航空航天领域:流体力学在航空航天领域的应用非常广泛。
例如,在飞机设计中,流体力学可以用来研究飞机的气动性能,优化机翼和机身的设计,提高飞行效率和稳定性。
此外,流体力学还可以用于研究火箭的推进原理和空气动力学特性,提高航天器的设计和性能。
2. 汽车工程领域:流体力学在汽车工程领域的应用主要集中在汽车空气动力学和燃烧流动研究方面。
通过流体力学的模拟和优化,可以改善汽车的空气动力学性能,减小空气阻力,提高燃油效率。
此外,流体力学还可以用于研究汽车发动机的燃烧过程,优化燃烧室结构,提高发动机的效率和排放性能。
3. 水利工程领域:流体力学在水利工程领域的应用主要涉及水流的运动规律、水力学性质和水工结构的设计等方面。
通过流体力学的研究,可以预测水流的流速、压力和流量分布,为水利工程的设计和施工提供科学依据。
此外,流体力学还可以用于研究水电站的水轮机性能,提高发电效率。
工程流体力学在中国的发展简史
工程流体力学在中国的发展简史工程流体力学是研究流体在工程中运动和相互作用规律的学科,广泛应用于水利工程、船舶工程、航空航天工程、能源工程等领域。
在中国,工程流体力学的发展经历了多个阶段。
20世纪50年代初,中国开始开展工程流体力学的研究工作。
当时,主要关注的是水力学方面的问题,如水流的稳定性、水流对建筑物的冲击力等。
此时,由于国内外研究水平的不平衡,中国工程流体力学的研究水平还相对较低。
到了20世纪60年代,中国的工程流体力学研究开始迎来了显著的发展。
这一时期,我国开始了水力学的理论研究和实验研究,建立了一批水利工程实验室和水利工程研究机构。
这些实验室和研究机构为工程流体力学的研究提供了必要的条件和保障。
在20世纪70年代和80年代,中国的工程流体力学研究进一步加强。
这一时期,中国开始关注更多的应用问题,如水电站的设计和安全、水利工程的泥沙输运等。
此时,中国的工程流体力学研究取得了一些重要的成果,为工程实践提供了重要的支持。
到了90年代,中国的工程流体力学进入了一个新的发展阶段。
这一时期,中国开始关注更多的复杂问题,如水电站的堆积效应、水工结构的振动和疲劳等。
同时,随着计算机技术的发展,数值模拟在工程流体力学中的应用也逐渐增多。
这些新技术的引入使得工程流体力学的研究更加精确和全面。
进入21世纪,中国的工程流体力学继续得到了快速发展。
随着国家经济的快速发展和科技力量的增强,中国在工程流体力学领域取得了一系列重要的成果。
例如,在水电站的设计和运行中,中国的工程流体力学研究为提高水电站的效率和安全性做出了重要贡献。
在海洋工程领域,中国的工程流体力学研究为海洋工程的设计和建设提供了必要的理论支持。
总的来说,中国的工程流体力学经过多个阶段的发展,逐渐从理论研究转向应用研究,并在实践中取得了显著的成果。
目前,中国在工程流体力学领域已经具备了一定的研究和应用能力,但与国际先进水平仍存在一定差距。
因此,未来的发展方向是进一步加强基础理论研究,提高应用技术水平,加强国际合作,推动工程流体力学在中国的发展。
流体力学
流体力学(简介)流体力学是在人类与自然界相处和生产实践中逐步发展起来的。
对流体力学学科的形成做出卓越贡献的是古希腊哲学家阿基米德(《论浮体》,公元前250年)建立了包括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。
流体力学原理主要指计算流体动力学中的数值方法的现状;运用基本的数学分析,详尽阐述数值计算的基本原理;讨论流域和非一致结构化边界适应网格的几何复杂性带来的困难等。
一、发展简史各物理量关系构成牛顿内摩擦定律,τ=μ*du/dy动压和总压。
显然,流动中速度增大,压强就减小;速度减小,压强就增大;速度降为零,压强就达到最大(理论上应等于总压)。
飞机机翼产生举力,就在于下翼面速度低而压强大,上翼面速度高而压强小,因而合力向上。
据此方程,测量流体的总压、静压即可求得速度,成为皮托管测速的原理。
在无旋流动中,也可利用无旋条件积分欧拉方程而得到相同的结果但涵义不同,此时公式中的常量在全流场不变,表示各流线上流体有相同的总能量,方程适用于全流场任意两点之间。
在粘性流动中,粘性摩擦力消耗机械能而产生热,机械能不守恒,推广使用伯努利方程时,应加进机械能损失项[1]。
图为验证伯努利方程的空气动力实验。
补充:p1+1/2ρv1^2+ρgh1=p2+1/2ρv2^2+ρgh2(1)p+ρgh+(1/2)*ρv^2=常量(2)均为伯努利方程其中ρv^2/2项与流速有关,称为动压强,而p和ρgh称为静压强。
伯努利方程揭示流体在重力场中流动时的能量守恒。
由伯努利方程可以看出,流速高处压力低,流速低处压力高。
后人在此基础上又导出适用于可压缩流体的N-S方程。
N-S方程反映了粘性流体(又称真实流体)流动的基本力学规律,在流体力学中有十分重要的意义。
它是一个非线性偏微分方程,求解非常困难和复杂,目前只有在某些十分简单的流动问题上能求得精确解;但在有些情况下,可以简化方程而得到近似解。
例如当雷诺数Re1时,绕流物体边界层外,粘性力远小于惯性力,方程中粘性项可以忽略,N-S方程简化为理想流动中的欧拉方程(=-Ñp+ρF);而在边界层内,N-S方程又可简化为边界层方程,等等。
流体力学历史
流体力学历史流体力学的发展经历了四个阶段:古代流体力学阶段、经典流体力学、近代流体力学和现代流体力学, 所涉及的领域包括流体动力学理论、实验流体力学、计算流体力学、湍流及稳定性、空气动力学、环境流体力学、多相流体力学、生物流体力学、磁流体力学、微纳米尺度流体动力学等.1:古代流体力学阶段(前至17 世纪中叶)。
阿基米德(古希腊哲学家、数学家、物理学家):提出浮力定理,奠基流体静力学。
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。
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。
2:经典流体力学阶段(17 世纪中叶至19 世纪末)始于力、速度、加速度、流场等经典力学概念的建立以及质量、动量、能量三大守恒定律的诞生。
Kelvin 勋爵(William Thomson) 评价这一时期的流体力学是“所有物理科学的根本, 并且具有首屈一指的数学之美”。
牛顿(英国伟大的物理学家):于1687年出版了《自然哲学的数学原理》,在其中,他研究了物体在流体中的运动,建立了流体内摩擦定律,为粘性流体力学初奠定了理论基础。
伯努利(瑞士数学家):1738年提出了“伯努利原理”。
这是在流体力学的连续介质理论方程建立之前,水力学所采用的基本原理,其实质是经典力学中的功能原理推应用于流体。
其最为著名的推论为:等高流动时,流速大,压力就小。
欧拉:1752 年, 欧拉提出理想流体概念, 并基于连续介质(流体微团) 假设和牛顿第二定律给出了描述理想流体运动的基本方程---欧拉方程. 这是第一个将微分方程应用到流体力学领域的方程, 同时也奠定了流体力学流场描述的标准形式。
与牛顿黏性定律、伯努利原理一起构成了经典流体动力学大厦的3 块基石。
流体力学历史
主要的流体力学事件有: 1738年瑞士数学家:伯努利在名著《流体动力学》中提出了伯努利方程。 1755年欧拉在名著《流体运动的一般原理》中提出理想流体概念,并建立 了理想流体基本方程和连续方程,从而提出了流体运动的解析方法,同时 提出了速度势的概念。 1781年拉格朗日首先引进了流函数的概念。 1826年法国工程师纳维,1845年英国数学家、物理学家斯托克斯提出了 著名的N-S方程。 1876年雷诺发现了流体流动的两种流态:层流和紊流。 1858年亥姆霍兹指出了理想流体中旋涡的许多基本性质及旋涡运动理论, 并于1887年提出了脱体绕流理论。 19世纪末,相似理论提出,实验和理论分析相结合。 1904年普朗特提出了边界层理论。 20世纪60年代以后,计算流体力学得到了迅速的发展。流体力学内涵不断 地得到了充实与提高。
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——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。
• 1586年 斯蒂芬——水静力学原理 • 1650年 帕斯卡——“帕斯卡原理” • 1612年 伽利略——物体沉浮的基本原理 • 1686年 牛顿——牛顿内摩定律 • 1738年 伯努利——理想流体的运动方程即伯努利方程 • 1775年 欧拉——理想流体的运动方程即欧拉运动微分
方程
第三阶段(18世纪中叶-19世纪末)流体力学沿着两个方向 发展——欧拉(理论)、伯努利(实验)
李冰简介
李冰(公元前302—235)是我国科学治水的典 范,伟大的水利学家。他领导创建了目前世界 上历史最悠久的水利工程——都江堰。在水利 史上立下了千古奇功,名扬世界,造福百姓, 功垂千秋,恩泽万世。 李冰总结了前人治水的经验,在渠首工程的选 点上作了深刻的科学研究。精心地选择在成都 平原顶点的岷江上游出山口处作为工程地点, 采用乘势利导、因时制宜的治水方略,修建了 都江堰水利工程:无坝引水的鱼嘴分水堤,泄 洪排沙的溢洪道,保证成都平原引足春水和控 制洪水的咽喉工程宝瓶口。使鱼嘴分水堤、宝 瓶口、飞沙堰溢洪道三大主体工程各有其独特 的功能和作用。它们之间相互依存,相互制约 ,形成布局合理的系统工程,联合发挥分流分 沙、泄洪排沙、引水输沙的重要作用。其科学 合理的设计方案,仍令当今科学界赞叹不已。 都江堰保证了流区千万亩农田和城市用水的需 要,使其枯水不缺、洪水不淹、泥沙少淤、水 旱从人,堪称“天然佳构”。
1.1 流体力学研究内容及发展简史
2. 流体力学课程的地位和作用 流体学在科学技术和工程实际中都有广泛的实用意 义。例如流体工程、机械制造、金属工艺、仪器仪表、热 能工程、航天航海、水利工程、生物工程、水电工程、石 油化工等等,都离不开流体力学。
3. 流体力学发展简史 流体力学的发展大致可以分为以下几个时期。 远古时期 公元前2286-2278年中国的大禹治水; 公元前2000-1000年埃及、罗马、希腊等地的水利工程 和造船业; 公元前300年中国成都都江堰灌渠工程; 公元前250年希腊哲学家阿基米德的著作“论浮体”; 等等。
十五、十六、十七世纪 达.芬奇(Leonardo Do Vinci 1452-1519)系统研究了沉浮、 孔口出流、阻力等问题,在米兰附近建造了世界上第一个 小型水渠。 1687年牛顿(Newton 1642-1727)在名著“原理”中讨论 了阻力、波浪等问题,并提出了著名的“牛顿内摩擦定律”。
1612年伽利略(Gallileo 1564-1642)建立了沉浮的基本 原理; 1643年托里拆利(Torricelli 1608-1647)论证了孔口出 流的基本规律; 1650年帕斯卡(B.Pascal 1623-1662)论证了流体中压 力传递的基本定律; 达朗贝尔(J. ďAlembert 1717-1783)提出了著名的达 朗贝尔佯谬; 十八、十九世纪
现代 雷诺(O.Reynolds 1842-1912)研究并确定了两种流态; 普朗特(L.Prandtl 1875-1953)建立了“边界层理论”;
齐奥尔科夫斯基、儒可夫斯基、恰普雷金等研究了翼栅 和绕流理论,奠定了现代空气动力学的基础。 周培源(1902-1993)、钱学森(1911-2009)等我国科 学家在湍流理论和空气动力学等领域作出了杰出贡献; 等等。
流体力学的发展简史
流体力学的发展简史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。
古时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。
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,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。
此后千余年间,流体力学没有重大发展。
直到15世纪,意大利达·芬奇的著作才谈到水波、管流、水力机械、鸟的飞翔原理等问题;17世纪,帕斯卡阐明了静止流体中压力的概念。
但流体力学尤其是流体动力学作为一门严密的科学,却是随着经典力学建立了速度、加速度,力、流场等概念,以及质量、动量、能量三个守恒定律的奠定之后才逐步形成的。
17世纪,力学奠基人牛顿研究了在流体中运动的物体所受到的阻力,得到阻力与流体密度、物体迎流截面积以及运动速度的平方成正比的关系。
他针对粘性流体运动时的内摩擦力也提出了牛顿粘性定律。
但是,牛顿还没有建立起流体动力学的理论基础,他提出的许多力学模型和结论同实际情形还有较大的差别。
之后,法国皮托发明了测量流速的皮托管;达朗贝尔对运河中船只的阻力进行了许多实验工作,证实了阻力同物体运动速度之间的平方关系;瑞士的欧拉采用了连续介质的概念,把静力学中压力的概念推广到运动流体中,建立了欧拉方程,正确地用微分方程组描述了无粘流体的运动;伯努利从经典力学的能量守恒出发,研究供水管道中水的流动,精心地安排了实验并加以分析,得到了流体定常运动下的流速、压力、管道高程之间的关系--伯努利方程。
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。
从18世纪起,位势流理论有了很大进展,在水波、潮汐、涡旋运动、声学等方面都阐明了很多规律。
法国拉格朗日对于无旋运动,德国赫尔姆霍兹对于涡旋运动作了不少研究……。
流体力学发展史
流体力学发展史
流体力学是研究流体运动和力学性质的科学领域,其发展可以追溯到古希腊时期。
以下是流体力学发展的几个重要阶段:
1. 古希腊时期(公元前400年前后):古希腊哲学家亚里士多德提出了流体的连续性概念,并认为流体运动是由力量推动的。
此时的研究主要集中在水流的性质和特性方面。
2. 经典流体力学时期(17世纪至19世纪):伽利略、牛顿等
科学家在力学领域做出了重大贡献,为流体力学的发展奠定了基础。
欧拉在流体力学方面进行了深入的研究,提出了欧拉方程和流体静力学的基本原理。
这一时期的研究主要集中在理论方面。
3. 实验流体力学时期(19世纪中叶至20世纪中叶):随着实
验方法和技术的发展,实验流体力学成为一种重要的研究方法。
通过实验,科学家们可以观察和测量流体的运动和力学性质,进一步验证和完善理论模型。
此时涌现了许多知名的流体力学家,如斯坦拉·李奇、路易·纳瓦伊-斯托克斯等。
4. 计算流体力学时期(20世纪下半叶至今):随着计算机技
术的快速发展,计算流体力学成为一种重要的研究方法。
数值模拟和计算的方法使得科学家们能够更准确地预测和分析流体的行为。
计算流体力学为流体力学的研究和应用提供了更广阔的空间。
以上只是流体力学发展史的一些重要阶段和里程碑,随着科学
技术的进步和人类对流体力学问题的深入研究,流体力学将继续发展和突破。
流体力学发展简史
流体力学发展历史270BC Archimedes(287BC-212BC) Buoyancy1644E.Torricellie(1608-1647)’s Barometer 1650B.Pascal(1623-1662) Principle 1662 B.Boyle(1627-1681) Boyle’s Law 玻意尔-马略特定律:体积与压力成反比1668E.Mariotte(1620-1684) Hydrostatics 1678I.Newton(1642-1723)’s Law on viscosity 1732H.Pitot(1695-1771) Pitot’s tube 批脱管 1738Daniel Bernoulli(1706-1782) Conservation of Energy(Bernoulli Equation) 1752J.Le.R.D’Alermbert(1717-1783) D’Alermber Paradox 1755L.Eulor(1707-1783) Euler Equations 1777C.Bossut(1730-1814) First Experiments in water tank 1802J.L.Gray-Lussac(1778-1850) Gray-Lussac’s Law P RT ρ= 1809G .Cayley(1773-1858) Notion on Aviation 1822C-L-M-H Navier(1785-1836) Fomuler of N-S Equation 1823F.B.J Fourrier(1768-1830) Laws on Heat Conductivity 1834J.C Rissell(?-1881) Solitary Wave 1839GH.L Hagen(1797-1854) 1840J.L.M.Poissenille(1797-1869) Hagen- Poissenille Flow 1845H.V on Helmhotz(1821-1894) V ortex Dynamics 1845G .G .Stokes(1819-1903) N-S Equation 1860Hemholtz’s Theorem on Velocity Decomposition 1878Lord, Reyleigh(1842-1919) Theory on Lifting(Magnus Effect) 1883 O.Reynolds(1842-1919) Experiment on Transition from Laminar toTurbulent1887 E.Mach(1838-1916) Mach Number1895 D.J.Kortewey, KDV Equation1901 H.Beriard’s Converction1902 N.E.Joukovsky(1847-1921) Joukovsky’s Theory on lift1902 M.W.Kutta(1867-1944) Kutta’s Condi tion1903 飞机上天1904 KA.Tsiorkovsky(1857-1935) First Cosmic Speed(Priciple for Rockets) 1905 Prandtl Supersonic Wind Tunnel(M=1.5)1912 Th.v on K’arman(1881-1963) K’arman V ortex Street1921 G.I.Taylor(1848-1951) Taylor’s V ortices1940 周培源(1902-1993) Modle Theory for Turbulent1941 钱学森(1911-)& von K’arman K’arman-Tsien Formula流体力学大事年表公元前3世纪阿基米德(287-212BC)发现浮力定律(阿基米德原理);发明阿基米德螺旋提水机;1644 托里拆里(E.Torricelli,1608-1647)制成气压计;导出小孔出流公式;1650 帕斯卡(B.Pascal,1623-1662)提出液体中压力传递的帕斯卡原理;1662 波义尔(R.Boyle,1627-1691)建立气体的波义尔定律;1668马略特(E.Mariotte,1620-1684),出版专著《论水和其它流体的运动》奠定流体静力学和流体运动学的基础;1678 牛顿(I.Newton,1642-1727)研究在流体中运动物体所受的阻力,并建立牛顿粘性定律;1732 皮托(H.Pitot,1695-1771)发明测量流体压力的皮托管;1738丹尼尔·伯努利(D.Bernoulli,1700-1782)出版《流体动力学》,将力学中的活力(能量)守恒原理引入流体力学,建立伯努利定理(伯努利方程);1752 达朗贝尔(J. le R. D’Alembert,1717-1783)提出理想流体运动的达朗贝尔佯谬;1755欧拉(L.Euler,1707-1783)导出流体平衡方程和流体运动方程(欧拉方程);1763 玻尔达(J-C.Borda,1733-1799)进行流体阻力试验,给出阻力公式,开粘性流体力学研究先河;1777 玻素(C.Bossut,1730-1814)等完成第一个船池船模试验;1802 盖·吕萨克(J.L.Gay-Lussac,1778-1850)建立完全气体的状态方程;1809 凯利(G.Cayley,1773-1858)建立航空飞行器概念;1822 纳维(C-L-M-H.Navier,1785-1836)导出粘性流体动力学的动量方程;1822 傅立叶(J-B-J Fourier,1768-1830)建立傅立叶导热定律; 1834 罗素(J,S.Russell)在苏格兰的联合运河上发现孤立波;1839 哈根(G.H.L.Hagen,1797-1884)和泊肃叶(J.L.M.Poiseuille, 1797-1969)研究圆管内的粘性流动给出哈根-泊肃叶公式;1845 斯托克斯(G.G.Stokes,1819-1903)更简洁严谨地导出粘性流体动力学的动量方程(纳维-斯托克斯方程);1845 亥姆霍兹(H. von Helmholtz,1821-1894)建立涡旋的基本概念,奠定涡动力学基础;1851 斯托克斯研究小球在粘性流体中的运动,给出斯托克斯阻力公式;1860 亥姆霍兹建立流体运动的速度分解定理;1878 兰姆(mb,1849-1934)出版流体力学经典著作《流体运动的数学理论》,1895年增订再版时改名《流体动力学》;1878 瑞利(Lord Rayleigh,1842-1919)研究有环量的圆柱绕流问题,发现升力,从理论上解释了马格努斯效应;1883 雷诺(O.Reynolds,1842-1912)完成著名的雷诺转捩实验,提出雷诺数(Sommerfeld于1908年命名);1887 马赫(E.Mach,1838-1916)提出马赫数的概念1891 兰彻斯特(nchester,1868-1946)提出速度环量概念,建立升力理论,并发展了有限翼展理论;1895 科特沃赫(D.J.Korteweg)和德弗里斯(G.de Vries)建立KdV方程;1901 贝纳尔(H.Benard)研究对流传热稳定性,发现贝纳尔腔;1902-儒科夫斯基(N.E.Joukovsky,1847-1921)导出儒科夫斯基公式,奠定机翼理论基础;1902 库塔(M.W.Kutta,1867-1944)提出机翼流动的库塔条件;1902 瑞利建立流体力学的量纲分析和相似理论;1903 莱特兄弟(W.Wright,1867-1912;O.Wright,1871-1948)人类第一次飞行成功;1903 齐奥尔可夫斯基(K.A.Tsiolkovsky,1857-1835)导出火箭运动基本公式和第一宇宙速度;1904 普朗特(L.Prandtl,1875-1953)建立边界层理论;1905 普朗特建成超音速风洞(马赫数为1.5);1910 冯卡门(Th.von Karman,1881-1963)建立卡门涡街理论;1908 瑞利和索末费尔德(A.Sommerfeld,1868-1951)研究平行流的稳定性,导出索末费尔德方程;1921 泰勒(G.I.Taylor,1886-1975)提出湍流统计理论基本概念;1923 泰勒研究同心圆筒间旋转流动稳定性,发现泰勒涡;1940 周培源(1902-1993)创建湍流模式理论;1926 普朗特提出湍流的混合长度理论;1941 钱学森(1911-)和冯卡门导出机翼理论的卡门-钱公式;1963 洛伦兹(E.Lorenz)发现混沌和奇怪吸引子。
流体力学的发展
流体力学的发展
流体力学是研究流体(液体和气体)在静止或流动状态下的行为的物理学分支。
它涉及到流体的力学性质,包括流体的运动、力、密度、压力和温度等。
流体力学的发展经历了漫长的历史,可以分为几个主要阶段:
1.古典时期:早期的流体力学主要是通过对水流和气流的观察而产生的经验性知识。
古希腊和古罗马时期的学者如阿基米德和欧拉对流体的一些基本性质提出了初步的理论。
2.18世纪:随着数学工具的发展,欧拉等学者开始建立一些数学模型,如欧拉方程,来描述流体的运动。
这个时期奠定了流体动力学的一些基本原理。
3.19世纪:纳维-斯托克斯方程的提出是流体力学理论发展的重要一步。
这个方程系统地描述了流体的运动。
同时,19世纪也见证了流体力学在水力学、空气动力学等实际应用领域的迅速发展。
4.20世纪:流体力学在20世纪取得了巨大的进展。
数值模拟和计算流体力学(CFD)的发展使得研究者能够使用计算机模拟流体的复杂行为。
这使得工程领域、天气预测、航空航天等领域得以深刻的理论支持。
5.当代:当代流体力学包括对湍流、多相流、非牛顿流体等更为复杂现象的研究。
同时,流体力学在生物医学、生态学等领域的应用也逐渐增多,为解决实际问题提供了理论和技术支持。
总的来说,流体力学的发展是一个逐步由经验到理论、由实验到计算的过程。
在这个过程中,数学工具的不断完善和计算机技术的广泛应用推动了流体力学理论的深入研究和实际应用。
流体力学发展简史
流体力学发展简史流体力学是一个研究流体动力学(包括气体和液体)的学科,它旨在研究流体在各种条件下的运动和相互作用,以及解决相关的工程问题。
流体力学的历史可以追溯到古希腊时代,阿基米德是流体力学的先驱者之一,他通过研究浮力和密度差异等现象,让我们更深刻地理解了流体的行为。
在欧洲文艺复兴时期,达芬奇也写了一份流体力学论文,将其称为“有机会和应用范围广泛的科学”。
到了17世纪,达西和伯努利两位科学家首次发表了关于流体流动的理论模型。
此后,他们对不同形状的流体容器进行实验,研究了流体的流动规律,从而确立了牛顿第二定律。
18世纪末,欧拉提出了欧拉方程,讲述了质量、速度和力之间的关系,被认为是流体力学的奠基之作。
此后,克劳修斯和纳维阐释了欧拉方程,使得流体力学理论更加准确和完善。
在研究流体运动,特别是气体动力学方面,伽利略也提出了光学分光理论,进一步推进了流体力学的研究。
然而,随着物理学和数学领域的不断发展,流体力学的研究也在不断深入。
在20世纪初,雷诺和普朗特分别提出了反映流体流动的两种量纲分析方法。
此外,纽曼和里斯数学家们则通过微分方程与函数的分析,开展了新的数学研究。
此后,流体力学的研究继续向前发展。
在20世纪30年代初,瑞利在研究气体分子运动时,提出了雷诺数的概念,该概念表征了不同粘度的流体在力下运动能力的不同程度。
此后,瑞利还推出了一种新的流体力学理论,即马克思托夫流体力学。
在20世纪40年代,随着计算机的运用,人们得以开展更复杂、更细致的流体力学研究。
人们研究了众多的流体力学问题,包括层流、水泵、飞机机身外形、化学反应器、地下水流等等。
目前,流体力学已经成为一个十分成熟的学科。
人们在研究流体力学时,不仅需要使用数学和物理学等知识,还需要结合工程实践,掌握液体和气体在不同应用场景下的流动规律。
随着科技的不断进步,流体力学的研究也在不断改进和更新,未来还将推动更多的科学技术进步。
流体力学发展史及其在实际工程中的应用
流体力学发展史及其在实际工程中的应用流体力学(Fluid mechanics)是力学中的一个分支,研究流体(包括液体和气体)在运动或静止时的性质及其相互作用。
流体力学的起源可以追溯到古代希腊,但其系统化的研究始于18世纪。
随着科学技术的进步和实际工程的需求,流体力学在工程领域中的应用也逐渐扩展。
流体力学的发展经历了几个重要的阶段。
以下是对其中几个里程碑事件的简要介绍:1.古代:流体力学的早期研究可追溯到古希腊时代,亚里士多德是其中的重要贡献者之一、他通过观察流体静力学和压力的变化来探索液体的性质。
2.伯努利原理和波义耳公式:18世纪中期,丹尼尔·伯努利和朱塞佩·马利亚·波义耳两位科学家分别提出了伯努利原理和波义耳公式,这两个公式为流体力学奠定了基础。
伯努利原理描述了在沿流线方向流动的不可压缩流体中,速度增加时压力降低的现象。
波义耳公式则描述了流体在管道中流动时速度和压力的关系。
3.纳维-斯托克斯方程:19世纪,克劳修斯·纳维和乔治·索克斯分别独立提出了纳维-斯托克斯方程,这是描述流体运动的基本方程之一、纳维-斯托克斯方程是一个二阶非线性偏微分方程组,用于描述流体的速度场和压力场之间的关系。
4.湍流理论:流体力学的一个重要问题是描述湍流的行为。
奥古斯特·库塞格·卢易斯是湍流理论的奠基人之一,他提出了经典的湍流方程,描述了湍流流动中的速度和压力的统计性质。
流体力学是工程领域的重要分支,广泛应用于各种实际问题的解决中。
以下是流体力学在工程中的常见应用:1.管道和泵站设计:在供水系统和油气输送系统中,流体力学被用于确定合适的管道直径和泵站的配置,以确保流体能够以适当的速度和压力传输。
2.水力学和水资源管理:流体力学在水力学的研究和水资源管理中发挥了重要的作用。
通过对水流运动、河流、湖泊和水库的功能进行建模和分析,可以预测水流的速度和水位的变化。
流体力学的发展简史
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。从18世纪起,位势流理论有 了很大进展,在水波、潮汐、涡旋 运动、声学等方面都阐明了很多规 律。法国拉格朗日对于无旋运动, 德国赫尔姆霍兹对于涡旋运动作了 不少研究……。在上述的研究中, 流体的粘性并不起重要作用,即所 考虑的是无粘流体。这种理论当然 阐明不了流体中粘性的效应。
20世纪60年代,根据结构力学和固体力学的需要,出现 了计算弹性力学问题的有限元法。经过十多年的发展,有 限元分析这项新的计算方法又开始在流体力学中应用,尤 其是在低速流和流体边界形状甚为复杂问题中,优越性更 加显著。近年来又开始了用有限元方法研究高速流的问题, 也出现了有限元方法和差分方法的互相渗透和融合。 从20世纪60年代起,流体力学开始了流体力学和其他学 科的互相交叉渗透,形成新的交叉学科或边缘学科,如物 理-化学流体动力学、磁流体力学等;原来基本上只是定性 地描述的问题,逐步得到定量的研究,生物流变学就是一 个例子
20世纪初,飞机的出现极大地促进了空气动力学的发展。航 空事业的发展,期望能够揭示飞行器周围的压力分布、飞行器 的受力状况和阻力等问题,这就促进了流体力学在实验和理论 分析方面的发展。20世纪初,以儒科夫斯基、恰普雷金、普朗 克等为代表的科学家,开创了以无粘不可压缩流体位势流理论 为基础的机翼理论,阐明了机翼怎样会受到举力,从而空气能 把很重的飞机托上天空。机翼理论的正确性,使人们重新认识 无粘流体的理论,肯定了它指导工程设计的重大意义。 机翼理论和边界层理论的建立和发展是流体力学的一次重大 进展,它使无粘流体理论同粘性流体的边界层理论很好地结合 起来。随着汽轮机的完善和飞机飞行速度提高到每秒50米以上, 又迅速扩展了从19世纪就开始的,对空气密度变化效应的实验 和理论研究,为高速飞行提供了理论指导。20世纪40年代以 后,由于喷气推进和火箭技术的应用,飞行器速度超过声速, 进而实现了航天飞行,使气体高速流动的研究进展迅速,形成 了气体动力学、物理-化学流体动力学等分支学科。
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流体力学发展简史流体力学作为经典力学的一个重要分支,其发展与数学、力学的发展密不可分。
它同样是人类在长期 与自然 灾害作斗争的过程中逐步认识和掌握自然规律,逐渐发展形成的,是人类集体智慧的结晶。
人类最早对流体力学的认识是从治水、灌溉、航行等方面开始的。
在我国水力事业的历史十分悠久。
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。
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,特别是李冰父子领导修建的都江堰,既有利于岷江洪水的疏排,又能常年用于灌溉农田,并总结出"深淘滩,低作堰"、"遇弯截角,逢正抽心"的治水原则。
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。
西汉武帝(公元前156-前87)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。
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。
古代的铜壶滴漏(铜壶刻漏)--计时工具,就是利用孔口出流使铜壶的水位变化来计算时间的。
说明当时对孔口出流已有相当的认识。
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。
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》。
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。
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(Archimedes,公元前287-212),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。
著名物理学家和艺术家列奥纳德.达.芬奇(Leonardo.da.Vinci,1452-1519)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)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。
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(I.Newton,1642-1727)于1687年出版了《自然哲学的数学原理》。
研究了物体在阻尼介质中的运动,建立了流体内摩擦定律,为粘性流体力学初步奠定了理论基础,并讨论了波浪运动等问题。
伯努利(D.Bernoulli,1700-1782)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。
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。
达朗伯(J.le R.d'Alembert,1717-1783)1744年提出了达朗伯疑题(又称达朗伯佯谬),即在理想流体中运动的物体既没有升力也没有阻力。
从反面说明了理想流体假定的局限性。
拉格朗日(grange,1736-1813)提出了新的流体动力学微分方程,使流体动力学的解析方法有了进一步发展。
严格地论证了速度势的存在,并提出了流函数的概念,为应用复变函数去解析流体定常的和非定常的平面无旋运动开辟了道路。
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。
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。
著名的学者谢才(A.de Chézy)在1755年便总结出明渠均匀流公式--谢才公式,一直沿用至今。
雷诺(O.Reynolds,1842-1912)1883年用实验证实了粘性流体的两种流动状态──层流和紊流的客观存在,找到了实验研究粘性流体流动规律的相似准则数──雷诺数,以及判别层流和紊流的临界雷诺数,为流动阻力的研究奠定了基础。
瑞利(L.J.W.Reyleigh,1842-1919)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。
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。
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。
卡门(T.von Kármán,1881-1963)在1911-1912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。
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。
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。
我国科学家的杰出代表钱学森(Qian Xuesen)早在1938年发表的论文中,便提出了平板可压缩层流边界层的解法--卡门-钱学森解法。
他在空气动力学、航空工程、喷气推进、工程控制论等技术科学领域做出过许多开创性的贡献。
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。
周培源(Zhou Peiyuan)多年从事紊流统计理论的研究,取得了不少成果,1975年发表在《中国科学》上的《均匀各向同性湍流的涡旋结构的统计理论》便是其中之一。
20世纪中业以来,大工业的形成,高新技术工业的出现和发展,特别是电子计算机的出现、发展和广泛应用,大大地推动了科学技术的发展。
由于工业生产和尖端技术的发展需要,促使流体力学和其他学科相互浸透,形成了许多边缘学科,使这一古老的学科发展成包括多个学科分支的全新的学科体系,焕发出强盛的生机和活力。
这一全新的学科体系,目前已包括:(普通)流体力学,粘性流体力学,流变学,气体动力学,稀薄气体动力学,水动力学,渗流力学,非牛顿流体力学,多相流体力学,磁流体力学,化学流体力学,生物流体力学,地球流体力学,计算流体力学等。
流体力学发展历史270BC Archimedes(287BC-212BC) Buoyancy1644E.Torricellie(1608-1647)’s Barometer 1650B.Pascal(1623-1662) Principle 1662 B.Boyle(1627-1681) Boyle’s Law 玻意尔-马略特定律:体积与压力成反比1668E.Mariotte(1620-1684) Hydrostatics 1678I.Newton(1642-1723)’s Law on viscosity 1732H.Pitot(1695-1771) Pitot’s tube 1738Daniel Bernoulli(1706-1782) Conservation of Energy(Bernoulli Equation)1752J.Le.R.D’Alermbert(1717-1783) D’Alermber Paradox 1755L.Eulor(1707-1783) Euler Equations 1777C.Bossut(1730-1814) First Experiments in water tank 1802J.L.Gray-Lussac(1778-1850) Gray-Lussac’s Law P RT r =1809G.Cayley(1773-1858) Notion on Aviation 1822C-L-M-H Navier(1785-1836) Fomuler of N-S Equation 1823F.B.J Fourrier(1768-1830) Laws on Heat Conductivity 1834J.C Rissell(?-1881) Solitary Wave1839GH.L Hagen(1797-1854)1840J.L.M.Poissenille(1797-1869) Hagen- Poissenille Flow1845H.V on Helmhotz(1821-1894) V ortex Dynamics1845G.G.Stokes(1819-1903) N-S Equation1860Hemholtz’s Theorem on Velocity Decomposition1878Lord, Reyleigh(1842-1919) Theory on Lifting(Magnus Effect)1883O.Reynolds(1842-1919)Experiment on Transition from Laminar to Turbulent1887 E.Mach(1838-1916) Mach Number1895 D.J.Kortewey, KDV Equation1901 H.Beriard’s Converction1902 N.E.Joukovsky(1847-1921) Joukovsky’s Theory on lift1902 M.W.Kutta(1867-1944) Kutta’s Condition1903 飞机上天1904 KA.Tsiorkovsky(1857-1935) First Cosmic Speed(Priciple for Rockets) 1905 Prandtl Supersonic Wind Tunnel(M=1.5)1912 Th.von K’arman(1881-1963) K’arman V ortex Street1921 G.I.Taylor(1848-1951) Taylor’s V ortices1940 周培源(1902-1993) Modle Theory for Turbulent1941 钱学森(1911-)& von K’arman K’arman-Tsien Formula流体力学大事年表公元前3世纪 阿基米德(287-212BC)发现浮力定律(阿基米德原理);发明阿基米德螺旋提水机;1644 托里拆里(E.Torricelli,1608-1647)制成气压计;导出小孔出流公式;1650 帕斯卡(B.Pascal,1623-1662)提出液体中压力传递的帕斯卡原 理;1662 波义尔(R.Boyle,1627-1691)建立气体的波义尔定律;1668马略特(E.Mariotte,1620-1684),出版专著《论水和其它流体的运动》奠定流体静力学和流体运动学的基础;1678 牛顿(I.Newton,1642-1727)研究在流体中运动物体所受的阻力,并建立牛顿粘性定律;1732 皮托(H.Pitot,1695-1771)发明测量流体压力的皮托管;1738 丹尼尔·伯努利(D.Bernoulli,1700-1782)出版《流体动力学》,将力学中的活力(能量)守恒原理引入流体力学,建立伯努利定理(伯努利方程);1752 达朗贝尔(J. le R. D’Alembert,1717-1783)提出理想流体运动的达朗贝尔佯谬;1755欧拉(L.Euler,1707-1783)导出流体平衡方程和流体运动方程(欧拉方程);1763 玻尔达(J-C.Borda,1733-1799)进行流体阻力试验,给出阻力公式,开粘性流体力学研究先河;1777 玻素(C.Bossut,1730-1814)等完成第一个船池船模试验;1802 盖·吕萨克(J.L.Gay-Lussac,1778-1850)建立完全气体的状态方程;1809 凯利(G.Cayley,1773-1858)建立航空飞行器概念;1822 纳维(C-L-M-H.Navier,1785-1836)导出粘性流体动力学的动量方程;1822 傅立叶(J-B-J Fourier,1768-1830)建立傅立叶导热定律;1834 罗素(J,S.Russell)在苏格兰的联合运河上发现孤立波;1839 哈根(G.H.L.Hagen,1797-1884)和泊肃叶(J.L.M.Poiseuille, 1797-1969)研究圆管内的粘性流动给出哈根-泊肃叶公式;1845 斯托克斯(G.G.Stokes,1819-1903)更简洁严谨地导出粘性流体动力学的动量方程(纳维-斯托克斯方程);1845 亥姆霍兹(H. von Helmholtz,1821-1894)建立涡旋的基本概念,奠定涡动力学基础;1851 斯托克斯研究小球在粘性流体中的运动,给出斯托克斯阻力公式;1860 亥姆霍兹建立流体运动的速度分解定理;1878 兰姆(mb,1849-1934)出版流体力学经典著作《流体运动的数学理论》,1895年增订再版时改名《流体动力学》;1878 瑞利(Lord Rayleigh,1842-1919)研究有环量的圆柱绕流问题,发现升力,从理论上解释了马格努斯效应;1883 雷诺(O.Reynolds,1842-1912)完成著名的雷诺转捩实验,提出雷诺数(Sommerfeld于1908年命名);1887 马赫(E.Mach,1838-1916)提出马赫数的概念1891 兰彻斯特(nchester,1868-1946)提出速度环量概念,建立升力理论,并发展了有限翼展理论;1895 科特沃赫(D.J.Korteweg)和德弗里斯(G.de Vries)建立KdV方程;1901 贝纳尔(H.Benard)研究对流传热稳定性,发现贝纳尔腔;1902- 儒科夫斯基(N.E.Joukovsky,1847-1921)导出儒科夫斯基公式,奠定机翼理论基础;1902 库塔(M.W.Kutta,1867-1944)提出机翼流动的库塔条件;1902 瑞利建立流体力学的量纲分析和相似理论;1903 莱特兄弟(W.Wright,1867-1912;O.Wright,1871-1948)人类第一次飞行成功;1903 齐奥尔可夫斯基(K.A.Tsiolkovsky,1857-1835)导出火箭运动基本公式和第一宇宙速度;1904 普朗特(L.Prandtl,1875-1953)建立边界层理论;1905 普朗特建成超音速风洞(马赫数为1.5);1910 冯卡门(Th.von Karman,1881-1963)建立卡门涡街理论;1908 瑞利和索末费尔德(A.Sommerfeld,1868-1951)研究平行流的稳定性,导出索末费尔德方程;1921 泰勒(G.I.Taylor,1886-1975)提出湍流统计理论基本概念;1923 泰勒研究同心圆筒间旋转流动稳定性,发现泰勒涡;1940 周培源(1902-1993)创建湍流模式理论;1941 柯尔格罗莫夫提出了局部各向同性湍流模式,并提出了经典的p/3标度律;1926 普朗特提出湍流的混合长度理论;1941 钱学森(1911-2009)和冯卡门导出机翼理论的卡门-钱公式;1963 洛伦兹(E.Lorenz)发现混沌和奇怪吸引子;1993 Benzi提出了结构函数的标度律;1994 She和Leveque提出了湍流层次标度律。