1.1 流体力学研究内容及发展简史
流体力学的发展简史【范本模板】
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…….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。
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
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。
第一章流体力学基本概念
分别运动至A’,B’,C’,D’点，则有
A
B
A'
B'
udt
E D D D A A (u d)d u u t d dtudt
图1-2 速度梯度
由于
du ED
dt
因此得速度梯度 duED tgd d
dy dydt dt dt
可以看出dθ为矩形ABCD在dt时间后剪切变形角度，这就表明速度梯度实质上就 是流体运动时剪切变形角速度
•第一章流体力学基本概念
随着科学技术的不断进步，计算机的发展和应用，流体力学的研究领域和应用范 围将不断加深和扩大。从总的发展趋势来看，随着工业应用日益扩大，生产技术 飞速发展，不仅可以推动人们对流动现象深入了解，为科学研究提供丰富的课题 内容，而且也为验证已有的理论、假设和关系提供机会。理论和实践密切结合， 科学研究和工业应用相互促进，必将推动本学科逐步成熟并趋于完善。
第一章 流体力学基本概念
第一节 流体力学的发展、应用及其研究方法 第二节 流体的特征和连续介质假设 第三节 流体的主要物理性质及分类 第四节 作用在流体上的力
•第一章流体力学基本概念
第一节 流体力学的发展、应用及其研究方法
一、流体力学发展简史
流体力学是研究流体的平衡及运动规律，流体与固体之间的相互作 用规律，以及研究流体的机械运动与其他形式的运动（如热运动、化学 运动等）之间的相互作用规律的一门学科。 流体力学属于力学范畴，是 力学的一个重要分支。其发展和数学、普通力学的发展密不可分。流体 力学起源于阿基米德（Archimedes，公元前278~公元前212）对浮力的 研究。
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。
第01讲绪论流体力学发展史
连续介质模型 理想流体平衡微分方程 理想流体运动微分方程
过程装备与控制工程教研室
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第1章 绪论
流体力学的西方史
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。
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。
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第1章 绪论
过程装备与控制工程教研室
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第1章 绪论
机翼升力来至下部还是上部？
过程装备与控制工程教研室
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第1章 绪论
第 1 章
绪
论
过程装备与控制工程教研室
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第1章 绪论
本章内容
1.1 流体力学发展史简述 1.2 流体力学的研究内容、研究方法和应用 1.3 流体的定义和特征 连续介质模型
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第1章 绪论
流体力学的西方史
雷诺（O.Reynolds，1842-1912）
英国力学家、物理学家和工程师，杰 出的实验科学家。
层流与紊流——雷诺数 雷诺应力
过程装备与控制工程教研室
工程流体力学
§1.1 流体的定义
一、流体特征（续）
液体与气体的区别 液体的流动性小于气体； 液体具有一定的体积，并取容器的形状； 气体充满任何容器，而无一定体积。
流体的定义
流体是一种受任何微小的剪切力作用时，都 会产生连续变形的物质。 流动性是流体的主要特征。
§1.2 连续介质假说
微观：流体是由大量作无规则热运动的分子所组成， 分子间存有空隙，在空间上是不连续的。
在通常情况下，一个很小的体积内流体的分子数量极多；
例如，在标准状态下，1mm3体积内含有2.69×1016个气体分 子，分子之间在10-6s内碰撞1020次。
宏观：流体力学研究流体的宏观机械运动，研究的是 流体的宏观特性，即大量分子的平均统计特性。 结论：不考虑流体分子间的间隙，把流体视为由无 数连续分布的流体微团组成的连续介质。
1686年牛顿（Newton,I.）发表了名著《自然哲学的数学原理》 对普通流体的黏性性状作了描述，即现代表达为黏性切应力 与速度梯度成正比—牛顿内摩擦定律。为了纪念牛顿，将黏 性切应力与速度梯度成正比的流体称为牛顿流体。 18世纪～ 19世纪，流体力学得到了较大的发展，成为独立的一门学科。 古典流体力学的奠基人是瑞士数学家伯努利(Bernoulli，D．) 和他的亲密朋友欧拉(Euler，L.)。1738年，伯努利推导出了 著名的伯努利方程，欧拉于17 55年建立了理想流体运动微分 方程，以后纳维(Navier,C .-L.-M.-H.)和斯托克斯(Stokes， G．G．)建立了黏性流体运动微分方程。拉格朗（Lagrange）、 拉普拉斯(Laplace)和高斯(Gosse)等人，将欧拉和伯努利所 开创的新兴的流体动力学推向完美的分析高度。但当时由于 理论的假设与实际不尽相符或数学上的求解困难，有很多疑 不能从理论上给予解决。
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。
流体力学的发展历程与研究方法综述
流体力学的发展历程与研究方法综述导言流体力学是研究流体（包括液体和气体）的运动规律和性质的科学分支。
作为物理学和工程学重要的基础学科，流体力学的发展历程可以追溯到古代。
从最早的实验观察和经验总结，到现代数值模拟和实验技术的发展，流体力学在科学研究和工程应用中发挥着重要作用。
本文将对流体力学的发展历程与研究方法进行综述。
古代流体力学的起源早在古埃及和古希腊时期，人们对流体的运动性质进行了观察和总结。
例如，埃及人通过灌溉系统的设计和运行，掌握了水流的基本规律。
希腊哲学家亚里士多德在其著作《流体论》中提出了流体力学的基本原理，阐述了流体的基本性质和运动规律。
这些古代文明的研究成果为后来的科学家提供了重要的启示。
流体力学的数学基础流体力学的数学基础主要包括连续性方程、动量方程和能量方程。
这些方程描述了流体的质量守恒、动量守恒和能量守恒等基本性质。
在17世纪和18世纪，许多数学家和物理学家对流体力学的基本方程进行了深入研究和推导。
瑞士数学家欧拉和伯努利等人对流体的运动进行了系统的数学分析，为流体力学建立了坚实的理论基础。
实验方法在流体力学研究中的应用实验方法在流体力学研究中扮演着重要角色。
通过搭建实验装置和进行定量观测，科学家们可以获取流体的运动参数和基本性质。
19世纪末和20世纪初，德国物理学家雷诺在他的著名流动实验中提出了“雷诺数”的概念，用以描述流体的流动特性。
实验结果验证了流体力学的基本原理，并为后来的理论研究提供了重要的实验数据。
数值模拟在流体力学研究中的应用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了广泛应用。
数值模拟利用计算机模拟流体的运动过程，可以得到流体的详细信息和运动规律。
通过建立数值模型和采用数值方法，科学家们可以研究流体的复杂流动行为，探索流体力学中的一些难题。
数值模拟方法为流体力学的发展提供了新的视角和研究工具。
流体力学在工程领域的应用与进展流体力学在工程领域的应用广泛而深入。
流体动力学简明介绍
第一节流体力学的概念与发展简史一、流体力学概念流体力学是力学的一个独立分支，是一门研究流体的平衡和流体机械运动规律及其实际应用的技术科学。
流体力学所研究的基本规律，有两大组成部分。
一是关于流体平衡的规律，它研究流体处于静止（或相对平衡）状态时，作用于流体上的各种力之间的关系，这一部分称为流体静力学；二是关于流体运动的规律，它研究流体在运动状态时，作用于流体上的力与运动要素之间的关系，以及流体的运动特征与能量转换等，这一部分称为流体动力学。
流体力学在研究流体平衡和机械运动规律时，要应用物理学及理论力学中有关物理平衡及运动规律的原理，如力系平衡定理、动量定理、动能定理，等等。
因为流体在平衡或运动状态下，也同样遵循这些普遍的原理。
所以物理学和理论力学的知识是学习流体力学课程必要的基础。
目前，根据流体力学在各个工程领域的应用，流体力学可分为以下三类：水利类流体力学：面向水工、水动、海洋等；机械类流体力学：面向机械、冶金、化工、水机等；土木类流体力学：面向市政、工民建、道桥、城市防洪等。
二、流体力学的发展历史流体力学的萌芽，是自距今约2200年以前，西西里岛的希腊学者阿基米德写的“论浮体”一文开始的。
他对静止时的液体力学性质作了第一次科学总结。
流体力学的主要发展是从牛顿时代开始的，1687年牛顿在名著《自然哲学的数学原理》中讨论了流体的阻力、波浪运动，等内容，使流体力学开始成为力学中的一个独立分支。
此后，流体力学的发展主要经历了三个阶段：1.伯努利所提出的液体运动的能量估计及欧拉所提出的液体运动的解析方法，为研究液体运动的规律奠定了理论基础，从而在此基础上形成了一门属于数学的古典“水动力学”（或古典“流体力学”）。
2.在古典“水动力学”的基础上纳维和斯托克思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”。
流体力学基础(绪论) 流体的定义、流体力学的任务及其发展简史
可用连续函数描述流体的运动，用高等数学的方法和原理求解流体力 学的问题。
体的力学模型（连续介质模型）
❖ 注意
稀薄气体动力学问题,连续介质模型不再适用(分子间距大)。
12
第一章 绪论
§1.3 流体的主要物理性质
❖ 惯性
密度
lim m
V 0 V
9
第一章 绪论
§1.1 流体的定义、流体力学的任务及其发展简史
❖ 流体力学发展简史
第四阶段（19世纪末以来）流体力学飞跃发展 理论分析与试验研究相结合 量纲分析和相似性原理起重要作用
1883年 雷诺——雷诺实验（判断流态） 1903年 普朗特——边界层概念（绕流运动） 1933-1934年 尼古拉兹——尼古拉兹实验（确定阻力系数） ❖ 侧重于工程应用的流体力学称为工程流体力学 ❖ 侧重于理论分析的流体力学称为理论流体力学
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第一章 绪论
§1.1 流体的定义、流体力学的任务及其发展简史
❖ 流体力学发展简史
第三阶段（18世纪中叶-19世纪末）沿着两个方向发展——理论、实验 经验公式： 1769年 谢才——谢才公式（计算流速、流量） 1895年 曼宁——曼宁公式（计算谢才系数） 1732年 比托——比托管（测流速） 1797年 文丘里——文丘里管（测流量） 理论：1823年纳维，1845年斯托克斯分别提出粘性流体运动方程组 （N-S方程）
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第一章 绪论
§1.1 流体的定义、流体力学的任务及其发展简史
❖ 流体力学发展简史
第三阶段（18世纪中叶-19世纪末）沿着两个方向发展——理论、实 验
工程技术快速发展，一些土木工程师，根据实际工程的需要，凭借实 地观察和室内试验，建立实用的经验公式，以解决实际工程问题。这 些成果被总结成以实际液体为对象的重实用的水力学。代表人物有皮 托（H.Pitot）、谢才（A.de Chezy）、达西（H.Darcy）等。 提出很多经验公式：
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和力学性质的学科，涉及到流体的运动、力学、热传导、物质传输等方面。
本文将详细介绍流体力学的发展现状，并包括流体力学的基本概念、发展历程、应用领域以及未来发展趋势等方面的内容。
一、基本概念流体力学是研究流体运动和力学性质的学科，研究对象包括液体和气体。
流体力学研究的主要内容包括流体的运动规律、力学性质、流动稳定性、湍流等方面。
二、发展历程流体力学的发展可以追溯到古代，早在古希腊时期，亚里士多德就开始对流体力学进行研究。
随着科学技术的进步，流体力学得到了快速发展。
17世纪，伽利略、托里切利等科学家对流体力学进行了一系列的研究，奠定了流体力学的基础。
18世纪，达尔文、伯努利等科学家对流体力学进行了深入研究，提出了伯努利定理等重要理论。
19世纪，纳维-斯托克斯方程的提出标志着流体力学进入了现代阶段。
20世纪以来，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，为流体力学的发展带来了新的机遇。
三、应用领域流体力学的研究成果在许多领域都有广泛的应用。
以下是几个重要的应用领域：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，飞机的气动设计、火箭发动机的燃烧和喷射、空气动力学模拟等都离不开流体力学的理论和方法。
2. 汽车工程：流体力学在汽车工程中的应用主要包括空气动力学和燃烧过程的模拟。
通过流体力学的研究，可以提高汽车的空气动力学性能，减少空气阻力，提高燃烧效率，减少尾气排放。
3. 能源工程：流体力学在能源工程中的应用主要包括流体传热和流体传质的研究。
例如，研究流体在管道中的传热过程可以提高能源利用效率，优化能源系统的设计。
4. 环境工程：流体力学在环境工程中的应用主要包括大气污染模拟、水污染传输等方面。
通过流体力学的模拟和分析，可以预测大气污染的扩散规律，指导环境保护工作。
四、未来发展趋势随着科学技术的不断进步，流体力学将会在以下几个方面得到进一步发展：1. 多尺度模拟：随着计算机技术的发展，流体力学模拟的精度和计算能力将会不断提高。
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-导论
摩擦能量损失
01
由于流体与管道壁面的摩擦产生的能量损失，与流体的粘性和
管道的粗糙度有关。
局部能量损失
02
由于流道截面变化、流体速度变化等引起的能量损失，如阀门、
弯头等。
压差能量损失
03
由于流体内部压力差引起的能量损失，如流体通过收缩或扩张
截面时产生的能量损失。
流体流动的效率与损失分析
效率分析
通过比较实际输出功率与理论输出功率，评估流体流动的效率。
湍流控制
通过改变湍流流动的特性，减小湍流对边界层流动的影响 ，从而提高流动稳定性。例如，采用湍流控制装置、改变 流动几何形状等。
被动控制
通过改变边界层附近的流体属性，如温度、密度等，影响 边界层的流动特性。例如，采用热传导、蒸发或冷凝等手 段改变边界层附近的流体属性。
06
流体流动的数值模拟方法
数值模拟的基本原理
流体静压力变化规律
流体静压力随深度增加而增大
在重力场中，流体的静压力随深度的增加而增大，这是由于流体的重量所产生的压强所 致。
流体静压力与密度和重力加速度有关
流体的密度和重力加速度越大，流体的静压力也越大。
流体静压力的变化规律可以用流体静压力公式来表示
p=ρgh，其中p表示流体静压力，ρ表示流体的密度，g表示重力加速度，h表示深度。
03
流体动力学基础
流体动力学基本概念
流体
流体是具有流动性的连续介质，由大量分子组成，分子之间存在间 隙。常见的流体包括气体、液体和等离子体。
流场
流场是指流体在空间中的运动状态，由流体的速度、方向、压力和 密度等物理量描述。
流线
流线是描述流体运动轨迹的线，表示某一时刻流体质点的位置和运 动方向 2 3
《流体力学》第一章绪论
流体的定义和特征
流体的定义（续）
液体与气体的区别：
液体的流动性小于气体；
液体具有一定的体积，并取容器的形状； 气体充满任何容器，而无一定体积。
流体的特征
流动性—在微小剪切力作用下汇发生连续变形的特性
§1-2 流体质点与连续介质概念
问题的引出 ：
微观：流体是由大量做无规则热运动的分子所组成， 分子间存有空隙，在空间是不连续的。 宏观：一般工程中，所研究流体的空间尺度要比分子 距离大得多。
1.密度 单位体积流体所具有的质量。
均匀流体
m V
m dm lim V 0 V dV
§1-3流体的密度、比体积和 相对密度
2.流体的比体积 单位质量的流体所占有的体积，流体密度的倒数。
v
3.流体的重度
1
g
常见的密度（在一个标准大气压下）：
3 4℃时的水 1000kg / m 3 20℃时的空气 1.2kg / m
§1-3流体的密度、比体积和 相对密度
3.流体的相对密度 流体的密度与4oC时水的密度的比值。
m vw d mw w v
式中， ——流体的密度（kg/m3） w——4oC时水的密度（kg/m3）
m RgT 1 d m RgT 1 1 T ( ) ( 2 ) V dp p V p p
（等温过程）
§1-4 流体的压缩性和膨胀性
三、流体的压缩性 流体体积随着压力的增大而缩小的性质。 2.流体的体积模量 工程中常用压缩系数的倒数来表示压缩性
dp K V T dV
1
——体积模量（弹性模量）
工程流体力学的研究内容和发展历史
工程流体力学研究的内容
流体力学——流体（研究对象）+力学（研究手段） 流体——什么是流体，有哪些特性？ 问题：易于流动的物质就是流体吗？（沙漏是不是流体？） 所谓流体是当受到微小切应力就会产生连续变形的物质。 流体是靠自身的变形来抵抗切应力的。（粉笔、铁柱的微小变形抵
抗切应力。） 力学——物质之间的相互作用 流体力学是研究流体的运动与平衡、流体与流体之间、流体与固体
流体力学的发展简史
西汉龙首渠（公元前156-87年） 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 隧道，有效地防止了黄土的塌方。
流体力学的发展简史
东汉水力鼓风机（公元37年）
东汉杜诗任南阳太守时曾创造水力鼓风机，其原理是：在激流 中置一木轮，让水冲击木轮转动，然后通过轮轴、拉杆等机械传动 装置，把圆周运动改变为直线往复运动，从而使皮制风囊连续开合 ，达到鼓风目的，将空气送去 冶金炉，该技术是冶铁技术的 一次大革命，较西欧约早了 1200年。
欧拉（1707-1787） 欧拉于1775年提出了流体运动描述方法
和理想流体运动方程组。
流体力学的发展简史
纳维、斯托克斯 纳维和斯托克斯分别于1823年和1845年导出了粘性流体流
动的基本方程组，即著名的N-S方程。由此奠定了粘性流体动 力学理论的基础，也是实际流体流动的最基本的控制方程组。
流体力学的发展简史
工程流体力学研究的内容
3、高尔夫球表面光滑还是粗糙？
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很多窝。
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。
1.1流体力学的任务及发展概况
美国著名空气动力学家
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解释机翼张线的"线鸣" 解释机翼张线的"线鸣"、 水下螺旋桨的"嗡鸣" 水下螺旋桨的"嗡鸣"
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第一节 流体力学的任务及发展概况 四、流体力学发展史
第二时期： 18世纪 20世纪初叶 第二时期： 18世纪——20世纪初叶 世纪 20 1904——普朗特 普朗特 1904
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EXIT
航速达30节，深潜达数百米的核动力潜艇；
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EXIT
时速达200公里的新型地效艇等，它们的设计都 建立在水动力学，船舶流体力学的基础之上。
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EXIT
能源动力
用翼栅及高温，化学，多相流动理论设计制造成功大 型气轮机，水轮机，涡喷发动机等动力机械，为人类 提供单机达百万千瓦的强大动力。
流体黏性 牛顿内摩擦定律
第一章 黏性
英国伟大的数学家、物理学家、 英国伟大的数学家、物理学家、 天文学家和自然哲学家。 天文学家和自然哲学家。
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第一节 流体力学的任务及发展概况 四、流体力学发展史
第二时期： 18世纪 20世纪初叶 第二时期： 18世纪——20世纪初叶 世纪 20 1738—— 伯努利 1738 伯努利方程
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第一节 流体力学的任务及发展概况 四、流体力学发展史
第一时期： 18世纪以前 第一时期： 18世纪以前
流体力学第一部著作
公元前250年 阿基米德——《论浮体》 公元前250年—— 阿基米德 250 《论浮体》
第1章流体力学
集美大学机械工程学院
第一章 绪论
第一节 流体力学研究内容、方法和发展简况
一、研究内容：
研究流体平衡和运动规律的学科。具体确定流体的速度分 布、压强分布与能量损失以及流体与固体间的作用力与作 用力矩。 流体: 具有流动性，在任意微小剪切力的持续作用下能 够 产生不断变形。
流体力学按其研究的侧重点不同分为： 理论流体力学和应用流体力学（工程流体力学） 理论流体力学： 采用严密的数学推理，强调准确性和严密性。 工程流体力学： 侧重工程实际，不追求数学的严密性。 由于流动的复杂性，两种方法都要借助于实验， 获得一些经验公式或半经验公式。
影响表面张力的因素：
（1）与物质的种类有关 （2）与温度有关，不同的液体在不同的温度下具有不同的表面张力值。 液体的表面张力都随着温度的上升而下降。 （3）与杂质含量有关
表面张力很小，但在研究液滴的生成，液体中的气泡的生成，破灭及毛细现象等 问题时需要考虑表面张力的作用
表面张力使流体的自由面弯曲，取一段二维 曲面的微段来分析，设曲率半径为R，垂直 于纸面的长度为一单位，曲率角为Δα。 考虑曲率半径方向的力平衡 ：
c'
d du dt dy
a
b
a'
b'
du d dy dt
说明：流体的切应力与剪切变形速率，或角变形率成正比。 在研究流体运动时，常常使用 与密度 的比值，称为运动粘度
/
m2/s
三、流体的表面张力
液体表面有自动收缩的倾向，类似一张崩紧的膜，这是表 面张力作用的结果。 表面张力是流体自由表面在分子作用半径这一薄层内由于分 子引力大于斥力而产生沿表面切向的拉力。 表面张力的大小用表面张力系数σ来量度，它表示自由表面 上单位长度的流体线所受到的拉力，N/m
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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。
流体力学研究内容及发展简史
主讲人：季天晶
§1-1 流体力学研究内容及发展简史
1. 流体力学研究的内容和方法 流体力学研究流体平衡和运动的规律。流体力学是力学的 一个重要分支，属于连续介质力学的范畴。 流体力学研究流体大量分子的宏观运动规律，不追究流体 的分子运动。 流体力学的研究方法总体上可以分为三种：理论分析方法、 实验方法和数值分析方法。三种方法相互配合与补充。 流体力学的研究遵循“实践—理论—实践”的基本规律。 建立数学模型和实验研究在流体力学的研究中具有尤其重要的 作用。
欧拉（L.Euler 1707-1783）经典流体力学 的创始人，提出了一系列的流体力学基本 方程，著有“流体运动的一般原理”等名著；
伯努利（D.Bernoulli 1700-1782）建立了一系列适用于 工程计算的基本方程，著有“流体动力学”等名著。 纳维（L.Navier 1785-1836）和斯托克斯（G.Stokes 1819-1903）建立了粘性流体运动基本方程； 等等。