流体力学发展史及其在实际工程中的应用

Newton (1642-1727)
早期的流体力学
• 伯努利（Daniel Bernoulli，1700-1782） – 瑞士物理学家、数学家、医学家； – 著名的伯努利家族中最杰出的一位； – 被称为“流体力学之父”。
《流体动力学》 (Hydrodynamica) (1738年出版) Bernoulli (1700-1782)
早期的流体力学
• 研究流体的力学研究从牛顿开始，但作为 一门学科——流体力学，则是18世纪的欧 拉，伯努利(Bernoulli)，克莱洛和达朗贝 尔打下的基础； • 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。
– 我国流体力学研究做出奠基工作的陆士嘉教授也曾是 普朗特的学生。 – 陆士嘉教授（1911-1986） • 北京航空学院的筹建者之一； • 中国第一个空气动力学专业奠基者。
陆士嘉（1911-1986）
二十世纪的流体力学
• 20世纪上半叶的哥廷根大学——物理学领域的“麦加” – 在20世纪上半叶创造了“哥廷根诺贝尔奇迹”； – 45位诺贝尔奖得主曾在哥廷根大学学习、任教或研究； – 著名校友还包括： • 德意志帝国的宰相奥托·冯·俾斯麦； • 联邦德国前总统里夏德·冯·魏茨泽克； • 前总理格哈特·施罗德； • 德国大诗人海涅； • 童话作家格林兄弟； • 第一批原子弹制造者罗伯特·奥本海默； • 金融家约翰·皮尔蒙特·摩根； 哥廷根大学 • 哲学家亚瑟·叔本华，也曾求学于哥廷根；
“假如给我一个支点，我就能撬起地球。”
人类早期的梦想和探索
– 发现阿基米德定律 （浮力原理）；
浮力原理
曹冲（196-208）称象
人类早期的梦想和探索
• ·列奥纳多•达•芬奇（ Leonardo Da Vinci, 1452-1519） – 文艺复兴的代表人物之一，是世界文化史上最伟大的人物之一； – 意大利著名的艺术家、科学家和工程师，航空科学研究的创始人。
十九世纪的流体力学
• 亥姆霍兹（ Hermannvon Helmholtz,1821-1894） – 德国物理学家，生理学家。 – 亥姆霍兹涡量定理（1858）；
Helmholtz (1821-1894)
十九世纪的流体力学
• 开尔文（Lord Kelvin ，1824～1907) – 原名威廉·汤姆森(William Thomson） ，爱尔兰的数学物理学家、工程师； – 受勋后的名为凯尔文男爵一世或领主凯 尔文(1st Baron Kelvin或Lord Kelvin)； – 开尔文是热力学的主要奠基人之一，被 称为热力学之父。于1848年创立了热力 学温标。
早期的流体力学
– 伯努利血压测量方法 • 优点：血压测量准确； • 缺点：给病人带来痛苦；
这种测量血压的方法，在伯努利之 后仍然应用了达170年之久。
伯努利发明的血压测量原理
– 伯努利方程 • 1738年伯努利(D. Bernoulli)提出了著名的伯努利方程. 静压 + 动压
(Dynamic pressure)
– 《动力学》于1743年出版，是达朗贝尔最伟大的物理学著作 – 《动力学》中阐述了著名的达朗贝尔原理： • 作用于一个物体的外力与动力的反作用之和等于零．即
F (ma) N 0
• 在没有约束时 ，与牛顿的运动第二定律一致； • 但这是概念上的变化，有下列重要意义： – 把动力学问题转化为静力学问题来处理； – 用于刚体的平面运动时，可利用平面静力学方法，使问 题简化； – 在有约束情况下，用达朗贝尔原理式非常有利； – 而且为分析力学的创立打下了基础。
– 为什么两艘轮船相离很近前进时容易相撞？
一艘渡船和一艘运输船在巴哈马水域相撞
两船相撞的原理
早期的流体力学
• 欧拉（Leonhard Euler ，17071783）,瑞士数学家和物理学家。 – 数学：第一个使用“函数”，把 微积分应用于物理学的先驱者之 一； – 理想流体基本方程——欧拉方程 （1736）；
十九世纪的流体力学
• 纳维（Claude Louis Navier, 1785-1836） – 法国工程师和物理学家； – 建立了流体平衡和运动的基本方程。 • 斯托克斯（1819-1903） – 英国力学家、数学家； – 建立粘性流体运动的基本方程组 ；
Navier (1785-1836)
Stokes (1819-1903)
二十世纪的流体力学
– 泰勒对力学的贡献 • 对大气湍流和湍流扩散作了研究 (1915,1921,1932)； • 得出同轴两转动圆轴间流动的失稳条件(1923)； • 在研究原子弹爆炸中提出强爆炸的自模拟理论 (1946,1950)； • 指出在液滴中起主要作用的是而不是粘性力 (1959)。 – 1974年的《流体力学综述年刊》
二十世纪的流体力学
• 2. 美国的崛起 – 冯·卡门（ T.von Kármán， 1881-1963），匈牙利犹太人。 – 提出“卡门涡街”理论、建立“ 湍流”概念； – 我国著名科学家钱学森博士的导 师； – “全世界闻名的工程力学和航空 技术权威” ； – 美国国家科学勋章的首位获得者
。
T.von Kármán (1881-1963)
二十世纪的流体力学
– 1946年，冯· 卡门提出跨声速相似律；
亚声速相似律（普朗特） 可压缩空气动力学 理论体系
跨声速相似律 （冯·卡门）
高超声速相似律（钱学森） 超声速相似律（阿克莱）
二十世纪的流体力学
– 1946年10月，题为《超声速空气动力学的理论和应用》的重 要演讲，向人们宣告了超声速时代即将到来。 – 他对航空航天技术的发展有过很多重要的预见，后来都一一 成为现实，例如超声速飞行、远程导弹、全天候飞行、卫星 ……
• 达朗贝尔（D‘Alembert Jean Le Rond ） – 法国著名的物理学家、数学家 和天文学家； – 十八世纪为牛顿力学体系的建 立作出卓越贡献的科学家之一 ； – 提出了波动方程； – 第一次提出了流体速度和加速 度分量的概念。
D‘Alembert (17171783)
早期的流体力学
Reynolds (1842-1912) 雷诺的实验装置
二十世纪的流体力学
• 1. 德国哥廷根学派的创立 – 普朗特（Ludwig Prandtl， 1875－1953），德国物理学家 ，哥廷根大学教授，近代力学 奠基人之一； – 将19世纪末期的水力学和水动 力学研究统一起来，被称为“ 现代流体力学之父”。
V 1 (V )V p t
• 能被用来研究冲击波。
Euler (1707-1783)
早期的流体力学
欧拉方程和拉普拉斯（Laplace）方程至今仍空气动力 学和水波等理论中应用。
V 1 (V )V p t
2 0
早期的流体力学
=
总压
(Total pressure)
=
常数
(Constant)
(Static pressure)
p

百度文库
1 2 v 2

pT
• 流速高处压力低，流速低处压力高。
早期的流体力学
– 伯努利方程的应用
机翼升力原理
早期的流体力学
只平动(向下)
只旋转 香蕉球的原理
平动加旋转
足球场上著名的“贝氏弧线”
早期的流体力学
萨顿曾指出：“写一部有关他 的天才作品的完整研究著作， 也就意味着写一部十五世纪科 学技术的真正百科全书。”
Da Vinci (1452-1519)
人类早期的梦想和探索
– 在许多学科学领域都颇有建树
水利机械
达•芬奇遗留手稿
鸟的飞翔原理
早期的流体力学
• 牛顿（Isaac Newton，1642-1727） – 英国伟大的数学家、物理学家、 天文学家和自然哲学家。 – 牛顿在科学上最卓越的贡献是微 积分和经典力学的创建。 – 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。 – 提出了“牛顿粘性定律”； – 牛顿并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 差距。
Kelvin (1824-1907)
十九世纪的流体力学
– 1869年发现 Kelvin环量定理（开尔文-赫姆霍兹定理） • 被用来解释很多重要的流体现象。 – 开尔文-赫姆霍兹不稳定性
被称之为“开尔文-赫姆霍兹波浪”的疯狂的云朵
十九世纪的流体力学
• 雷诺（O.Reynolds，1842-1912）； – 英国力学家、物理学家和工程师； – 1883年用实验证实了粘性流体的两种流动状态── 层流和紊流。
内
容
一、人类早期的梦想和探索 二、早期的流体力学 三、十九世纪的流体力学
四、二十世纪的流体力学
人类早期的梦想和探索
• 《墨子》记载：“公输子削竹木以为鹊，成而飞之，三 日不下。”
人类早期的梦想和探索
• 阿基米德（Archimedes, BC287－BC212） – 古希腊哲学家、数学家、物理学家。 – 兼力学和物理学的伟大学者，享有“力学之父”的美 称。
L. Prandtl (1875－1953)
二十世纪的流体力学
– 1904年，普朗特完成他最著名的一篇论文——《非 常小摩擦下的流体流动》。在这篇论文中，普朗特首 次描述了边界层及其在减阻和流线型设计中的应用， 描述了边界层分离，并提出失速概念。 由此，创造 了边界层理论。
流体边界层
二十世纪的流体力学