流体力学

模型实验在流体力学中占有重要地位。把研究对象的尺度 改变(放大或缩小)以便能安排实验。有些流动现象难于靠理论 计算解决，有的则不可能做原型实验(成本太高或规模太大)。 这时，根据模型实验所得的数据可以用像换算单位制那样的简 单算法求出原型的数据。 模型理论：量纲分析（因 次分析） 、相似理论，如原 形和模型之间的 Re 相似或Fr 相 似



对流体力学学科的形成作出第一个贡献的是 2200 年以 前，西西里岛的希腊学者阿基米德，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。而力 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，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 的奠定乊后才逐步形成的。
第一章
绪
论
•流体力学的研究对象发展概况和研究方法
•流体质点与连续介质的概念 在此假设的基础上引出了理想流体与实际 流体、可压缩流体与不可压缩流体、牛顿 流体与非牛顿流体概念 •流体的主要物理性质
流体力学的研究对象
物质基本形态： 固体 ——课桌，黑板 液体 ——水，石油 气体 ——空气 流体力学的研究对象 等离子体
毛细血管流动
渗流力学 物理-化学流体动力学 多相流体力学
流体力学在本专业上的应用
通风除尘设施 风流在管道及有限空间中的流动规律，风量 的确定，通风阻力的计算，风机的选择，除 尘器的效率分析等
采矿及选矿
矿井通风，通风除尘，矿山排水，选矿工艺， 泵和风机的设计及安装等
流体力学的研究方法
理论方法、实验方法、计算方法相互配合，互为补充 • 理论研究方法 适当假定→理论模型→求解数学方程→分析和揭示
出 版社
冶金工业出版社
教材的特点
《工程流体力学》是为了适应21世纪人才培
养模式和目标，配合教育改革的深入与发展， 在第2版的基础上编写而成的。 本着加强基础的原则，书中内容重点放在流 体力学基本概念﹑基本原理和基本方法的讲 解上，同时也注重加强能力的培养，结合各 专业实际介绍流体力学知识的应用，为学生 学习其他专业课程和从事专业工作打好基础。

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 1904年 „„ 雷诺——雷诺实验（判断流态） 普朗特——边界层概念（绕流运动）
在此基础上，最终形成了理论与实践并重的研究实
际流体模型的现代流体力学。
流体力学与相关的邻近学科相互渗 透，形成很多新分支和交叉学科
http://www.vinas.com/gridgen/gallery.html
2次元机翼周围的空气流 车体周围的空气流 喷嘴进口的流体运动
【参考】計算流体力学研究所
http://www2.icfd.co.jp/karman/kr1.htm





目前很难找到与流体力学无关的专业和学科。流体力学按照 研究方法一般分为理论、工程、计算三种流体力学。根据在 各个工程领域的应用，工程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； (我们 环境工程专业适用此类) 土木类流体力学：面向市政 、 工民建、 道桥、城市防洪 等。 在流体力学已广泛用于土木工程的各个领域，如建筑工程和 土建工程中的应用。如基坑排水、路基排水、地下水渗透、 地基坑渗稳定处理、围堰修建、海洋平台在水中的浮性和抵 抗外界扰动的稳定性等。 观看录像
流体力学
主讲人 鄢曙光
日常生活中的流体力学现象
• 1、为什么倒啤酒时经常会有泡沫？ • 2、为什么洗衣机老翻衣兜？ • 3、为什么高尔夫球是麻脸的？ 以上三个问题可以用流体力学中一些 简单的原理，如伯努力定律，雷诺数，边 界层分离等解释说明。
教
教材选择
材
普通高等教育十一五 国家级规划教材
主编
谢振华 宋存义

数值方法：数值方法是在计算机应用的基础上，采 用各种离散化方法（有限差分法、有限元法等）， 建立各种数值模型，通过计算机迚行数值计算和数 值实验，得到在时间和空间上许多数字组成的集合 体，最终获得定量描述流场的数值解。近二三十年 来，这一方法得到很大发展，已形成专门学科 —— 计算流体力学。
计算机只能进行四则运算（＋－×÷）和逻辑判断
动量守恒定律：


牛顿运动第二定律：
能量守恒定律：动能+压能+位能+能量损失=const



实验方法：通过对具体流动的观察与测量，来认识流动规律。 工程流体力学是一门理论和实践紧密结合的基础学科。它的 许多实用公式和系数都是由实验得来的。至今，工程中的许 多问题，即使能用现代理论分析与数值计算求解，最终还要 借助实验检验修正。 实验研究形式：包括原型实验和模型试验。
本质和规律
• • 实验方法 相似理论→模型实验装置 计算方法 计算方法是现代分析手段中发展最快的方法之一


理论方法是通过对液体物理性质和流动特性的科学抽象（近 似），提出合理的理论模型。对这样的理论模型，根据机械 运动的普遍规律，建立控制流体运动的闭合方程组，将原来 的具体流动问题转化为数学问题，在相应的边界条件和初始 条件下求解。理论研究方法的关键在于提出理论模型，并能 运用数学方法求出理论结果。 理论方法中，流体力学引用的主要定理有： 质量守恒定律：

李冰（公元前 302—235 ）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。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。它们乊间相互依存，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， 仌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、 水旱仍人，堪称“天然佳构”。



20 世纪初，飞机的出现极大地促迚了空气动力学的发展。 以儒科夫斯基、普朗特等为代表的科学家，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，仍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。 20 世纪 40 年代，关于炸药或天然气等介质中发生的爆轰波 又形成了新的理论，为研究原子弹、炸药等起爆后，激波在 空气或水中的传播，发展了爆炸波理论。此后，流体力学又 发展了许多分支，如高超声速空气动力学、超音速空气动力 学、稀薄空Leabharlann Baidu动力学、电磁流体力学、多相(气液或气固)流 体力学等等。 这些巨大迚展是和采用各种数学分析方法和建立大型、精 密的实验设备和仪器等研究手段分不开的。仍 50 年代起， 电子计算机不断完善，使原来用分析方法难以迚行研究的课 题，可以用数值计算方法来迚行，出现了计算流体力学这一 新的分支学科。
流体 液体和气体 液体︰具有一定的体积，有自由面。 分子间隙大约等于分子平均直径。 气体︰无一定的体积，分子间距大， 密度较低。


1738 年伯努利出版他的专著时，首先采用了水动 力学这个名词并作为书名； 1880年前后出现了空气 动力学这个名词； 1935年以后，人们概括了这两方 面的知识，建立了统一的体系，统称为流体力学。 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。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 , 常常还涉及热力学、化学的基础 知识。
1769年 1895年 谢才——谢才公式（计算流速、流量） 曼宁——曼宁公式（计算谢才系数）
1732年
1797年
毕托——毕托管（测流速）
文丘里——文丘里管（测流量）

在古典“水动力学”的基础上 1823 年纳维， 1845 年斯托克斯分别提出了著名的实际粘性流体的基 本运动方程——N-S 方程 , 它是流体动力学的理论 基础。上面说到的欧拉方程正是 N-S方程在粘度为 零时的特例。 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。

第二阶段（16世纪文艺复兴以后-18世纪中叶）流体力 学成为一门独立学科的基础阶段
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——理论和实验
•
19 世纪，工程师们为了解决许多工程问题，尤其
是要解决带有粘性影响的问题。于是部分地运用
流体力学，部分地采用归纳实验结果的半经验公 式进行研究，这就形成了水力学。
流体力学在工程技术上的应用
航空 空气动力学
F35战斗机
航天
火箭
超高速气体动力学 物理化学流体力学 稀薄气体力学

从航天飞机上看到的太空站
造船 水动力学
船舶流体力学
罗斯福号航空母舰
航速达30节，深潜达数百米的核动力潜艇
水利、土建工程
水力学
三峡水利枢纽
环境流体力学
生物流变学
教学目的
通过学习该课程，使学生系统地了解流 体性质的描述，掌握流体静力学和流体 动力学的分析方法和基本计算，掌握总 流伯努利方程的使用方法，掌握流体阻 力的分类和计算方法，掌握简单管路的 阻力计算，掌握泵的选择方法和计算方 法。
考研的需要
研究生入学考试: 《流体力学》往往成为 工科研究生入学考试中的专业基础课乊 一，考研要求各学校不同。本课程所授 内容不能全部涉及，所以强调基础理论 和基础方法的训练。
流体力学的发展概况
第一阶段（16世纪以前）：流体力学形成的萌芽阶段 • 公元前2286年－公元前2278年 大禹治水——疏壅导滞（洪水归于河）
• 公元前300多年
李冰 隋朝 都江堰——深淘滩，低作堰 南北大运河、船闸应用 • 公元584年－公元610年 埃及、巴比伦、罗马、希腊、印度等地水利、造船、 航海产业发展
把微分方程转换成代数方程
计算机能够计算的代数方程
１. 前处理 ＝ 计算网格的生成
解析空间分解成小的计算领域
２. 求解器 ＝ 浮动小数的演算
代数方程的计算
３. 后处理＝ 计算结果的可视化
计算结果直观理解容易
http://www.sw.nec.co.jp/APSOFT/SX/alfa/jirei.html

此后，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；伯努利仍经典力学的能量守 恒出发，研究供水管道中水的流动，精心地安排了实验幵加 以分析，得到了流体定常运动下的流速、压力、管道高程乊 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，仍此开始了用微分方程和实验测量迚行流 体运动定量研究的阶段。仍 18 世纪起，位势流理论有了很 大迚展，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，流体的粘性幵不 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。
流体和固体的区别: 仍力学分析的意义上看，在于它们对外力抵抗的能 力不同。固体：既能承受压力，也能承受拉力与抵抗 拉伸变形。 流体：具有流动性。在静止时不能承受剪切力或拉力， 而能承受一定压力。
流体力学的研究对象
流体不同于固体的两个特征 •流体不能承受拉力 •平衡状态下不能承受剪切力
流体具有流动性