流体力学与现实生活

合集下载
  1. 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性,平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
  2. 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
  3. 3、如文档侵犯您的权益,请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间:9:00-18:30)。
纳维(L. Navier,1785-1836,法国) 斯托克斯(G. Stokes,1819-1903,英国)
序论:流体力学的著名科学家
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。
量的集中形态,其波形和速度具有极大的稳定性,所以完全
可以把孤波当作刚性粒子看待,将这种具有粒子性的孤波,
即非线性方程的孤波解称为“孤子”。
特殊形状的孤立波可以传播很远而不变形,具有很好的稳 定性,其原因是色散使脉冲变宽,而非线性使它变窄,两种 作用可以相互平衡。在现今的远程通讯中,特制的光纤可以 无畸变地传送孤立波信号达数千公里。
第1章 序 论
第1章 序 论
• 流体力学与现实生活 • 流体力学的发展过程 • 流体力学的研究方法 • 流体力学的研究内容
定义
流体是这样一种物质:它的分子结构不能够承受任何的外 部剪切应力,即使微小的见力也会引起流体微团的变形。 在宏观上,流体通常被看做是一种连续的介质(连续性假 设,continuum) 流体所受的外力包括: 表面力:如压力,剪切力,表面张力等; 体积力:如重力,电场力,磁力,向心力等。
流体力学发展过程
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(Navier-Stokes Equations, NS方程)。
水利工程
交通运输
汽车阻力来自前部还是后部?
汽车发明于19世纪末,当时人们认为汽车的阻力主要来自 前部对空气的撞击,因此早期的汽车后部是陡峭的,称为箱型 车,阻力系数 CD 很大,约为0.8。
实际上汽车阻力主要来自后部形成的尾流,称为形状阻力。
交通运输
20世纪30年代起,人们开始运用流体力学原理改进汽车 尾部形状,出现甲壳虫型,阻力系数降至0.6。
1895年,D.J. Korteweg和G. de Vries导出了单向运 动浅水波KdV方程:
u 6u u 3u 0
t
x x3
孤立波
u t
6u
u x

3u x3

0
1965年,N. Zabusky和M.D. Kruskal等发现,以不同速度运
动的两个孤波在相互碰撞后,仍然保持各自原有的能量、动
将阀逐渐开大,颜色水开始抖动,直线形状破坏,为过 渡状态。
当阀门开大到一定程度,颜色水不再保持完整形态,而 是杂乱无章、瞬息变化的状态。这说明此时管中流体质点有 剧烈的互相混杂,质点运动速度不仅在轴向而且在纵向均有 不规则的脉动现象,此为湍流状态。
如果此时将阀门关小,紊乱现象逐渐减轻,管中流速降 低到一定程度时,颜色水又恢复直线形状出现层流。
流体力学发展过程
牛顿(I.Newton,1642-1727) 于1687年出版了《自然哲学的数学 原理》。牛顿在科学上最卓越的贡 献是微积分和经典力学的创建。
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。 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。
现场观测
现场观测是对自然界固有的流动现象或已有工 程的全尺寸流动现象,利用各种仪器进行系统观测, 从而总结出流体运动的规律,并借以预测流动现象 的演变。过去对天气的观测和预报,基本上就是这 样进行的。
不过现场流动现象的发生往往不能控制, 发生条件几乎不可能完全重复出现,影响到对流动 现象和规律的研究;现场观测还要花费大量物力、 财力和人力。
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。
流体力学发展过程
伯努利(D.Bernoulli, 1700-1782)在1738年出版了 名著《Hydrodynamics》,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,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。
流体力学发展过程
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。
流体力学发展过程
普朗特(L. Prandtl,1875- 1953) 从1904年到1921年逐步将N‐ S方程作了简化,从推理、数学论 证和实验测量等各个角度,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。
Burgers涡
Burgers涡
Burgers涡
点源与点涡的叠加 Burgers涡(螺旋流)
U
m
U

Burgers涡
层流与湍流
层流与湍流
层流与湍流
当玻璃管中流速较小时,可看到颜色水在玻璃管中呈明 显的直线形状且很稳定,这说明此时整个管中的水都是作平 行于轴向流动,流体质点没有横向运动,不互相混杂,为层 流状态。
物理-数学-物理
以现场或实验观察入手,发现物理现象,建立数学模型, 分析求解,揭示物理机理和规律,指导实际应用。
物理 观察
数学 建模
求解
验证
物理 机理
设计 应用
物理 (现象)
数学
物理 (机理)
Kelvin水波
Kelvin水波
Kelvin水波
Kelvin水波
Kelvin水波
Kelvin水波
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。
流体力学与现实生活
流体力学是一门理论性很强的基础性学科,同时又是工 程领域和现实生活中应用非常广泛的学科。
流体力学
船海航交水环气体生化
舶洋空通利

工工航运工

程程天输程境象育物金
船舶工程
船舶工程
船舶工程
船舶工程
螺旋浆
船舶工程
船舶工程
航空航天
航空航天
航空航天
航空航天
航空航天
水利工程
钱学森 钱学森(1911-2009)浙江省
杭州市人, 他在火箭、导弹、航 天器的总体、动力、制导、气动 力、结构、材料、计算机、质量 控制和科技管理等领域的丰富知 识,为中国火箭导弹和航天事业 的创建与发展作出了杰出的贡献。
周培源( 1902-1993) 1902年8月28日出生,江苏宜兴
人。理论学家、流体力学家主要 从事物理学的基础理论中难度最 大的两个方面即爱因斯坦广义相 对论引力论和流体力学中的湍流 理论的研究与教学并取得出色成 果。
计算流体力学,多相流体力学,多 尺度流体力学,交叉学科流体力学
流体力学发展过程
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 (Archimedes, 公元前287-212), 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。在公元前 250年发表学术论文《论浮体》, 发现了物体在流体中所受浮力的基 本原理──阿基米德原理。此后千 余年间,流体力学没有重大发展。
实验设备:风洞、水槽、水池、水洞、激波管、测 试管系等。实验流体力学 (Experimental Fluid Dynamics, EFD)
交通运输
20世纪50-60年代改进为船型,阻力系数为0.45。
交通运输
80年代经过风洞实验系统研究后,又改进为鱼型,阻力 系数为0.3。
交通运输
以后进一步改进为楔型,阻力系数为0.2。
交通运输
90年代后,科研人员研制开发的车型,阻力系数仅为 0.137。
交通运输
交通运输
建筑桥梁
建筑桥梁
流体力学研究方法
流体力学的研究方法有: 1. 现场观测 2. 实验室模拟 3. 理论分析 4. 数值计算
某种认知如果不是以数学或者以基于数学科学的其他认知为 基础,那么这一认知就是不确定的。
Leonardo da Vinci(列奥纳多.达.芬奇,1425‐1519)
数学是科学的女王。
Carl Friendrich Causs(卡尔.弗里德高斯.高斯,1856)
Hale Waihona Puke Baidu
流体力学发展过程
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(J.-L.Lagrange,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。
建筑桥梁
环境
环境
气象
气象
气象
气象
能源
体育运动:游泳
体育
体育
体育
化工
生物
生物
生物
信天翁滑翔
生物
果蝇飞行
生物
流体力学的发展过程
流体力学发展过程:
流体静力学
阿基米德原理,帕斯卡原理
理想流体力学
伯努利方程,欧拉方程
粘性流体力学 现代流体力学
牛顿内摩擦定律,Navier-Stokes 方程,雷诺实验,边界层理论
孤立波
孤立波(solitary wave):
在1834年8月,John Scott Russel正在苏格兰的运 河中以高速马拉船做实验,发现船首出现了长约10m, 高约0.3~0.5m,速度约13~14km/h的孤立波。他 追踪了约2~3km,这个波形还保持完好,没有消失。 然后,他在水槽做试验,当在直水槽的一端推一下水 体就会有一个孤立的波向前传播。
流体力学发展过程
17世纪,帕斯卡 (B.Pascal, 1623‐1662) 阐明了静止流体中压 力的概念,提出了密 闭流体能传递压强的 原理-帕斯卡原理。
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。
卡门涡街
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。
模型实验
模型实验在流体力学中占有重要地位。根据因 次分析和相似理论,把研究对象的尺度改变(放大 或缩小)以便实验。有些流动现象难于进行理论计 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 因次分析和相似变换方法像换算单位制那样的简单 算法求出原型的数据。
流体力学发展过程
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;把静力学中 压力的概念推广到运动流体中,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。
层流与湍流
卡门涡街
卡门涡街(von Kármán vortex street):
卡门涡街是流体力学中重要的现象,在自然界中常可遇 到,在一定条件下的定常来流绕过某些物体时,物体两侧会 周期性地脱落出旋转方向相反、排列规则的双列线涡,经过 非线性作用后,形成卡门涡街。如水流过桥墩,风吹过高塔、 烟囱、电线等都会形成卡门涡街。
相关文档
最新文档