流体力学课件 交大

Shanghai Jiao Tong University
课程名称：船舶流体力学(NA311) Introduction to Marine Hydrodynamics
德成@j
主讲人：万德成dcwan@
辅导老师：王吉飞wangjifei@
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课程性质：专业基础课
学时数：54 ＝50 (理论课) ＋4 (实验或上机练习)
考试成绩：期中15%，作业15%，期末70%
教材：《水动力学基础》，刘岳元、冯铁城、刘应中编，上海交通大学出版社，1990
上海交通大学出版社
参考书：
《流体力学》，许维德，国防工业出版社，1989
《流体力学》(上、下册)，吴望，北京大学出版社，1982
，吴望一，北京大学出版社，
《流体力学》(上、中、下册)，丁祖荣，高等教育出版社，2003
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参考书：
《流体力学》，林建忠等，清华大学出版社，2005 Introduction to Fluid Mechanics，James A. Fay，MIT Introduction to Fluid Mechanics James A Fay MIT
Press, 1994
Fundamentals of Fluid Mechanics，B.R. Munson, D.F.
Young & T.H. Okiishi, Wiley Asia Student Edition, 2005 Fluid Mechanics: Fundamentals and Applications, Y.A.
Cengel & J.M. Cimbala, McGraw-Hill, 2006
Fluid Mechanics，5th Ed., F.M.White, McGraw-Hill. Marine Hydrodynamics, J.N. Newman, MIT Press, 1977 Marine Hydrodynamics J N Newman MIT Press1977
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航空航天
Shanghai Jiao Tong University 船舶
Shanghai Jiao Tong University 船舶
Shanghai Jiao Tong University 船舶
Shanghai Jiao Tong University 船舶
船舶运动
Shanghai Jiao Tong University 潜艇
Shanghai Jiao Tong University 海洋平台
Shanghai Jiao Tong University 螺旋浆
Shanghai Jiao Tong University 汽车
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体育运动：高尔夫球、皮筏艇
Shanghai Jiao Tong University 体育运动：游泳
Shanghai Jiao Tong University 气象科学
龙卷风气象云图
Shanghai Jiao Tong University 建筑
节节
能
型
建
筑
Shanghai Jiao Tong University 环境
Shanghai Jiao Tong University 生物仿生学
信天翁滑翔
应用广泛已派生出很多新的分支:
电磁流体力学、生物流体力学、化学流体力学、地球流体力学高温气体动力学、高速水动力学、非牛顿流体力学、爆炸力学、流变学、多相流体力学等
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阿基米德（Archimedes，公元前287－212）
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。

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列奥纳德达芬奇（Leonardo da Vinci1452 列奥纳德.达.芬奇（Leonardo.da.Vinci,1452
－1519）
著名物理学家和艺术家设计建造
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
的浮孔出流物体的运动
力以及管道、明渠中水流等问题。

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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伽利略（Galileo15641642）
移原理，并首先提出，运动物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,16231662）
帕斯卡（B Pascal1623-1662）
提出了密闭流体能传递压强的原理--帕斯卡原理。

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牛顿
英国伟大的数学家、物理学家、天文学家和自然哲学家。

1642年12月25日生于英格兰林肯郡格兰瑟姆附近
的沃尔索普村，1727年3月20日在伦
敦病逝。

牛顿在科学上最卓越的贡献
是微积分和经典力学的创建。

牛顿的
成就，恩格斯在《英国状况十八世纪》中概括得最为完整："牛顿由于发明了万有引力定律而创立了科学的天文学，由于进行了光的分解而创立了科学的
光学，由于创立了二项式定理和无限
理论而创立了科学的数学，由于认识
了力的本性而创立了科学的力学"。

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伯努利（D.Bernoulli，1700－1782）瑞士科学家
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。

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欧拉（L.Euler，1707－1783）
经典流体力学的奠基人，
1755年发表《流体运动的般原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不可压缩理想流体运动的般解
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，的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。

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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
学解析
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
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。

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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,18241887）对旋涡运动和分离流动进行（G.R.Kirchhoff,1824-1887）
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。

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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
N i St k E ti
纳维-斯托克斯方程(Navier-Stokes Equations, NS方程)。

纳维（L.Navier，1785－1836，法国）斯托克斯（G.Stokes，1819－
）
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谢才（A.de Chézy法国）
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
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
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
的研究奠定了基础。

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瑞利（L.J.W.Reyleigh，1842-1919英国）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
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。

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。

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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
理论19181919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。

卡门（T.von Kármán，1881-1963）
1911-1912
在19111912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。

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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。

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。

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
--莫迪图。

至此，有压管流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。

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钱学森
钱学森（）浙江省杭州市钱学森（1911－）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。

1957
年获中国科学院自然科学一等奖，1979年获美国加州理工学院杰出
校友奖，1985年获国家科技进步
奖特等奖。

1989年获小罗克维尔
奖章和世界级科学与程名称奖章和世界级科学与工程名人称
号，1991年被国务院、中央军委
授予“国家杰出贡献科学家”荣授予国家出贡献科学家荣誉称号和一级英模奖章。

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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度最大的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。

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吴仲华（Wu Zhonghua）
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曲线坐标的叶轮机械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。

Shanghai Jiao Tong University 序论流体力学研究任务
研究任务：研究流体所遵循的宏观运动规律以及流体和周围物体之间的相互作用
和周围物体之间的相互作用。

物理
物理数学机理
设计
观察建模
求解验证应用物理数学物理
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研究方法：
理论分析:根据实际问题建立理论模型，涉及微分体积法、速
度势法、保角变换法等。

理论流体力学(Theoretical Fluid
Mechanics or Dynamics)
实验测试:根据实际问题利用相似理论建立实验模型，选择流
动介质，设备包括风洞、水槽、水池、水洞、激波管、测试管系等。

实验流体力学(Experimental Fluid Dynamics, EFD)数值计算：根据理论分析的方法建立数学模型，选择合适的
计算方法，包括有限差分法、有限元法、特征线法、边界元法等，利用商业软件和自编程序计算，得出结果，用实验方法加以验证。

计算流体力学(Computational Fluid Dynamics, CFD)
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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。

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孤立波(
中，特制的光纤可以无畸变地传送孤立波信号达数千公里。

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第章流体的本性质第一章流体的基本性质
Shanghai Jiao Tong University 1.1 流体力学的研究对象是流体，那么什么是流体？
成流动。

n o r m a l s t r e s s n F =d A
F s h e a r s t r e s s t d A =
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流体的正式定义：能够流动的物质叫流体，更为准确的说法是在任何微小的剪切力的作用下都能够发的说法是，在任何微小的剪切力的作用下都能够发生连续变形的物质称为流体。

A fluid is a substance which deforms
continuously under the application of a
continuously under the application of a shear stress(剪切力).
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流体的易流动性(fluidity)
流体的易变形形(deformability)
流体的粘性(viscosity)
流体的可压缩性(compressibility)
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流体的易流动性：流体间的分子作用力较小，很难象固体那样保持一定的固定形状只要有外界的作用力或能量
保持一定的固定形状，只要有外界的作用力或能量(势能)不平衡，就会发生流动。

固体：分子间作用力大，分子只能在平衡位置作微小振动，有固定形状能承受压力拉力剪切力
有固定形状，能承受压力，拉力，剪切力。

气体：分子间作用力很小，分子接近自由运动，没有固体形状和体积，不能承受拉力，剪切力。

状和体积不能承受拉力剪切力
液体：分子间作用力介于固体和气体之间，没有固体形状，但有一定的体积，不能承受拉力，剪切力。

但有定的体积不能承受拉力剪切力
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流体的易变形性：在受到剪切力持续作用时，固体的变形一般是()()
微小的如金属或有限的如塑料，但流体却能产生很大的甚至无限大(只作用时间无限长)的变形。

当剪切力停止作用后，固体变形能恢复或部分恢复，
流体则不作任何恢复。

恢
在弹性范围内，固体变形与作用力成正比，遵守
在弹性范固变作成遵守
Hooke定律，固体内的切应力由剪切变形量(位移)决定；而流体内的切应力与变形量无关，由变形速度(切变率)决定，遵守Newton内摩擦定律。

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流体的粘性：当相邻两层流体之间发生相对运动时，在两层流体的接触面会产生对于变形的抗力，与固体不同的是，这种抗力不是与流体的变形大小有关，而是与流体的变形速度成比例，流体这种抵抗变形的特性就称为粘性。

固体：固体表面之间的摩擦是滑动摩擦，即摩擦力，摩擦力与固体表面状况有关。

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液体：当两层液体作相对运动时，两层液体分子的平均距离
加大，吸引力随之增大，这
就是分子内聚力。

气体：气体分子的随机运动范围
大，流层之间的分子交换频
繁。

两层之间的分子动量交
换表现为力的作用，称为表
观切应力。

流体的粘性就是由内摩擦产生，是两层流体间分子内聚力和
分子动量交换的宏观表现。

液体粘性主要取决于分子间
的引力，气体粘性主要取决
于分子的热运动。

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流体的粘性：流体流动时产生内摩擦力的性质称为流体的粘性。

流体内摩擦的概念最早由牛顿(I.Newton,1687)提出。

由库仑(C．A．Coulomb,1784)用实验得到证实。

库仑把一块薄圆板用细金属丝
平吊在液体中，将圆板绕中心转
平吊在液体中将圆板绕中心转
过一角度后放开，靠金属丝的扭
转作用，圆板开始往返摆动，由
于液体的粘性作用，圆板摆动幅
度逐渐衰减，直至静止。

库仑分
别测量了普通板、涂腊板和细沙
板，三种圆板的衰减时间。

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三种圆板的衰减时间均相等。

库仑得出结论衰减的原因不是圆板与液体之间的相库仑得出结论: 衰减的原因，不是圆板与液体之间的相互摩擦，而是液体内部的摩擦。

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壁面无滑移条件(no-slip condition)
壁面不滑移假设
由于流体的易变形性，流体
与固壁可实现分子量级的粘附
作用。

通过分子内聚力使粘附
在固壁上的流体质点与固壁一
在固壁上的流体质点与固壁
起运动。

即：流体与固体表面
可实现分子量级的接触，达到
表面不滑移。

库仑实验间接地验壁移假
•库仑实验间接地验证了壁面不滑移假设；
•壁面不滑移假设已获得大量实验证实，被称为壁面不滑移条件(no-slip condition)。

(no slip condition)
Shanghai Jiao Tong University 牛顿内摩擦定律
/u Uy b
=两板之间速度存在线性分布：
()y y 剪应力与流体变形率成正比：
F /U b A
τ=∝与固体的虎克定律作对比：
f = k x。