(原创)流体力学发展历程及展望-2013版.ppt

流体力学,王常斌2013年11月,发展历程及展望,流体力学发展史,概述流体力学的发展简史流体力学的研究内容流体力学的研究方法流体力学的展望计算流体力学的发展及应用,概述,流体力学是研究流体在外力作用下平衡和运动一门学科，是力学的一个分支。,流体力学,静力学,动力学,宏观平衡,运动规律,流体力学是研究流体在外力作用下平衡和运动一门学科，是力学的一个分支。,概述,学科分类与代码,一级学科130力学,二级学科130.25流体力学,概述,三级学科：130.2531粘性流体力学,流体力学中研究得最多的流体是水和空气。它的主要基础是牛顿运动定律和质量守恒定律，常常还要用到热力学知识，有时还用到宏观电动力学的基本定律、本构方程和物理学、化学的基础知识。,概述,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。,概述,除水和空气以外，流体还指作为汽轮机工作介质的水蒸气、润滑油、地下石油、含泥沙的江水、血液、超高压作用下的金属和燃烧后产生成分复杂的气体、高温条件下的等离子体等等。,气象、水利的研究，船舶、飞行器、叶轮机械和核电站的设计及其运行，可燃气体或炸药的爆炸，以及天体物理的若干问题等等，都广泛地用到流体力学知识。许多现代科学技术所关心的问题既受流体力学的指导，同时也促进了它不断地发展。1950年后，电子计算机的发展又给予流体力学以极大的推动。,概述,流体力学发展史,概述流体力学的发展简史流体力学的研究内容流体力学的研究方法流体力学的展望计算流体力学的发展及应用,流体力学和其他自然科学一样，是随着生产实践而发展起来的。,流体力学的发展简史,第一阶段（16世纪以前）萌芽阶段第二阶段（16世纪文艺复兴以后18世纪中叶）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）两方向发展欧拉(理论)、伯努利(实验)第四阶段（19世纪末以来）流体力学飞跃发展,流体力学的发展简史,流体力学的发展可大致分为四个阶段,公元前2286年公元前2278年大禹治水疏壅导滞（洪水归于河）（传说）公元前300年左右（秦帝国）都江堰、郑国渠、灵渠公元584年公元610年隋朝南北大运河、船闸应用；埃及、巴比伦、罗马、希腊、印度等地水利、造船、航海产业系统研究古希腊哲学家阿基米德论浮体公元前250年）奠定了流体静力学的基础,第一阶段（16世纪以前）萌芽阶段,流体力学的发展简史,【大禹治水】,相传约4000多年前，黄河流域洪水为患，尧命鲧负责组织治水工作。鲧采取“水来土挡”的策略治水。鲧治水失败后由其独子禹主持治水大任。禹通过考察，禹采用了“治水须顺水性，水性就下，导之入海。高处就凿通，低处就疏导”的治水思想。根据轻重缓急，定了一个治的顺序，先从首都附近地区开始，再扩展到其它各地。,据说禹治水到涂山国，即他家所在地，但他三过家门，都因治水忙碌，无法进家门看看。他的妻子到工地看他，也被他送回。禹治水13年，耗尽心血与体力，终于完成了这一件名垂青史的大业。,流体力学的发展简史,流体力学的发展简史,位于四川省都江堰市城西，是中国古代建设并使用至今的大型水利工程，被誉为“世界水利文化的鼻祖”，是四川著名的旅游胜地。,通常认为，都江堰水利工程是由秦国蜀郡太守李冰及其子率众于公元前256年左右修建的，是全世界迄今为止，年代最久、唯一留存、以无坝引水为特征的宏大水利工程，属全国重点文物保护单位。也是四川的一大景点。,流体力学的发展简史,【都江堰】,公元前246年（秦始皇元年）由韩国水工郑国主持兴建，约十年后完工。是最早在关中建设大型水利工程的，战国末年,秦国穿凿，位于今天的泾阳县西北25公里的泾河北岸。它西引泾水东注洛水，长达300余里（灌溉面积号称4万顷），使关中干旱平原成为沃野良田，粮食产量大增，郑国渠不但未能起到“疲秦”的初衷，反而极大增强了秦国的国力。直接支持了秦国统一六国的战争。,流体力学的发展简史,【郑国渠】,流体力学的发展简史,流体力学的发展简史,灵渠建成于秦始皇33年（公元前214年），全长37.4公里，是世界上最古老的运河之一。灵渠由铧嘴、大小天平、南渠、北渠、泄水天平和陡门组成，设计科学，建筑精巧，铧嘴将湘江水三七分流，其中三分水向南流入漓江，七分水向北汇入湘江，沟通了长江、珠江两大水系，成为秦代以来中原与岭南的交通枢纽，为秦始皇统一中国起了重要作用。,流体力学的发展简史,【灵渠】,流体力学的发展简史,流体力学的发展简史,灵渠渠首处用拦河坝壅高湘江水位，将其一股（南渠）通过穿越分水岭的人工渠道引入漓江上源支流，并对天然河道进行扩挖和整治后，入漓江；将另一股（北,渠）另开新渠于湘江右岸入湘江。,流体力学的发展简史,流体力学的发展简史,古代罗马人在城市供水工程方面的成就突出。从公元前312公元226年的500余年中，罗马城先后修建了11条大型输水道。供水系统的水源是罗马城周围的河流、湖泊和泉水。有些水源距离较远，如公元前144年建成的梅西亚输水道长达62km。水先贮存在城市周围200多个大大小小的水库和池塘中，然后通过输水道从不同的高度进入罗马城，以满足城市用水需要。除供给必要的生活用水外，还要为公共浴室和公共喷泉供水。输水道除常规渠道外，许多地方还采用了虹吸管、隧洞和连拱支撑的石质渡槽。,古罗马供水（watersupplyinancientRome）,流体力学的发展简史,通常认为，流体力学起源于阿基米德（Archimedes）在公元前250年对浮力的研究。,第一阶段（16世纪以前）萌芽阶段,阿基米德（公元前287公元前212年）古希腊哲学家、数学家、物理学家。出生于西西里岛的叙拉古。阿基米德到过亚历山大里亚，据说他住在亚历山大里亚时期发明了阿基米德式螺旋抽水机。后来阿基米德成为兼数学家与力学家的伟大学者，并且享有“力学之父”的美称。阿基米德流传于世的数学著作有10余种，多为希腊文手稿。,流体力学的发展简史,1586年斯蒂芬水静力学原理1612年伽利略物体沉浮的基本原理1650年帕斯卡“帕斯卡原理”1686年牛顿牛顿内摩擦定律1738年伯努利理想流体的运动方程即伯努利方程1775年欧拉理想流体的运动方程（欧拉运动微分方程）,第二阶段（16世纪文艺复兴以后-18世纪中叶）成为一门独立学科的基础阶段,流体力学的发展简史,流体力学的初步形成是在17世纪，帕斯卡（B.Pascal）于1653年发现了静止液体的压强传递定律，即帕斯卡原理。,帕斯卡(1623-1662)法国数学家、物理学家、近代概率论的奠基者。他提出一个关于液体压力的定律，后人称为帕斯卡定律。他建立的直觉主义原则对于后来一些哲学家，如卢梭和伯格森等都有影响。,流体力学的发展简史,第二阶段（16世纪文艺复兴以后-18世纪中叶）成为一门独立学科的基础阶段,1687年牛顿（I.Newton）分析了运动平板在普通流体中所受的流体阻力，提出了牛顿内摩擦定律。,艾萨克牛顿爵士（16421727）英国物理学家、数学家、科学家、思想家和哲学家，同时是英国当时炼金术热衷者。他在1687年7月5日发表的自然哲学的数学原理里提出的万有引力定律以及他的牛顿运动定律是经典力学。牛顿还和莱布尼茨各自独立地发明了微积分。他被公认为是人类历史上最伟大，最有影响力的科学家之一。,第二阶段（16世纪文艺复兴以后-18世纪中叶）成为一门独立学科的基础阶段,流体力学的发展简史,1738年伯努利（D.Bernoulli）对管道流动进行了大量的观察和测量，提出了伯努利定理。,丹尼尔伯努利（17001782)瑞士物理学家、数学家、医学家。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。,流体力学的发展简史,第二阶段（16世纪文艺复兴以后-18世纪中叶）成为一门独立学科的基础阶段,1755年欧拉（I.Euler），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。,莱昂哈德欧拉（17071783）是瑞士数学家和物理学家。他被一些数学史学者称为历史上最伟大的两位数学家之一（另一是卡尔弗里德里克高斯）。欧拉是第一个使用“函数”一词来描述包含各种参数的表达式的人，例如：y=F(x)（函数的定义由莱布尼兹在1694年给出）。他是把微积分应用于物理学的先驱者之一。,流体力学的发展简史,第二阶段（16世纪文艺复兴以后-18世纪中叶）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）两个方向发展欧拉（理论）、伯努利（实验）,工程技术快速发展，提出很多经验公式,理论,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）,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）,流体力学的发展简史,谢才（A-Chezyap，17181798）法国水力工程师。参与了巴黎学多桥梁与街道的施工和验收，并对法国的运河建设，尤其是连接塞纳河与罗纳河流域的勃垠第运河进行了研究。,1769年，谢才总结大量明渠流实测资料提出的计算恒定均匀流的经验公式，一直就用至今。,第三阶段（18世纪中叶19世纪末）两个方向发展欧拉（理论）、伯努利（实验）,流体力学的发展简史,皮托（Pitot,Henri16951771）法国数学家、水利工程师，发明了测量流速的皮托管。,1724年被选入科学院。在任朗格多克的总工程师期间，对运河、桥梁及排水工程作了各种维修和建造工作。这方面的主要成就是为,蒙彼利埃市建造下水道（1753-1786年）其中有一段长1000米为罗马式石拱建筑。,第三阶段（18世纪中叶19世纪末）两个方向发展欧拉（理论）、伯努利（实验）,流体力学的发展简史,文丘里（GiovanniBattistaVenturi，17461822）意大利物理学家，1797年创造了量测管道流量的文丘里管。文丘里管：测量流体压差的一种装置。文丘里管是先收缩而后逐渐扩大的管道。测出其入口截面和最小截面处的压力差，用伯努利定理即可求出流量。,第三阶段（18世纪中叶19世纪末）两个方向发展欧拉（理论）、伯努利（实验）,流体力学的发展简史,1823年纳维（I.Navier）、1845年斯托克斯（B.Stokes）分别采用不同的方法建立了粘性流体运动的微分方程。从此流体力学得到了迅速发展。,纳维（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。,第三阶段（18世纪中叶19世纪末）两个方向发展欧拉（理论）、伯努利（实验）,流体力学的发展简史,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,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。,流体力学的发展简史,1877-1878年瑞利阐述了“因次方法”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）1908年瑞利和索末费尔德平行流稳定性，索末费尔德方程1910年冯卡门建立卡门涡街理论1914年柏金汉引入了术语“-定理”1921年泰勒提出湍流统计理论基本概念1923年泰勒研究同心圆筒间旋转流动稳定性发现泰勒涡1926年普朗特提出湍流的混合长度理论1933-1934尼古拉兹尼古拉兹实验（确定阻力系数）1940年周培源创建湍流模式理论1941年钱学森和冯卡门导出机翼理论的卡门钱公式1963年洛伦兹（E.Lorenz）发现混沌和奇怪吸引子,第四阶段（19世纪末以来）流体力学飞跃发展,流体力学的发展简史,雷诺（OsborneReynolds，18421912）英国物理学家,爱尔兰人。英国著名的工程师，物理学家和,第四阶段（19世纪末以来）流体力学飞跃发展,教育家，毕生对水力学和流体力学的研究做出了重要贡献。早期（18681873）主要精力集中在电磁学方面,之后20年中他致力于力学,尤其是流体力学的研究。1883年他撰文指出层流与紊流两种流动状态的概念。1886年他发表了有关润滑理论的文章,成为研究润滑理论的经典文献之一。,流体力学的发展简史,第四阶段（19世纪末以来）流体力学飞跃发展,找到了实验研究粘性流体流动规律的相似准则数雷诺数：,流体力学的发展简史,提出了雷诺平均N-S方程，至今还是湍流计算中的主要数学模型。,现代意义上的流体力学形成于20世纪初，以普朗特（L.Prandtl）的边界层理论为标志，冯.卡门（V.Karman）和泰勒（G.Taylor）等一批流体力学家在空气动力学、湍流和旋涡理论等方面的卓越成就美术字了现代流体力学的基础。,第四阶段（19世纪末以来）流体力学飞跃发展,流体力学的发展简史,普朗特（L.Prandtl，18751953）德国力学家，现代流体力学创始人之一。,第四阶段（19世纪末以来）流体力学飞跃发展,在边界层理论、风洞实验技术、机翼理论、紊流理论等方面都作出了重要的贡献，被称作空气动力学之父。普朗特与O.G.蒂琼合著的应用水动力学和空气动力学（1931），还著有专著流体力学概论（1942）中文译本（1974）力学论文汇编3卷本全集（1961）,流体力学的发展简史,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。,第四阶段（19世纪末以来）流体力学飞跃发展,流体力学的发展简史,冯.卡门（V.Karman）和泰勒（C.Taylor）等一批流体力学家在空气动力学、湍流和旋涡理论等方面的卓越成就奠定了现代流体力学基础。,西奥多冯卡门（18811963）美藉匈牙利力学家，近代力学的奠基人之一。他在美国加州理工学院的研究生中，有中国学者钱学森、郭永怀、钱伟长，以及美藉华人学者林家翘等，他的学术思想对中国力学事业的发展起了积极的作用。他善于透过现象，抓住事物的物理本质，提炼出数学模型，树立了现代力学中数学理论和工程实际紧密结合的学风，奠定了现代力学的基本方向。他做出了许多卓越的成果，接受过许多国家的勋章，其中包括美国的第一枚国家科学勋章。,第四阶段（19世纪末以来）流体力学飞跃发展,流体力学的发展简史,卡门涡街（KarmanVortexStreet）,第四阶段（19世纪末以来）流体力学飞跃发展,博士生哈依门兹（KarlHiemenz）,流体力学的发展简史,1940年，美国华盛顿州的塔科玛峡谷上花费640万美元，建造了一座主跨度853.4米的悬索桥。建成4个月后（11月7日），一场风速为19米/秒的风，使桥发生了剧烈的扭曲振动，且振幅越来越大（近9m），直到桥面倾斜到45度左右，使吊杆逐根拉断导致桥面钢梁折断而塌毁。当时正好有一支好莱坞电影队在以该桥为外景拍摄影片，记录了桥梁从开始振动到最后毁坏的全过程。,第四阶段（19世纪末以来）流体力学飞跃发展,流体力学的发展简史,为了纪念冯卡门，他的祖国匈牙利在1992年8月3日发行了一枚纪念他的邮票；,1992年8月31日，美国也发行了一枚冯卡门的纪念邮票。,第四阶段（19世纪末以来）流体力学飞跃发展,流体力学的发展简史,杰弗里.泰勒（GeoffreyIngramTaylor，18861975）英国物理学家，数学家。研究领域是流体动力学与波理论。,泰勒对力学的贡献是多方面的。在流体力学方面：阐明激波内部结构；对大气湍流和湍流扩散作了研究；得出同轴两转动圆轴间流动的失稳条件；在研究原子弹爆炸中提出强爆炸的自模拟理论；指出在液滴中起主要作用的是表面张力而不是粘性力等。,第四阶段（19世纪末以来）流体力学飞跃发展,流体力学的发展简史,第四阶段（19世纪末以来）流体力学飞跃发展,流体力学的发展简史,尼古拉兹（JohannNikuradse,1933）德国尼古拉兹对采用人工粗糙的管道进行了阻力系数系统的测定工作，为补充边界层理论、推导湍流的半经验公式提供了可靠的依据。,第四阶段（19世纪末以来）流体力学飞跃发展,流体力学的发展简史,以周培源、钱学森为代表的中国科学家在湍流理论、空气动力学许多重要领域内也作出了基础性、开创性贡献。,第四阶段（19世纪末以来）流体力学飞跃发展,流体力学的发展简史,周培源（1902.8.28日1993.11.24）出生于江苏省宜兴县，就读于清华学校中等科，1924年被清华学校派送去美国芝加哥大学数理系二年级学习，于1926年春、夏两季分别获学士和硕士学位，1928年获博士学位。先后在海森伯、泡利等指导下从事量子力学研究。后被聘为国立清华大学物理系教授，其时年仅27岁。主要成就为引力论和湍流理论，在国际上第一次提出湍流脉动方程，奠定了湍流模式理论的基础，进而在国际上形成了一个“湍流模式,理论流派，对推动流体力学尤其是湍流理论的研究产生了深远的影响。培养了几代力学家和物理学家。早期学生中王竹溪、彭桓武、林家翘、胡甯等都成为著名的科学家。,流体力学的发展简史,以周培源、钱学森为代表的中国科学家在湍流理论、空气动力学许多重要领域内也作出了基础性、开创性贡献。,第四阶段（19世纪末以来）流体力学飞跃发展,流体力学的发展简史,钱学森（1911.12.11-2009.10.31）,浙江省杭州市人，中国导弹之父。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。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”荣誉称号和一级英模奖章。,流体力学的发展简史,20世纪60年代以后，流体力学出现了许多新的分支和交叉学科。如计算流体力学、两相流体力学、生物流体力学等。,流体力学的发展简史,生产的发展和需要是流体力学发展的动力。而流体力学无处不在。,流体力学的发展简史,流体力学发展史,概述流体力学的发展简史流体力学的研究内容流体力学的研究方法流体力学的展望计算流体力学的发展及应用,流体是气体和液体的总称。在人们的生活和生产活动中随时随地都可遇到流体，所以流体力学是与人类日常生活和生产事业密切相关的。大气和水是最常见的两种流体，大气包围着整个地球，地球表面的70%是水面。大气运动、海水运动（包括波浪、潮汐、中尺度涡旋、环流等）乃至地球深处熔浆的流动都是流体力学的研究内容。,流体力学的研究内容,20世纪初，世界上第一架飞机出现以后，飞机和其他各种飞行器得到迅速发展。20世纪50年代开始的航天飞行，使人类的活动范围扩展到其他星球和银河系。航空航天事业的蓬勃发展是同流体力学的分支学科空气动力学和气体动力学的发展紧密相连的。这些学科是流体力学中最活跃、最富有成果的领域。,流体力学的研究内容,流体力学的研究内容,经过数年的反复摸索，莱特兄弟终于制造了第一架飞机“飞行者1号”。,流体力学的研究内容,1903年12月17日上午30分，奥佛驾驶该机在北卡罗莱纳州的基蒂霍克海滩成功地进行了一次动力飞行，飞行距离为36米，在空中逗留了12秒；,随后，又由哥哥韦伯做了一次飞行，结果在59秒内飞行了3200米。,流体力学的研究内容,莱特兄弟继续对飞机进行改进，于1904年和1905年分别造出了“飞行者2号”和“飞行者3号”，1905年10月5日韦伯驾驶的飞行者3号持续飞行了38分钟，航程达39km。也就是说，“飞行者3号”实际上已经具有了实用效能。莱特兄弟确信一个飞行器的时代已经来临。之后的几年，他们一面改进飞机性能，一面在世界各国做飞行表演，向人们显示人类飞行之梦已经成真。,流体力学的研究内容,莱特兄弟和飞行者二号在霍夫曼草原1904年,流体力学的研究内容,飞行者3号复制品勒芒的一个飞行协会的志愿者花费了1万多个小时、历时4年才完成这个复制品。,石油和天然气的开采，地下水的开发利用，要求人们了解流体在多孔或缝隙介质中的运动，这是流体力学分支之一渗流力学研究的主要对象。,流体力学的研究内容,渗流力学还涉及土壤盐碱化的防治，化工中的浓缩、分离和多孔过滤，燃烧室的冷却等技术问题。,流体力学的研究内容,燃烧离不开气体，这是有化学反应和热能变化的流体力学问题，是物理化学流体动力学的内容之一。,流体力学的研究内容,爆炸是猛烈的瞬间能量变化和传递过程，涉及气体动力学，从而形成了爆炸力学。,流体力学的研究内容,沙漠迁移、河流泥沙运动、管道中煤粉输送、化工中气体催化剂的运动等，都涉及流体中带有固体颗粒或液体中带有气泡等问题，这类问题是多相流体力学研究的范围。,流体力学的研究内容,等离子体是自由电子、带等量正电荷的离子以及中性粒子的集合体。等离子体在磁场作用下有特殊的运动规律。,流体力学的研究内容,研究等离子体的运动规律的学科称为等离子体动力学和电磁流体力学，它们在受控热核反应、磁流体发电、宇宙气体运动等方面有广泛的应用。,00C,1000C,100000C,流体力学的研究内容,流体力学的研究内容,磁流体密封,流体力学的研究内容,风对建筑物、桥梁、电缆等的作用使它们承受载荷和激发振动；废气和废水的排放造成环境污染；河床冲刷迁移和海岸遭受侵蚀；研究这些流体本身的运动及其同人类、动植物间的相互作用的学科称为环境流体力学（其中包括环境空气动力学、建筑空气动力学）。这是一门涉及经典流体力学、气象学、海洋学和水力学、结构动力学等的新兴边缘学科。,流体力学的研究内容,生物流变学研究人体或其他动植物中有关的流体力学问题，例如血液在血管中的流动，心、肺、肾中的生理流体运动和植物中营养液的输送。,此外，还研究鸟类在空中的飞翔，动物在水中的游动，等等。,流体力学的研究内容,因此，流体力学既包含自然科学的基础理论，又涉及工程技术科学方面的应用。此外，如从流体作用力的角度，则可分为流体静力学、流体运动学和流体动力学；,流体力学的研究内容,从对不同“力学模型”的研究来分，则有理想流体动力学、粘性流体动力学、不可压缩流体动力学、可压缩流体动力学和非牛顿流体力学等。,粘性流体绕流圆柱,理想流体绕流圆柱,流体力学发展史,概述流体力学的发展简史流体力学的研究内容流体力学的研究方法流体力学的展望计算流体力学的发展及应用,进行流体力学的研究可以分为现场观测、实验室模拟、理论分析、数值计算四个方面：,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。,流体力学的研究方法,流体力学的研究方法,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。因此，人们建立实验室，使这些现象能在可以控制的条件下出现，以便于观察和研究。,数值模拟,流体力学常用的研究方法一般分为理论分析、实验研究和数值模拟。,理论分析,实验研究,流体力学的研究方法,理论分析是理论分析是根据流体运动的普遍规律如质量守恒、动量守恒、能量守恒等，利用数学分析手段，研究流体的运动，解释已知的现象，预测可能发生的结果。理论分析的步骤大致如下：,首先是建立“力学模型”，即针对实际流体力学问题，分析其,建立模型,推导方程,求解方程,解释结果,中的各种矛盾并抓住主要方面，对问题进行简化而建立反映问题本质的“力学模型”。流体力学中最常用的基本模型有：连续介质、牛顿流体、不可压缩流体、理想流体、平面流动等。,流体力学的研究方法,实验研究其一般过程是：在相似理论的指导下建立模拟实验系统，用流体测量技术测量流动参数，处理和分析实验数据。,相似理论,模型实验,测量,数据分析,测量技术有：热线、激光测速；粒子图像、迹线测速；高速摄影；全息照相；压力、密度测量等。,现代测量技术在计算机、光学和图像技术配合下，在提高空间分辨率和实时测量方面已取得长足进步。,实验结果能反映工程中的实际流动规律，发现新现象，检验理论结果等，但普适性较差。,流体力学的研究方法,数值模拟数值研究的一般过程是：对流体力学数学方程作简化和数值离散化，编制程序作数值计算，将计算结果与实验结果比较。,常用的方法有：有限差分法、有限元法、有限体积法、边界元法、谱分析法等。,数值方法的优点是能计算理论分析方法无法求解的数学方程，比实验方法省时省钱，但毕竟是一种近似解方法，适用范围受数学模型的正确性和计算机的性能所限制。,数学模型,离散化,编程计算,检验结果,流体力学的研究方法,计算的内容包括：飞机、汽车、河道、桥梁、流体机械等流场计算；湍流、流动稳定性、非线性流动等数值模拟。,大型工程计算软件有：FLUNT，STAR-CD，EFD，NUMECA等，已成为研究工程流动问题的有力武器。,流体力学的研究方法,理论分析法优点：明确给出各种物理量和运动参量之间的变化关系，有较好的普遍适用性。缺点：数学上的困难，能得出解析解的数量有限。,实验法优点：能直接解决生产中的复杂问题，并能发现新现象和新问题，它的结果可以作为检验其他方法是否正确的依据。缺点：对不同情况需作不同的实验，结果的普遍适用性差。,值计算法优点：许多分析法无法求解的问题可得出它的数值解。缺点：对复杂而又缺乏完善的数学模型，仍无能为力。,流体力学的研究方法,解决流体力学问题时，现场观测、实验室模拟、理论分析和数值计算几方面是相辅相成的。实验需要理论指导，才能从分散的、表面上无联系的现象和实验数据中得出规律性的结论。反之，理论分析和数值计算也要依*现场观测和实验室模拟给出物理图案或数据，以建立流动的力学模型和数学模式；最后，还须依靠实验来检验这些模型和模式的完善程度。此外，实际流动往往异常复杂（例如湍流），理论分析和数值计算会遇到巨大的数学和计算方面的困难，得不到具体结果，只能通过现场观测和实验室模拟进行研究。,流体力学的研究方法,流体力学发展史,概述流体力学的发展简史流体力学的研究内容流体力学的研究方法流体力学的展望计算流体力学的发展及应用,流体力学的展望,从阿基米德到现在的二千多年，特别