流体力学孔珑主编

流体力学孔珑主编第1页/共81页流体力学与物体的运动第2页/共81页虽然生活在流体环境中，人们对一些流体运动却缺乏认识，比如：1.高尔夫球：表面光滑还是粗糙？2.汽车阻力：来自前部还是后部？3.机翼升力：来自下部还是上部？第3页/共81页高尔夫球运动起源于15世纪的苏格兰。第4页/共81页最早的高尔夫球（皮革已龟裂）起初，人们认为表面光滑的球飞行阻力小，因此当时用皮革制球。第5页/共81页后来发现表面有很多划痕的旧球反而飞得更远。这个谜直到20世纪建立流体力学边界层理论后才解开。第6页/共81页光滑的球和非光滑球对比现在的高尔夫球表面有许多窝，在同样大小和重量下，飞行距离为光滑球的5倍。第7页/共81页汽车阻力汽车发明于19世纪末。第8页/共81页当时人们认为汽车高速前进时的阻力主要来自车前部对空气的撞击。第9页/共81页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0.8第10页/共81页实际上，汽车阻力主要取决于后部形成的尾流。第11页/共81页20世纪30年代起，人们开始运用流体力学原理，改进了汽车的尾部形状，出现了甲壳虫型，阻力系数下降至0.6。

第12页/共81页50～60年代又改进为船型，阻力系数为0.45。第13页/共81页80年代经风洞实验系统研究后，进一步改进为鱼型，阻力系数为0.3。第14页/共81页后来又出现楔型，阻力系数为0.2。第15页/共81页90年代以后，科研人员研制开发了气动性能更优良的未来型汽车，阻力系数仅为0.137。第16页/共81页90年代以后，科研人员研制开发了气动性能更优良的未来型汽车，阻力系数仅为0.137。第17页/共81页目前在汽车外形设计中，流体力学性能研究已占主导地位，合理的外形使汽车具有更好的动力学性能和更低的耗油率。

第18页/共81页机翼升力人们的直观印象是空气从下面冲击着鸟的翅膀，把鸟托在空中。

第19页/共81页19世纪初流体力学环流理论彻底改变了人们的传统观念。脱体涡量与机翼环量大小相等方向相反

第20页/共81页足球运动的香蕉球现象可以帮助理解环流理论：第21页/共81页旋转的足球带动空气形成环流，一侧气流加速，另一侧气流减速，形成压力差，促使足球拐弯，称为马格努斯效应。第22页/共81页机翼的特殊形状使它不用旋转就能产生环流，上部流速加快形成吸力，下部流速减慢形成压力。第23页/共81页测量和计算表明上部吸力的贡献比下部要大。

NACA2412翼型在7.4度攻角时的压强分布

第24页/共81页丰富多彩的流动图案背后隐藏着复杂的力学规律，有些动物具有巧妙运用这些规律的本领。

第25页/共81页地球表面水和空气的运动是气象、水文、水利、环保、农业、航空、航海、渔业、国防等部门研究的对象。第26页/共81页航空、航天、造船、机械、动力、冶金、化工、石油、建筑等部门设备中的工作介质都是流体，改进流程，提高效率，需要流体力学知识。

第27页/共81页第28页/共81页第29页/共81页第30页/共81页第31页/共81页观看录像第32页/共81页第33页/共81页流体力学与工程技术第34页/共81页流体力学也是众多应用科学和工程技术的基础。由于空气动力学的发展，人类研制出3倍声速的战斗机。F-15第35页/共81页使重量超过3百吨，面积达半个足球场的大型民航客机，靠空气的支托象鸟一样飞行成为可能，创造了人类技术史上的奇迹。第36页/共81页利用超高速气体动力学，物理化学流体力学和稀薄气体力学的研究成果，人类制造出航天飞机，建立太空站，实现了人类登月的梦想。

第37页/共81页排水量达50万吨以上的超大型运输船第38页/共81页时速达200公里的新型地效艇等，它们的设计都建立在水动力学，船舶流体力学的基础之上。

第39页/共81页用翼栅及高温，化学，多相流动理论设计制造成功大型气轮机，水轮机，涡喷发动机等动力机械，为人类提供单机达百万千瓦的强大动力。气轮机叶片第40页/共81页大型水利枢纽工程，超高层建筑，大跨度桥梁等的设计和建造离不开水力学和风工程。

第41页/共81页大型水利枢纽工程，超高层建筑，大跨度桥梁等的设计和建造离不开水力学和风工程。

杨浦大桥第42页/共81页

总之，没有流体力学的发展，现代工业和高新技术的发展是不可能的。

流体力学在推动社会发展方面做出过很大贡献，今后仍将在科学与技术各个领域发挥更大的作用。第43页/共81页第一章绪论一、流体力学研究的内容

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。第44页/共81页流体力学所研究的基本规律，有两大组成部分：

２.流体动力学：它研究流体在运动状态时，作用于流体上的力与运动要素之间的关系，以及流体的运动特征与能量转换等，这一部分称为流体动力学。

１.流体静力学：它研究流体处于静止（或相对平衡）状态时，作用于流体上的各种力之间的关系。第45页/共81页

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。因为流体在平衡或运动状态下，也同样遵循这些普遍的原理。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。第46页/共81页目前，根据流体力学在各个工程领域的应用，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；

土木类流体力学：面向市政、工民建、道桥、城市防洪等。

大气类流体力学：飞机、飞行器外行的设计，天气预报，环境污染预报等。第47页/共81页二、流体力学的发展历史

流体力学的萌芽，是自距今约2200年以前，西西里岛的希腊学者阿基米德写的“论浮体”一文开始的。他对静止时的液体力学性质作了第一次科学总结。

流体力学的主要发展是从牛顿时代开始的，1687年牛顿在名著《自然哲学的数学原理》中讨论了流体的阻力、波浪运动，等内容，使流体力学开始成为力学中的一个独立分支。第48页/共81页此后，流体力学的发展主要经历了三个阶段：

１.伯努利所提出的液体运动的能量估计及欧拉所提出的液体运动的解析方法，为研究液体运动的规律奠定了理论基础，从而在此基础上形成了一门属于数学的古典“水动力学”（或古典“流体力学”）。

第49页/共81页2.在古典“水动力学”的基础上纳维和斯托克斯提出了著名的实际粘性流体的基本运动方程——纳维-斯托克思方程(N-S方程)。从而为流体力学的长远发展奠定了理论基础。但由于其所用数学的复杂性和理想流体模模型的局限性，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50页/共81页3.从19世纪末起，人们将理论分析方法和实验分析方法相结合，以解决实际问题，同时古典流体力学和实验流体力学的内容也不断更新变化，如提出了相似理论和量纲分析，边界层理论和紊流理论等，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。在20世纪60年代以后，由于计算机的发展与普及，流体力学的应用更是日益广泛。第51页/共81页阿基米德（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。

流体力学在西方第52页/共81页列奥纳德.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、物体的运动阻力以及管道、明渠中水流等问题。

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移原理，并首先提出，运动物体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。

第53页/共81页帕斯卡（B.Pascal,1623-1662）

提出了密闭流体能传递压强的原理--帕斯卡原理。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"。第54页/共81页伯努利（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。第55页/共81页欧拉（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。第56页/共81页弗劳德（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.vonHelmholtz,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。第57页/共81页纳维（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。纳维（L.Navier，1785－1836，法国）斯托克斯（G.Stokes，1819－1903，英国）第58页/共81页谢才（A.deChézy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，1842-1912）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。第59页/共81页瑞利（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--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。第60页/共81页普朗特（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.vonKármán，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。第61页/共81页流体力学在中国钱学森

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。第62页/共81页周培源（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。第63页/共81页布拉休斯（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。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。第64页/共81页科勒布茹克（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。莫迪（L.F.Moody）在1944年发表的论文中，给出了他绘制的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。第65页/共81页三、流体力学的研究方法流体力学研究方法分三个方面，它们相互配合，互为补充。

66

研究方法理论分析方法实验方法数值分析方法第66页/共81页理论分析过程一般是：建立力学模型，用物理学基本定律推导流体力学控制方程，用数学方法求解方程，检验和解释求解结果。建立模型推导方程求解方程解释结果第67页/共81页目前流体力学理论研究主攻方向是：

湍流

涡运动

水动力学

多相流第68页/共81页实验方法在相似理论指导下，建立模拟实验装置，用流体测量技术测量流动参数，处理分析数据可获得反映流动规律的特定关系，发现新现象，检验理论结果。

相似理论模型试验测量数据分析第69页/共81页风洞试验：上海虹口足球场风载模拟试验第70页/共81页水洞实验：螺旋桨空泡

第71页/共81页水池实验：船模拖曳实验第72页/共81页测量技术有：热线，激光测速；粒子图象，迹线测速；高速摄影；全息照相；压力密度温度测量等。

激波条纹

第73页/共81页现代测量技术在计算机，光学和图象技术配合下在提高空间分辨律和实时测量方面已取得长足进展。第74页/共81页数值分析方