流體力學(xué)概述

1、工程流體力學(xué)工程流體力學(xué)概概 述述動(dòng)力與能源工程學(xué)院動(dòng)力與能源工程學(xué)院20112011級(jí)級(jí)工程流體力學(xué)工程流體力學(xué)Engineering Fluid Mechanics概概 述述流體力學(xué)流體力學(xué)（Fluid Mechanics）力學(xué)的一個(gè)分支。主要研究在各種力的作用下，流體本身的狀態(tài)，以及流體和固體壁面、流體和流體間、流體與其他運(yùn)動(dòng)形態(tài)之間的相互作用。工程流體力學(xué)即流體力學(xué)應(yīng)用于工程領(lǐng)域。從流體作用力的角度，流體力學(xué)可分為流體靜力學(xué)；流體運(yùn)動(dòng)學(xué)；流體動(dòng)力學(xué)。從對(duì)不同“力學(xué)模型”的研究來(lái)分，則有理想流體動(dòng)力學(xué)；粘性流體動(dòng)力學(xué)；不可壓縮流體動(dòng)力學(xué)；可壓縮流體動(dòng)力學(xué)；非牛頓流體力學(xué)等。概概 述述1工

2、程流體力學(xué)工程流體力學(xué)Engineering Fluid Mechanics流體力學(xué)簡(jiǎn)史流體力學(xué)簡(jiǎn)史古希臘古希臘的阿基米德（Archimedes,287?B.C.212B.C.，古希臘數(shù)學(xué)家、物理學(xué)家、發(fā)明家）建立了包括物體浮力定理和浮體穩(wěn)定性的液體平衡理論，奠定了流體靜力學(xué)的基礎(chǔ)。17世紀(jì)世紀(jì)牛頓（Sir Isaac Newton,1642.12.251727.3.20，英國(guó)數(shù)學(xué)家、物理學(xué)家、天文學(xué)家和自然哲學(xué)家）研究了運(yùn)動(dòng)物體在流體中受到的阻力，得到阻力與流體密度、物體迎流截面積和運(yùn)動(dòng)速度的平方成正比的關(guān)系。他還提出粘性流體運(yùn)動(dòng)時(shí)的內(nèi)摩擦力公式，即牛頓粘性定律。概概 述述2阿基米德阿基米德

3、牛頓牛頓工程流體力學(xué)工程流體力學(xué)Engineering Fluid Mechanics18世紀(jì)世紀(jì)伯努利（Daniel Bernoulli,1700.2.81782.3.17，瑞士物理學(xué)家、數(shù)學(xué)家、醫(yī)學(xué)家)建立了聯(lián)系壓力、高度和流速的伯努利方程。皮托（Henri Pitot,1695.5.31771.12.27，法國(guó)數(shù)學(xué)家、水利工程師、發(fā)明家）發(fā)明了測(cè)量流速的皮托管。歐拉（Leonhard Euler,1707.4.151783.9.18，瑞士數(shù)學(xué)家和物理學(xué)家）在忽略流體粘性的假設(shè)下，建立了描述理想流體運(yùn)動(dòng)的基本方程，即歐拉方程。拉格朗日（Joseph Louis Lagrange,1736.

4、1.251813.4.10，法國(guó)數(shù)學(xué)家、物理學(xué)家）對(duì)無(wú)旋運(yùn)動(dòng)，而后亥姆霍茲（Hermannvon Helmholtz,1821.10.311894.9.8，德國(guó)物理學(xué)家、生理學(xué)家、生物物理學(xué)家）對(duì)旋渦運(yùn)動(dòng)作了不少研究。概概 述述3伯努利伯努利歐拉歐拉拉格朗日拉格朗日工程流體力學(xué)工程流體力學(xué)Engineering Fluid Mechanics19世紀(jì)世紀(jì)納維（Claude-Louis-Marie-Henri Navier,1785.2.101836.8.21，法國(guó)力學(xué)家、工程師）和斯托克斯（George Gabriel stokes,1819.8.131903.2.1，英國(guó)力學(xué)家、數(shù)學(xué)家）分別

5、建立了描述粘性流體運(yùn)動(dòng)的基本方程，即納維-斯托克斯方程，它是流體動(dòng)力學(xué)的理論基礎(chǔ)。與流體動(dòng)力學(xué)平行發(fā)展的是水力學(xué)。概概 述述4納維納維斯托克斯斯托克斯工程流體力學(xué)工程流體力學(xué)Engineering Fluid Mechanics20世紀(jì)世紀(jì)1904年普朗特（Ludwig Prandtl,1875.2.41953.8.15，德國(guó)力學(xué)家、近代航空流體力學(xué)的奠基人)創(chuàng)立邊界層理論，它既明確了理想流體的適用范圍，又能計(jì)算在流體中運(yùn)動(dòng)的物體所受到的摩擦阻力。20世紀(jì)初，飛機(jī)的出現(xiàn)促進(jìn)空氣動(dòng)力學(xué)的發(fā)展。40年后，由于噴氣推進(jìn)和火箭技術(shù)的應(yīng)用，使氣體高速流動(dòng)的研究進(jìn)展迅速，形成了氣體動(dòng)力學(xué)。從20世紀(jì)50年

6、代起，電子計(jì)算機(jī)不斷完善，使原來(lái)用分析方法難以進(jìn)行研究的課題，可用數(shù)值計(jì)算方法進(jìn)行，出現(xiàn)了計(jì)算流體力學(xué)新分支。與其同時(shí)，由于民用和軍用生產(chǎn)的需要，水動(dòng)力學(xué)等學(xué)科也有很大進(jìn)展。從20世紀(jì)60年代起，流體力學(xué)和其他學(xué)科逐漸互相交叉滲透，形成一些新的交叉學(xué)科，如物理-化學(xué)流體力學(xué)、磁流體力學(xué)等；原來(lái)基本上只是定性描述的問(wèn)題逐步得到定量研究，生物流變學(xué)就是一個(gè)例子。概概 述述5普朗特普朗特工程流體力學(xué)工程流體力學(xué)Engineering Fluid Mechanics流體力學(xué)研究?jī)?nèi)容流體力學(xué)研究?jī)?nèi)容 從研究對(duì)象劃分，它主要有以下分支學(xué)科：地球流體力學(xué)：地球流體力學(xué)：研究大氣、海水以及地球深處熔漿的運(yùn)動(dòng)。

7、水力學(xué)和水動(dòng)力學(xué)：水力學(xué)和水動(dòng)力學(xué)：研究水在海洋、江河、渠道、管道和水力機(jī)械中的運(yùn)動(dòng)，船舶運(yùn)動(dòng)和阻力，高速水流中的空化，等等?？諝鈩?dòng)力學(xué)：空氣動(dòng)力學(xué)：研究空氣的特性（如粘性、壓縮性、擴(kuò)散和波動(dòng)特性等），飛行器的氣動(dòng)力特性和氣動(dòng)加熱現(xiàn)象，飛行器外形設(shè)計(jì)等。環(huán)境流體力學(xué)和工業(yè)流體力學(xué)：環(huán)境流體力學(xué)和工業(yè)流體力學(xué)：研究大氣污染 、建筑物的風(fēng)載風(fēng)振問(wèn)題、風(fēng)能利用、沙漠遷移、河流泥沙運(yùn)動(dòng)、液力和氣力輸送，等等。生物流體力學(xué)：生物流體力學(xué)：研究人和其他生物體內(nèi)的流體運(yùn)動(dòng)規(guī)律。其他還有滲流力學(xué)滲流力學(xué)、磁流體力學(xué)磁流體力學(xué)、物理物理-化學(xué)流體力學(xué)化學(xué)流體力學(xué)、爆爆炸力學(xué)炸力學(xué)等。概概 述述6工程流體力學(xué)工程

8、流體力學(xué)Engineering Fluid Mechanics流體力學(xué)研究方法流體力學(xué)研究方法 流體力學(xué)的研究方法有現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)、實(shí)驗(yàn)室模擬、理論分析和數(shù)值計(jì)算，它們是相輔相成的?，F(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè) 利用儀器對(duì)流動(dòng)現(xiàn)象進(jìn)行實(shí)際全尺寸觀測(cè)。實(shí)驗(yàn)室模擬實(shí)驗(yàn)室模擬由于現(xiàn)場(chǎng)流動(dòng)現(xiàn)象的發(fā)生不能人為控制，且要花費(fèi)大量資金和人力，因此人們建立實(shí)驗(yàn)室，使流動(dòng)現(xiàn)象能在控制條件下出現(xiàn)，以便于觀察和研究。要使實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)結(jié)果相符，必須滿足流動(dòng)相似律。理論分析理論分析根據(jù)流體運(yùn)動(dòng)的普遍規(guī)律如質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒、能量守恒等，利用數(shù)學(xué)分析手段研究流體運(yùn)動(dòng)規(guī)律。數(shù)值計(jì)算數(shù)值計(jì)算利用電子計(jì)算機(jī)求解復(fù)雜的流體力學(xué)基本方程組，它

9、可部分或全部代替某些實(shí)驗(yàn)，因此發(fā)展很快。概概 述述7工程流體力學(xué)工程流體力學(xué)Engineering Fluid Mechanics流流 體體Fluid流體是液體和氣體的總稱。水和空氣是兩種最常見(jiàn)的流體。靜止流體內(nèi)部任意質(zhì)點(diǎn)，其表面只承受沿內(nèi)法線方向的應(yīng)力，即壓力，不承受剪應(yīng)力。流體無(wú)論受到多么小的剪應(yīng)力，都會(huì)連續(xù)地發(fā)生剪切變形，因而流體具有流動(dòng)性，很容易改變形狀。外力只影響變形速率的大小，而不能確定變形量。流體具有壓縮性，其密度隨壓力增加而增大。流體密度也會(huì)因溫度升高而減小，稱為熱脹性，即熱脹冷縮。液體的壓縮性可用體積壓縮系數(shù)表示，即式中dp為壓力增量，d/為密度變化率，其意義是單位壓力增量所

10、引起的密度變化率。體積壓縮系數(shù)的倒數(shù)為彈性模量E，表示增加單位密度變化率所需要的壓力增量。流流 體體81 ddp返回dpEd工程流體力學(xué)工程流體力學(xué)Engineering Fluid Mechanics液體的彈性模量一般很大，如在15和標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，水的E值為2.15109Pa，欲使水密度增加1，需施加約210個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，可見(jiàn)液體是不易被壓縮的。彈性模量隨溫度和壓力增大而增大。氣體具有明顯的壓縮性。完全氣體密度、壓力和溫度之間的關(guān)系由狀態(tài)方程pRT確定。式中p、T分別為壓力、密度、溫度、R為氣體常量，與氣體種類有關(guān)，空氣的R287 kJ/kgm3。氣體密度隨壓力的變化關(guān)系與過(guò)程有關(guān)，如等熵過(guò)

11、程Ep，等溫過(guò)程Ep等。氣體的密度很容易隨壓力和溫度而變化。根據(jù)壓力和密度的關(guān)系，流體可區(qū)分為正壓流體和斜壓流體。若流體壓力只是密度的函數(shù)，即存在函數(shù)pp()，為正壓流體；若壓力不僅是密度而且也是其他熱力學(xué)參數(shù)的函數(shù)，則為斜壓流體。流體都具有粘性。在同樣的剪切力作用下，不同流體的變形速率不同，即表現(xiàn)出粘性不同。粘性是流體的一種屬性，粘性大小可由粘度度量。當(dāng)相鄰兩流體層具有相對(duì)速度時(shí)，粘性就表現(xiàn)內(nèi)摩擦的作用，產(chǎn)生抵抗相對(duì)運(yùn)動(dòng)的相互作用力。流流 體體9返回工程流體力學(xué)工程流體力學(xué)Engineering Fluid Mechanics氣體的粘性來(lái)自于分子熱運(yùn)動(dòng)引起的動(dòng)量交換，液體則來(lái)自于分子引力。溫

12、度增加會(huì)引起氣體粘性增大而液體粘性減小。由于水、空氣等常見(jiàn)流體的粘性作用很小，很多情況下可近似認(rèn)為其無(wú)粘性，這樣的流體稱為理想流體；反之，粘性作用不能忽略時(shí)則稱為粘性流體（或真實(shí)流體）。粘性流動(dòng)中，凡粘性力與相對(duì)速度的法向梯度成正比即滿足牛頓粘性定律的稱為牛頓流體，否則為非牛頓流體。粘性會(huì)引起流體機(jī)械能量的耗散，若無(wú)外界能量的補(bǔ)充，流動(dòng)將因粘性而逐漸停止。流流 體體10返回工程流體力學(xué)工程流體力學(xué)Engineering Fluid Mechanics粘粘 度度Viscosity度量流體粘性大小的物理量。又稱粘性系數(shù)、動(dòng)力粘度，記為。牛頓粘性定律指出，在純剪切流動(dòng)中相鄰兩流體層之間的剪應(yīng)力（或粘

13、性摩擦應(yīng)力）為式中dv/dy為垂直流動(dòng)方向的法向速度梯度。粘度數(shù)值上等于單位速度梯度下流體所受的剪應(yīng)力。速度梯度也表示流體運(yùn)動(dòng)中的角變形率，故粘度也表示剪應(yīng)力與角變形率之間比值關(guān)系。按國(guó)際單位制，粘度的單位為Pas（帕秒）。粘度是流體的一種屬性，不同流體的粘度數(shù)值不同。同種流體的粘度顯著地與溫度有關(guān)，而與壓強(qiáng)幾乎無(wú)關(guān)。氣體的粘度隨溫度升高而增大 ， 液 體 反 之 。 在 溫 度 T 2 0 0 0 K 時(shí) ， 氣 體 粘 度 可 用Sutherland或冪次公式計(jì)算：粘粘 度度11返回dv dy32000TBTTTB=00nTT=工程流體力學(xué)工程流體力學(xué)Engineering Fluid M

14、echanics式中T0、0為參考溫度及相應(yīng)粘度；B為與氣體種類有關(guān)的常數(shù)，空氣的B110.4K；指數(shù)n隨氣體種類和溫度而變，對(duì)于空氣，在90KT300K范圍可取為8/。水的粘度可按下式計(jì)算：0.01779/(10.03368t0.0002210t2)式中t為攝氏溫度。粘度也可通過(guò)實(shí)驗(yàn)求得，如用粘度計(jì)測(cè)量。在流體力學(xué)的許多公式中，粘度常與密度以/的組合形式出現(xiàn)，故定義v/，由于v的單位m2/s中只有運(yùn)動(dòng)學(xué)單位，故稱運(yùn)動(dòng)粘度。粘粘 度度12返回工程流體力學(xué)工程流體力學(xué)Engineering Fluid Mechanics力學(xué)力學(xué)Mechanics研究物質(zhì)機(jī)械運(yùn)動(dòng)規(guī)律的科學(xué)。自然界物質(zhì)有多種層次，

15、從宇觀的宇宙體系，宏觀的天體和常規(guī)物體，細(xì)觀的顆粒、纖維、晶體，到微觀的分子、原子、基本粒子。通常理解的力學(xué)以研究天然的或人工的宏觀對(duì)象為主。但由于學(xué)科的互相滲透，有時(shí)也涉及宇觀或細(xì)觀甚至微觀各層次中的對(duì)象以及有關(guān)的規(guī)律。機(jī)械運(yùn)動(dòng)亦即力學(xué)運(yùn)動(dòng)是物質(zhì)在時(shí)間、空間中的位置變化，包括移動(dòng)、 轉(zhuǎn)動(dòng)、流動(dòng)、變形、振動(dòng)、波動(dòng)、擴(kuò)散等，而平衡或靜止，則是其中的一種特殊情況。機(jī)械運(yùn)動(dòng)是物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的最基本的形式。物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的其他形式還有熱運(yùn)動(dòng)、電磁運(yùn)動(dòng)、原子及其內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)和化學(xué)運(yùn)動(dòng)等。機(jī)械運(yùn)動(dòng)常與其他運(yùn)動(dòng)形式共同存在，只是在研究力學(xué)問(wèn)題時(shí)突出地考慮機(jī)械運(yùn)動(dòng)這種形式罷了；如果其他運(yùn)動(dòng)形式對(duì)機(jī)械運(yùn)動(dòng)有較大影響，或者需要

16、考慮它們之間的相互作用，便會(huì)在力學(xué)同其他學(xué)科之間形成交叉學(xué)科或邊緣學(xué)科。力力 學(xué)學(xué)13返回工程流體力學(xué)工程流體力學(xué)Engineering Fluid Mechanics力是物質(zhì)間的一種相互作用，機(jī)械運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的變化是由這種相互作用引起的。靜止和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不變，都意味著各作用力在某種意義上的平衡。力學(xué)，可以說(shuō)是力和（機(jī)械）運(yùn)動(dòng)的科學(xué)。力學(xué)在漢語(yǔ)中的意思是力的科學(xué)。漢語(yǔ)“力”字最初表示的是手臂使勁，后來(lái)雖又含有他義，但都同機(jī)械或運(yùn)動(dòng)無(wú)直接聯(lián)系。“力學(xué)”一詞譯自英語(yǔ)mechanics（源于希臘語(yǔ)機(jī)械），在19世紀(jì)50年代作為研究力的作用的學(xué)科名詞傳入中國(guó)時(shí)，譯作重學(xué)，后來(lái)改譯作力學(xué)。力學(xué)發(fā)展簡(jiǎn)史力學(xué)發(fā)展

17、簡(jiǎn)史力學(xué)知識(shí)最早起源于對(duì)自然現(xiàn)象的觀察和在生產(chǎn)勞動(dòng)中的經(jīng)驗(yàn)。人們?cè)诮ㄖ?、灌溉等勞?dòng)中使用杠桿、斜面、汲水器具，逐漸積累起對(duì)平衡物體受力情況的認(rèn)識(shí)。古希臘的阿基米德對(duì)杠桿平衡、物體重心位置、物體在水中受到的浮力等作了系統(tǒng)研究，確定它們的基本規(guī)律，初步奠定了靜力學(xué)即平衡理論的基礎(chǔ)。古代人還從對(duì)日、月運(yùn)行的觀察和弓箭、車輪等的使用中了解一些簡(jiǎn)單的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，如勻速的移動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)。力力 學(xué)學(xué)14返回工程流體力學(xué)工程流體力學(xué)Engineering Fluid Mechanics但是對(duì)力和運(yùn)動(dòng)之間的關(guān)系，只是在歐洲文藝復(fù)興時(shí)期以后才逐漸有了正確的認(rèn)識(shí)。伽利略在實(shí)驗(yàn)研究和理論分析的基礎(chǔ)上，最早闡明自由落體運(yùn)動(dòng)的

18、規(guī)律，提出加速度的概念。牛頓繼承和發(fā)展前人的研究成果（特別是開普勒的行星運(yùn)動(dòng)三定律），提出物體運(yùn)動(dòng)三定律。伽利略、牛頓奠定了動(dòng)力學(xué)的基礎(chǔ)。牛頓運(yùn)動(dòng)定律的建立標(biāo)志著力學(xué)開始成為一門科學(xué)。此后力學(xué)的進(jìn)展在于它所考慮的對(duì)象由單個(gè)的自由質(zhì)點(diǎn)轉(zhuǎn)向受約束的質(zhì)點(diǎn)和受約束的質(zhì)點(diǎn)系；這方面的標(biāo)志是達(dá)朗貝爾提出的達(dá)朗貝爾原理和拉格朗日建立的分析力學(xué)。歐拉又進(jìn)一步把牛頓運(yùn)動(dòng)定律推廣用于剛體和理想流體的運(yùn)動(dòng)方程。歐拉建立理想流體的力學(xué)方程可看作是連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的肇端。在此以前，有關(guān)固體的彈性、流體的粘性、氣體的可壓縮性等的物質(zhì)屬性方程已經(jīng)陸續(xù)建立。運(yùn)動(dòng)定律和物性定律這兩者的結(jié)合，促使彈性固體力學(xué)基本理論和粘性流體力學(xué)基

19、本理論孿生于世，在這方面作出貢獻(xiàn)的是納維、柯西、泊松、斯托克斯等人。彈性力學(xué)和流體力學(xué)基本方程的建立，使得力學(xué)逐漸脫離物理學(xué)而成為獨(dú)立學(xué)科。力力 學(xué)學(xué)15返回工程流體力學(xué)工程流體力學(xué)Engineering Fluid Mechanics另一方面，從拉格朗日分析力學(xué)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的哈密頓體系，繼續(xù)在物理學(xué)中起作用。從牛頓到哈密頓的理論體系組成物理學(xué)中的經(jīng)典力學(xué)或牛頓力學(xué)。在彈性和流體基本方程建立后，所給出的方程一時(shí)難于求解，工程技術(shù)中許多應(yīng)用力學(xué)問(wèn)題還須依靠經(jīng)驗(yàn)或半經(jīng)驗(yàn)的方法解決。這使得19世紀(jì)后半葉在材料力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)同彈性力學(xué)之間，水力學(xué)和水動(dòng)力學(xué)之間一直存在著風(fēng)格上的顯著差別。到20世紀(jì)初

20、，在流體力學(xué)和固體力學(xué)中，實(shí)際應(yīng)用同數(shù)學(xué)理論的上述兩個(gè)方面開始結(jié)合，此后力學(xué)便蓬勃發(fā)展起來(lái)，創(chuàng)立了許多新的理論，同時(shí)也解決了工程技術(shù)中大量的關(guān)鍵性問(wèn)題，如航空工程中的聲障問(wèn)題和航天工程中的熱障問(wèn)題。這種理論和實(shí)際密切結(jié)合的力學(xué)的先導(dǎo)者是普朗特和馮卡門。他們?cè)诹W(xué)研究工作中善于從復(fù)雜的現(xiàn)象中洞察事物本質(zhì)，又能尋找合適的解決問(wèn)題的數(shù)學(xué)途徑，逐漸形成一套特有的方法。從20世紀(jì)60年代起，電子計(jì)算機(jī)應(yīng)用日廣，力學(xué)無(wú)論在應(yīng)用上或理論上都有了新的進(jìn)展。力學(xué)繼承它過(guò)去同航空和航天工程技術(shù)結(jié)合的傳統(tǒng)，在同其他各種工程技術(shù)以及同自然科學(xué)的其他力力 學(xué)學(xué)16返回工程流體力學(xué)工程流體力學(xué)Engineering Fl

21、uid Mechanics學(xué)科的結(jié)合中，開拓自己新的應(yīng)用領(lǐng)域。70年代以來(lái)混沌理論方面的進(jìn)展，說(shuō)明確定性動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)中廣泛存在長(zhǎng)期不可預(yù)測(cè)性，使人們對(duì)于以牛頓運(yùn)動(dòng)定律為基礎(chǔ)的經(jīng)典力學(xué)有了新的認(rèn)識(shí)。力學(xué)在中國(guó)的發(fā)展經(jīng)歷了一個(gè)特殊的過(guò)程。與古希臘幾乎同時(shí)，中國(guó)古代對(duì)平衡和簡(jiǎn)單的運(yùn)動(dòng)形式就已具備相當(dāng)水平的力學(xué)知識(shí)，所不同的是未建立起像阿基米德那樣的理論系統(tǒng)。在文藝復(fù)興前的約1000年時(shí)間內(nèi)，整個(gè)歐洲的科學(xué)技術(shù)進(jìn)展緩慢，而中國(guó)科學(xué)技術(shù)的綜合性成果卓著，有些居于世界領(lǐng)先地位。這些成果反映出豐富的力學(xué)知識(shí)，但終未形成系統(tǒng)的力學(xué)理論。明末清初，中國(guó)科學(xué)技術(shù)已顯著落后于歐洲。經(jīng)過(guò)曲折的過(guò)程，到19世紀(jì)中葉，牛頓

22、力學(xué)才由歐洲傳入中國(guó)。以后，中國(guó)力學(xué)的發(fā)展便隨同世界潮流前進(jìn)。力學(xué)學(xué)科性質(zhì)力學(xué)學(xué)科性質(zhì)力學(xué)原是物理學(xué)的一個(gè)分支。物理科學(xué)的建立則是從力學(xué)開始的。在物理科學(xué)中，人們?cè)眉兇饬W(xué)理論解釋機(jī)械運(yùn)動(dòng)以外的各種形式的運(yùn)動(dòng)，如熱、電磁、光、分子和原子內(nèi)的運(yùn)動(dòng)等。當(dāng)物理學(xué)擺脫了這種機(jī)械（力學(xué)）力力 學(xué)學(xué)17返回工程流體力學(xué)工程流體力學(xué)Engineering Fluid Mechanics的自然觀而獲得健康發(fā)展時(shí)，力學(xué)則在工程技術(shù)的推動(dòng)下按自身邏輯進(jìn)一步演化，逐漸從物理學(xué)中獨(dú)立出來(lái)。20世紀(jì)初，相對(duì)論指出牛頓力學(xué)不適用于速度接近光速或者宇宙尺度內(nèi)的物體運(yùn)動(dòng)；20年代，量子論指出牛頓力學(xué)不適用于微觀世界。這反映

23、人們對(duì)力學(xué)認(rèn)識(shí)的深化，即認(rèn)識(shí)到物質(zhì)在不同層次上的機(jī)械運(yùn)動(dòng)規(guī)律是不同的。通常理解的力學(xué)只以研究宏觀的機(jī)械運(yùn)動(dòng)為主，因而有許多帶“力學(xué)”名稱的學(xué)科如熱力學(xué)、統(tǒng)計(jì)力學(xué)、相對(duì)論力學(xué)、電動(dòng)力學(xué)、量子力學(xué)等在習(xí)慣上被認(rèn)為是物理學(xué)的分支，而不屬于力學(xué)的范圍。但由于歷史上的原因，力學(xué)和物理學(xué)仍有著特殊的親緣關(guān)系，特別是在以上各力學(xué)分支和牛頓力學(xué)之間，許多概念、方法、理論都有不少相似之處。力學(xué)與數(shù)學(xué)在發(fā)展中始終相互推動(dòng)，相互促進(jìn)。一種力學(xué)理論往往和相應(yīng)的一個(gè)數(shù)學(xué)分支相伴產(chǎn)生，如運(yùn)動(dòng)基本定律和微積分，運(yùn)動(dòng)方程的求解和常微分方程，彈性力學(xué)及流體力學(xué)的基本方程和數(shù)學(xué)分析理論，天體力學(xué)中運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性和微分方程定性理論等。

24、有人甚至認(rèn)為力學(xué)是一門應(yīng)用數(shù)學(xué)。但是力學(xué)和物理學(xué)一力力 學(xué)學(xué)18返回工程流體力學(xué)工程流體力學(xué)Engineering Fluid Mechanics樣，還有需要實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)的一面，而數(shù)學(xué)尋求的是比力學(xué)更帶普遍性的數(shù)學(xué)關(guān)系，兩者有各自的研究對(duì)象。力學(xué)同物理學(xué)、數(shù)學(xué)等學(xué)科一樣，是一門基礎(chǔ)科學(xué)，它所闡明的規(guī)律帶有普遍的性質(zhì)。力學(xué)又是一門技術(shù)科學(xué)，它是許多工程技術(shù)的理論基礎(chǔ)，又在廣泛的應(yīng)用過(guò)程中不斷得到發(fā)展。當(dāng)工程學(xué)還只分民用工程學(xué)（即土木工程學(xué)）和軍事工程學(xué)兩大分支時(shí)，力學(xué)在這兩個(gè)分支中已起著舉足輕重的作用。工程學(xué)越分越細(xì)，各個(gè)分支中許多關(guān)鍵性的進(jìn)展都有賴于力學(xué)中有關(guān)運(yùn)動(dòng)規(guī)律、強(qiáng)度、剛度等問(wèn)題的解決。力學(xué)

25、和工程學(xué)的結(jié)合促使工程力學(xué)各個(gè)分支的形成和發(fā)展。無(wú)論是歷史較久的土木工程、建筑工程、水利工程、機(jī)械工程、船舶工程等，還是后起的航空工程、航天工程、核技術(shù)工程、生物醫(yī)學(xué)工程等，都或多或少有工程力學(xué)的活動(dòng)場(chǎng)地。力學(xué)作為一門技術(shù)科學(xué)，并不能代替工程學(xué)，只指出工程技術(shù)中解決力學(xué)問(wèn)題的途徑，而工程學(xué)則從更綜合的角度考慮具體任務(wù)的完成。同樣地，工程力學(xué)也不能代替力學(xué)，因?yàn)榱W(xué)還有探索自然界一般規(guī)律的任務(wù)。力力 學(xué)學(xué)19返回工程流體力學(xué)工程流體力學(xué)Engineering Fluid Mechanics力力 學(xué)學(xué)20交錯(cuò)排列管道群中的流場(chǎng)返回工程流體力學(xué)工程流體力學(xué)Engineering Fluid Mech

26、anics力學(xué)既是基礎(chǔ)科學(xué)又是技術(shù)科學(xué)這種二重性，有時(shí)難免會(huì)引起側(cè)重基礎(chǔ)研究一面和側(cè)重應(yīng)用研究一面的力學(xué)家之間的不同看法。這種二重性使力學(xué)家為溝通人類認(rèn)識(shí)自然和改造自然兩個(gè)方面作出了貢獻(xiàn)。力學(xué)研究方法力學(xué)研究方法力學(xué)研究方法遵循認(rèn)識(shí)論的基本法則：實(shí)踐理論實(shí)踐。力學(xué)作為基礎(chǔ)科學(xué)和作為技術(shù)科學(xué)從不同側(cè)面反映這個(gè)法則。力學(xué)家們根據(jù)對(duì)自然現(xiàn)象的觀察，特別是定量觀測(cè)的結(jié)果，根據(jù)生產(chǎn)過(guò)程中積累的經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)，或者根據(jù)為特定目的而設(shè)計(jì)的科學(xué)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，提煉出量與量之間的定性的或數(shù)量的關(guān)系。為了使這種關(guān)系反映事物的本質(zhì)，力學(xué)家要善于抓住起主要作用的因素，摒棄或暫時(shí)摒棄一些次要因素。力學(xué)中把這種過(guò)程稱為建立模型。

27、質(zhì)點(diǎn)、質(zhì)點(diǎn)系、剛體、彈性固體、粘性流體、連續(xù)介質(zhì)等是各種不同的模型。在模型的基礎(chǔ)上可以運(yùn)用已知的力學(xué)的或物理學(xué)的規(guī)律（必要時(shí)作一些假設(shè)）以及合適的數(shù)學(xué)工具進(jìn)行理論上的演繹工作，導(dǎo)出新的結(jié)論。在理論演繹中，為了使理論具有更高的概括性和更廣泛的適用性，往往采用一些無(wú)量綱參數(shù)如雷諾數(shù)、馬力力 學(xué)學(xué)21返回工程流體力學(xué)工程流體力學(xué)Engineering Fluid Mechanics赫數(shù)、泊松比等。這些參數(shù)既反映物理本質(zhì)，又是單純的數(shù)字，不受尺寸、單位制、工程性質(zhì)、實(shí)驗(yàn)裝置類型的牽制。依據(jù)第一個(gè)實(shí)踐環(huán)節(jié)所得理論結(jié)論建立的模型是否合理，有待于新的觀測(cè)、工程實(shí)踐或者科學(xué)實(shí)驗(yàn)等第二個(gè)實(shí)踐環(huán)節(jié)加以驗(yàn)證。采用上

28、述無(wú)量綱參數(shù)以及通過(guò)有關(guān)的量綱分析使得這種驗(yàn)證能在更廣泛的范圍內(nèi)進(jìn)行。對(duì)一個(gè)單獨(dú)的力學(xué)課題或研究任務(wù)來(lái)說(shuō)，這種實(shí)踐和理論環(huán)節(jié)不一定能分得很清，也可能和其他課題或任務(wù)的某個(gè)環(huán)節(jié)相互交叉，相互影響。課題或任務(wù)中每一項(xiàng)具體工作又可能只涉及一個(gè)環(huán)節(jié)或者一個(gè)環(huán)節(jié)的一部分。因此，從局部看來(lái)，力學(xué)研究工作方式是多樣的：有些只是純數(shù)學(xué)的推理，甚至著眼于理論體系在邏輯上的完善化；有些著重?cái)?shù)值方法和近似計(jì)算；有些著重實(shí)驗(yàn)技術(shù)；有些著重在天文觀測(cè)和考察自然現(xiàn)象中積累數(shù)據(jù)；而更大量的則是著重在運(yùn)用現(xiàn)有力學(xué)知識(shí)來(lái)解決工程技術(shù)中或探索自然界奧秘中提出的具體問(wèn)題。每一項(xiàng)工程又都需要具備自身有關(guān)的知識(shí)和其他學(xué)科的配合。數(shù)學(xué)推

29、理需要各種現(xiàn)代數(shù)學(xué)知識(shí)，包括一些抽象數(shù)學(xué)分支的知識(shí)。數(shù)值方法和近似計(jì)算要了解計(jì)算力力 學(xué)學(xué)22返回工程流體力學(xué)工程流體力學(xué)Engineering Fluid Mechanics技術(shù)、計(jì)算數(shù)學(xué)?，F(xiàn)代的力學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備，諸如大型的風(fēng)洞、水洞，它們的建立和使用本身就是一個(gè)綜合性的科學(xué)技術(shù)項(xiàng)目，需要多工種、多學(xué)科的協(xié)作。應(yīng)用研究更需要對(duì)應(yīng)用對(duì)象的工藝過(guò)程、材料性質(zhì)、技術(shù)關(guān)鍵等有清楚的了解。在力學(xué)研究中既有細(xì)致的、獨(dú)立的分工，又有綜合的、全面的協(xié)作。從力學(xué)研究和對(duì)力學(xué)規(guī)律認(rèn)識(shí)的整體來(lái)說(shuō)，實(shí)踐是檢驗(yàn)理論正確與否的唯一標(biāo)準(zhǔn)。以上各種工作都是力學(xué)研究不可缺少的部分。力學(xué)分支學(xué)科力學(xué)分支學(xué)科力學(xué)的各分支學(xué)科是由于研

30、究方法以及研究對(duì)象的不同而形成的，它可粗分為靜力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)三部分，也可區(qū)分為固體力學(xué)、流體力學(xué)和一般力學(xué)三個(gè)分支。它又可按研究時(shí)所采用的主要手段分為理論分析、實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值計(jì)算三個(gè)方面。力學(xué)與工程技術(shù)和其他自然科學(xué)方面的結(jié)合形成工程力學(xué)或應(yīng)用力學(xué)各分支以及多種交叉學(xué)科，諸如土力學(xué)、工業(yè)空氣動(dòng)力學(xué)、生物力學(xué)、地質(zhì)力學(xué)等。力力 學(xué)學(xué)23返回工程流體力學(xué)工程流體力學(xué)Engineering Fluid Mechanics力力 學(xué)學(xué)24返回協(xié)和式飛機(jī)著陸時(shí)的流場(chǎng)顯示（正視圖）工程流體力學(xué)工程流體力學(xué)Engineering Fluid Mechanics連續(xù)介質(zhì)連續(xù)介質(zhì)Continuum流體力學(xué)或

31、固體力學(xué)研究的基本假設(shè)之一。它認(rèn)為流體或固體質(zhì)點(diǎn)在空間是連續(xù)而無(wú)空隙地分布的，且質(zhì)點(diǎn)具有宏觀物理量如質(zhì)量、速度、壓強(qiáng)、溫度等，都是空間和時(shí)間的連續(xù)函數(shù)，滿足一定的物理定律。所謂質(zhì)點(diǎn)，實(shí)際是指微觀充分大、宏觀充分小的分子團(tuán)，也稱微團(tuán)。即其尺度比分子或分子運(yùn)動(dòng)尺度足夠大，它可以包含“無(wú)數(shù)”的分子，而比所研究力學(xué)問(wèn)題的特征尺度足夠小。有了連續(xù)介質(zhì)假設(shè)，就可以在流體力學(xué)研究中廣泛運(yùn)用數(shù)學(xué)分析這一強(qiáng)有力的工具。實(shí)際流體的結(jié)構(gòu)在一般情況下是非常接近連續(xù)介質(zhì)模型的。例如在冰點(diǎn)溫度（273.15K）和標(biāo)準(zhǔn)大氣壓（101325Pa）下，1cm3空氣含分子約2.71019個(gè)，分子平均自由程約10-9cm，1秒內(nèi)分

32、子碰撞約1029次。顯然，從力學(xué)角度完全可以忽略分子結(jié)構(gòu)的離散性和分子碰撞作用的間歇性，而認(rèn)為物質(zhì)是連續(xù)的。在特殊情況，如稀薄氣體中，分子自由程相比力學(xué)特征尺度已不是非常小，連續(xù)介質(zhì)假設(shè)不適用；激波層的厚度為分子量級(jí)，研究激波層中的氣體運(yùn)動(dòng)也不能用連續(xù)介質(zhì)假設(shè)。連續(xù)介質(zhì)連續(xù)介質(zhì)25返回工程流體力學(xué)工程流體力學(xué)Engineering Fluid Mechanics流體靜力學(xué)流體靜力學(xué)Hydrostatics流體靜力學(xué)主要研究靜止或相對(duì)靜止流體中壓力、密度、溫度等參數(shù)的分布以及流體對(duì)器壁或物體的作用的流體力學(xué)分支。流體靜力學(xué)的基本方程是歐拉靜平衡方程，在直角坐標(biāo)系中表示為式中X、Y、Z為x、y、z

33、三個(gè)坐標(biāo)方向流體所受的單位質(zhì)量力，p為壓力，為密度。通常情況，質(zhì)量力僅為重力。液體一般是不可壓縮流體，密度為常數(shù)，上述方程可積分為pp0 gh式中p0為液體表面壓力，g為單位質(zhì)量力，h為深度。但在有些情況如海洋深處，應(yīng)考慮液體密度隨壓力而增大的影響，可導(dǎo)出pp0Eln(1 0gh/E)式中0為液體表面密度，E為液體彈性模量，這里視為常數(shù)。氣體（如大氣情況）密度是變化的，若引入狀態(tài)方程及給定的溫度條件，可導(dǎo)出壓力、密度等隨高度變化的關(guān)系。在一般工流體靜力學(xué)流體靜力學(xué)26返回XYZpxpypz 工程流體力學(xué)工程流體力學(xué)Engineering Fluid Mechanics程中使用的有限體積容器（如

34、儲(chǔ)氣罐、氣瓶）中壓力可視為常數(shù)。沿浸入流體中的器壁或物體表面積分流體壓力，可求出流體對(duì)其作用的總壓力和壓力中心（或鉛垂方向?yàn)楦×透×χ行模⒖煞治龈鞣N浮體、潛體的平衡和穩(wěn)定性。流體靜力學(xué)的研究在航空、航運(yùn)、海洋工程、液壓驅(qū)動(dòng)裝置、測(cè)壓儀器及水壩、閘門、高壓容器的設(shè)計(jì)方面有廣泛應(yīng)用。海洋深處考慮液體密度隨海洋深處考慮液體密度隨壓力而增大的影響壓力而增大的影響:流體靜力學(xué)流體靜力學(xué)27返回00200000ddlndgdddggggln 1gpEppEphEhEEhEEhppEhE工程流體力學(xué)工程流體力學(xué)Engineering Fluid Mechanics流體動(dòng)力學(xué)流體動(dòng)力學(xué)fluid dyn

35、amics研究作為連續(xù)介質(zhì)的流體在力作用下的運(yùn)動(dòng)規(guī)律及其與邊界的相互作用的流體力學(xué)分支。廣義地說(shuō)，它還研究流體和其他運(yùn)動(dòng)形態(tài)的相互作用。流體動(dòng)力學(xué)與流體靜力學(xué)的差別在于前者研究運(yùn)動(dòng)中的流體；流體動(dòng)力學(xué)與流體運(yùn)動(dòng)學(xué)的差別在于前者考慮作用在流體上的力。流體動(dòng)力學(xué)包括水動(dòng)力學(xué)和空氣動(dòng)力學(xué)兩大部分。其研究方法也和流體力學(xué)一樣有理論、實(shí)驗(yàn)和計(jì)算3種，它們?nèi)￠L(zhǎng)補(bǔ)短，相互促進(jìn)。流體動(dòng)力學(xué)的主要內(nèi)容如下：應(yīng)力張量和變形速率張量應(yīng)力張量和變形速率張量的關(guān)系的關(guān)系牛頓粘性定律闡述剪切流動(dòng)中兩層流體間的剪應(yīng)力（即粘性應(yīng)力）與流體剪切變形速率（即垂直速度方向的速度梯度）之間成正比關(guān)系。對(duì)于一般粘性流動(dòng)，若假設(shè)：運(yùn)動(dòng)流

36、體的應(yīng)力張量在運(yùn)動(dòng)停止后趨于靜止流體的應(yīng)力張量；偏應(yīng)力張量的各分量是局部速度梯度張量各分量的線性齊次函數(shù)；流體為各向同性，則可導(dǎo)出應(yīng)力張量和變形速率張量之間的關(guān)系，即廣義牛頓粘性定律。流體動(dòng)力學(xué)流體動(dòng)力學(xué)28返回工程流體力學(xué)工程流體力學(xué)Engineering Fluid Mechanics動(dòng)量方程和能量方程動(dòng)量方程和能量方程動(dòng)量方程是動(dòng)量守恒的數(shù)學(xué)表達(dá)式，表明單位體積上的慣性力等于單位體積上的質(zhì)量力加上單位體積上的壓力梯度和粘性應(yīng)力。能量方程是能量守恒的數(shù)學(xué)表達(dá)式，表明粘性耗損的機(jī)械能以及由于熱交換或其他原因傳入的熱量使流體的熵增大。旋渦的動(dòng)力學(xué)性質(zhì)旋渦的動(dòng)力學(xué)性質(zhì)如果流體是無(wú)粘性、正壓的，且

37、外力有勢(shì)，則旋渦不生不滅，而且渦線，渦管總是由相同的流體質(zhì)點(diǎn)組成，渦管強(qiáng)度不隨時(shí)間變化。只有流體的粘性、斜壓性和外力無(wú)勢(shì)這三個(gè)因素才能使旋渦產(chǎn)生、發(fā)展變化和消亡。對(duì)于在工程實(shí)際中大量遇到的無(wú)粘性不可壓縮均質(zhì)流體在重力作用下的均勻束流、定常繞流問(wèn)題和靜止起動(dòng)問(wèn)題，都滿足流體無(wú)粘性、正壓和外力有勢(shì)3個(gè)條件 ，因此整個(gè)流體運(yùn)動(dòng)時(shí)時(shí)處處都是無(wú)旋的。由于無(wú)旋運(yùn)動(dòng)可作許多數(shù)學(xué)上的簡(jiǎn)化，最終歸結(jié)為求解拉普拉斯方程，故又稱為拉普拉斯無(wú)旋運(yùn)動(dòng)。各類流體運(yùn)動(dòng)各類流體運(yùn)動(dòng)根據(jù)不同標(biāo)準(zhǔn)可分為：層流和湍流；邊界層流動(dòng)和外部位勢(shì)流動(dòng)；無(wú)粘流動(dòng)和粘性流動(dòng)；不可壓縮流動(dòng)和可壓縮流動(dòng)等。流體動(dòng)力學(xué)流體動(dòng)力學(xué)29返回工程流體力學(xué)

38、工程流體力學(xué)Engineering Fluid Mechanics水力學(xué)水力學(xué)hydraulics研究以水為代表的液體運(yùn)動(dòng)規(guī)律及其在生產(chǎn)實(shí)踐中的應(yīng)用的力學(xué)分支。其中心問(wèn)題是研究水流與邊界的相互作用，分析在各種條件下形成的水流狀態(tài)和邊界上的作用力。水力學(xué)除廣泛應(yīng)用于水利水電建設(shè)外，還應(yīng)用于城鄉(xiāng)建設(shè)、環(huán)境保護(hù)、機(jī)械制造、石油開采、金屬冶煉及化學(xué)工業(yè)等領(lǐng)域。簡(jiǎn)史簡(jiǎn)史水力學(xué)在歷史上的最早記載有公元前250年左右的阿基米德浮體原理。中國(guó)古代水利工程如都江堰和靈渠的修建和用“銅壺滴漏”計(jì)時(shí)，表明對(duì)明渠水流和孔口泄流的原理已有所認(rèn)識(shí)。16世紀(jì)后，出現(xiàn)了帕斯卡液壓傳遞定理、牛頓流體內(nèi)摩擦定律等。1738年，伯

39、努利提出水動(dòng)力學(xué)的伯努利方程，水力學(xué)初步形成為一門學(xué)科。其后沿著古典流體力學(xué)和實(shí)驗(yàn)水力學(xué)兩個(gè)方向發(fā)展。古典流體力學(xué)用嚴(yán)密的數(shù)學(xué)分析進(jìn)行研究，歐拉建立了理想流體運(yùn)動(dòng)微分方程，納維和斯托克斯建立了粘性流體運(yùn)動(dòng)微分方程，奠定了流體力學(xué)的理論基礎(chǔ)，水力學(xué)水力學(xué)30返回工程流體力學(xué)工程流體力學(xué)Engineering Fluid Mechanics但在當(dāng)時(shí)尚難以解決各種實(shí)際問(wèn)題。實(shí)驗(yàn)水力學(xué)針對(duì)具體水流現(xiàn)象，采用試驗(yàn)和觀測(cè)手段得到許多實(shí)用的經(jīng)驗(yàn)公式，如謝才明渠均勻流公式一直沿用至今，但理論指導(dǎo)不足，成果有局限性，也難以解決復(fù)雜問(wèn)題。19世紀(jì)末至20世紀(jì)以來(lái)，雷諾提出層流和湍流兩種流態(tài)，開始了湍流的研究，特別

40、是普朗特創(chuàng)立了邊界層理論，使流體力學(xué)的發(fā)展進(jìn)入一個(gè)新階段。同時(shí)，現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)技術(shù)和建立在相似理論與量綱分析基礎(chǔ)上的實(shí)驗(yàn)理論迅速發(fā)展，水力學(xué)也吸取了流體力學(xué)的基本理論分析水流現(xiàn)象，使實(shí)驗(yàn)工作建立在更為牢固的基礎(chǔ)上。原來(lái)相互脫節(jié)的古典流體力學(xué)和實(shí)驗(yàn)水力學(xué)日益結(jié)合，在新的基礎(chǔ)上形成現(xiàn)代流體力學(xué)和現(xiàn)代水力學(xué)。研究?jī)?nèi)容研究?jī)?nèi)容傳統(tǒng)水力學(xué)由水靜力學(xué)和水動(dòng)力學(xué)兩部分組成。水靜力學(xué)研究靜止液體的靜壓強(qiáng)分布規(guī)律和物體表面上的液體靜總壓力的計(jì)算方法。水動(dòng)力學(xué)主要研究液體流動(dòng)規(guī)律，包括基本理論和實(shí)際應(yīng)用兩方面內(nèi)容?；纠碚撝饕獮榉从迟|(zhì)量、動(dòng)量和能量三大守恒定律的連續(xù)性方程、動(dòng)量方程和能量方程，后者僅對(duì)機(jī)械能而水力學(xué)水力

41、學(xué)31返回工程流體力學(xué)工程流體力學(xué)Engineering Fluid Mechanics言，即為伯努利方程，以及水流阻力和機(jī)械能損失的理論。這些理論基礎(chǔ)和流體力學(xué)相同，但以采用斷面平均量表示的一維總流分析方法為主。實(shí)際應(yīng)用為應(yīng)用基本理論解決各種實(shí)際流動(dòng)問(wèn)題，按不同類型水流運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)主要分為下列幾類：有壓管流有壓管流研究輸送液體的各種管道的流量和沿管壓強(qiáng)變化的計(jì)算，也包含流動(dòng)瞬變時(shí)發(fā)生水擊的分析。明槽流明槽流包括河渠中正常均勻流動(dòng)；非均勻漸變流動(dòng)，主要為水面線的分析；急變流動(dòng)，如水躍現(xiàn)象等；非定常流動(dòng)，如洪水計(jì)算等?？琢骺琢鞲鞣N小孔口和噴嘴在壓力水頭下的出流以及水工中閘門大孔泄流的計(jì)算。堰流堰流

42、各種量水堰和溢流壩等水工建筑物的頂上過(guò)流的計(jì)算。波浪波浪研究各種水波的運(yùn)動(dòng)特性和波浪對(duì)建筑物的波壓力。水力機(jī)械中的流動(dòng)水力機(jī)械中的流動(dòng)主要為水輪機(jī)和水泵等葉輪機(jī)械中的流動(dòng)特性。挾沙水流挾沙水流研究挾帶泥沙的河渠中渾水水力學(xué)水力學(xué)32返回工程流體力學(xué)工程流體力學(xué)Engineering Fluid Mechanics的流動(dòng)規(guī)律，也包括物料輸送管道的流動(dòng)。滲流滲流研究多孔介質(zhì)中主要是地下土壤中的滲流運(yùn)動(dòng)規(guī)律，也包括地下水對(duì)建筑物基礎(chǔ)的浮托力計(jì)算。水力學(xué)也常按服務(wù)專業(yè)或問(wèn)題性質(zhì)命名形成若干個(gè)分支，如水工水力學(xué)、河流水力學(xué)等等?，F(xiàn)代生產(chǎn)建設(shè)的飛速發(fā)展，如高壩和巨型電站的修建，海洋的開發(fā)、環(huán)境污染的防治等

43、，對(duì)水力學(xué)提出的問(wèn)題日新月異。另一方面，科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，有關(guān)學(xué)科如流體力學(xué)中湍流、多相流等的新發(fā)展，滲透入水力學(xué)更多新的理論和方法；現(xiàn)代光、熱、電子等各種先進(jìn)量測(cè)技術(shù)的引用，使復(fù)雜流動(dòng)和水流內(nèi)部結(jié)構(gòu)的量測(cè)成為可能；而電子計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用更解決了許多過(guò)去難以計(jì)算的問(wèn)題。因此，水力學(xué)的內(nèi)涵得到不斷發(fā)展、更新和提高。除傳統(tǒng)的水力學(xué)分支外，又崛起一批新的學(xué)科分支，有計(jì)算水力學(xué)、隨機(jī)水力學(xué)、環(huán)境水力學(xué)、高速水力學(xué)和工業(yè)水力學(xué)等。研究方法研究方法有理論分析、數(shù)值計(jì)算和實(shí)驗(yàn)研究幾種途徑。水力學(xué)的系統(tǒng)理論是用數(shù)理分析方法建立起來(lái)水力學(xué)水力學(xué)33返回工程流體力學(xué)工程流體力學(xué)Engineering Fluid M

44、echanics的。但由基本微分方程求嚴(yán)格解析解往往很困難，實(shí)際問(wèn)題的解算多限于一維總流情況，公式中的系數(shù)常要由實(shí)驗(yàn)確定。對(duì)于非定常問(wèn)題、二維和三維問(wèn)題，則常應(yīng)用數(shù)值計(jì)算方法求近似解。水力學(xué)實(shí)驗(yàn)有原型觀測(cè)和實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)，前者對(duì)天然水流直接觀測(cè)，資料真實(shí)但費(fèi)用大，且常受條件限制難以作系統(tǒng)研究；后者可改變水流條件作專題系統(tǒng)研究以及不同方案的實(shí)物模型試驗(yàn)，但模型試驗(yàn)受相似條件控制，常只能抓住主要因素得到近似的相似。實(shí)驗(yàn)在水力學(xué)發(fā)展中起過(guò)重要作用，理論和數(shù)值計(jì)算的結(jié)果也常需要實(shí)驗(yàn)資料的驗(yàn)證，至今仍是一個(gè)重要的研究手段。水力學(xué)水力學(xué)34返回工程流體力學(xué)工程流體力學(xué)Engineering Fluid Mec

45、hanics邊界層邊界層Boundary Layer高雷諾數(shù)繞流中緊貼物面的粘性力不可忽略的流動(dòng)薄層。又稱附面層。德國(guó)物理學(xué)家普朗特于1904年首先提出了邊界層的概念。從那時(shí)起，邊界層研究就成為流體力學(xué)中的一個(gè)重要課題和領(lǐng)域。在邊界層內(nèi)，緊貼物面的流體由于分子引力的作用，完全粘附于物面上，與物體的相對(duì)速度為零。由物面向外，流體速度迅速增大至當(dāng)?shù)刈杂闪魉俣?，即?duì)應(yīng)于理想繞流的速度，一般與來(lái)流速度同量級(jí)。因而速度的法向垂直表面的方向梯度很大，即使流體粘度不大，如空氣、水等，粘性力相對(duì)于慣性力仍然很大，起著顯著作用，因而屬粘性流動(dòng)。而在邊界層外，速度梯度很小，粘性力可以忽略，流動(dòng)可視為無(wú)粘或理想流動(dòng)

46、。在高雷諾數(shù)下，邊界層很薄，其厚度遠(yuǎn)小于沿流動(dòng)方向的長(zhǎng)度，根據(jù)尺度和速度變化率的量級(jí)比較，可將納維-斯托克斯方程簡(jiǎn)化為邊界層方程。求解高雷諾數(shù)繞流問(wèn)題時(shí)，可把流動(dòng)分為邊界層內(nèi)的粘性流動(dòng)和邊界層外的理想流動(dòng)兩部分，分別迭代求解。邊界層有層流、湍流、混合流 ，低速（不可壓縮）、高速（可壓縮）以及二維、邊界層邊界層35返回工程流體力學(xué)工程流體力學(xué)Engineering Fluid Mechanics三維之分。由于粘性與熱傳導(dǎo)緊密相關(guān)，高速流動(dòng)中除速度邊界層外，還有溫度邊界層。邊界層轉(zhuǎn)捩邊界層轉(zhuǎn)捩邊界層中的流態(tài)由層流過(guò)渡為湍流的過(guò)程。轉(zhuǎn)捩是一個(gè)十分復(fù)雜的流動(dòng)變化過(guò)程，工程上常把轉(zhuǎn)捩過(guò)程簡(jiǎn)化為一個(gè)突變現(xiàn)

47、象。影響轉(zhuǎn)捩的主要因素是雷諾數(shù)，若邊界層當(dāng)?shù)乩字Z數(shù)達(dá)到某一臨界值時(shí)，即發(fā)生轉(zhuǎn)捩。轉(zhuǎn)捩還受其他許多因素影響，如外流的原始湍流度、逆壓、梯度、流過(guò)曲面時(shí)離心力的作用、物面粗糙度、噪聲、系統(tǒng)的穩(wěn)定性以及流體與物體間的熱交換等。邊界層厚度邊界層厚度邊界層內(nèi)從物面 （當(dāng)?shù)厮俣葹榱悖╅_始，沿法線方向至速度與當(dāng)?shù)刈杂闪魉俣萓 相等（嚴(yán)格地說(shuō)是等于0.990或0.995U）的位置之間的距離，記為 。由繞流物體頭部（前緣）起，邊界層厚度從零開始沿流動(dòng)方向逐漸增厚。實(shí)用中又定義了邊界層位移厚度*和動(dòng)量損失厚度。位移厚度的涵義是，邊界層內(nèi)的流體受到阻滯，因而通過(guò)的流量減小，相當(dāng)于理想繞流中外流從物面上向外推移了一個(gè)

48、距離，繞流物體的形狀變成原幾何形狀再加位移厚度。動(dòng)量損失厚度的涵義邊界層邊界層36返回工程流體力學(xué)工程流體力學(xué)Engineering Fluid Mechanics是，流體在邊界層內(nèi)損失的動(dòng)量，相當(dāng)于按層外自由流速度計(jì)算時(shí)，這個(gè)動(dòng)量所占的流體層厚度。邊界層分離邊界層分離邊界層流動(dòng)從物體表面脫離的現(xiàn)象。二維邊界層分離有兩種情況，一是發(fā)生在光滑物面上，另一是發(fā)生在物面有尖角或其他外形中斷或不連續(xù)處。光滑物面上發(fā)生分離的原因在于，邊界層內(nèi)的流體因克服粘性阻力而不斷損失動(dòng)量，當(dāng)遇到下游壓力變大（即存在逆壓梯度）時(shí)，更需要將動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)閴毫δ埽员憧朔胺綁毫Χ\(yùn)動(dòng)，這種情況越接近物面越嚴(yán)重。因此邊界層內(nèi)

49、法向速度梯度越接近物面下降越甚，當(dāng)物面法向速度梯度在某位置上小到零時(shí)，表示一部分流體速度已為零，成為“死水”，邊界層流動(dòng)無(wú)法沿物面發(fā)展，只能從物面脫離，該位置稱為分離點(diǎn)。分離后的邊界層在下游形成較大的旋渦區(qū)；但也可能在下游某處又回附到物面上，形成局部回流區(qū)或氣泡。尖點(diǎn)處發(fā)生邊界層分離的原因在于附近的外流流速很大，壓強(qiáng)很小，因而向下游必有很大的逆壓梯度，在其作用下，邊界層即從尖點(diǎn)處發(fā)生分離。三維邊界層的分離比較復(fù)雜，是正在深入研究的課題。邊界層邊界層37返回工程流體力學(xué)工程流體力學(xué)Engineering Fluid Mechanics邊界層分離導(dǎo)致繞流物體壓差阻力增大、飛機(jī)機(jī)翼升力減小、流體機(jī)械

50、效率降低、螺旋槳性能下降等，一般希望避免或盡量推遲分離的發(fā)生；但有時(shí)也可利用分離，如小展弦比尖前緣機(jī)翼的前緣分離渦可導(dǎo)致很強(qiáng)的渦升力。邊界層控制邊界層控制控制邊界層發(fā)展，影響其結(jié)構(gòu)，從而控制邊界層轉(zhuǎn)捩或分離的技術(shù)，其目的一般是減小繞流物體阻力或增加飛行器的舉力。經(jīng)常采用以下幾種控制方法：采用良好或可變的物面形狀，使邊界層盡量處于有利的順壓梯度下，避免出現(xiàn)過(guò)早或過(guò)大的逆壓梯度。降低物面粗糙度。采用吹氣或引射方法增加邊界層氣流的動(dòng)量，或?qū)⑦吔鐚拥撞康蛣?dòng)量流體吸除，均可避免分離。通過(guò)擾流作用（如安裝擾流片等），使層流邊界層變成湍流邊界層，提高其抗分離能力。邊界層控制在工程技術(shù)上已有重要應(yīng)用，如在航空

51、器的翼面上采用層流翼型 ，配置邊界層吹除 、吸除系統(tǒng)，使用噴氣衿翼等；在流體機(jī)械上，采用邊界層控制的葉片等。邊界層邊界層38返回工程流體力學(xué)工程流體力學(xué)Engineering Fluid Mechanics空氣動(dòng)力學(xué)空氣動(dòng)力學(xué)Aerodynamics研究空氣或其他氣體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，空氣或其他氣體與飛行器或其他物體發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)的相互作用和伴隨發(fā)生的物理化學(xué)變化的學(xué)科。流體力學(xué)的一個(gè)分支。它是在流體力學(xué)基礎(chǔ)上隨航空航天技術(shù)的發(fā)展而形成的一門學(xué)科。研究?jī)?nèi)容研究?jī)?nèi)容根據(jù)空氣與物體的相對(duì)速度是否小于約100米/秒（相應(yīng)馬赫數(shù)約0.3）， 可分為低速空氣動(dòng)力學(xué)和高速空氣動(dòng)力學(xué)，前者主要研究不可壓縮流動(dòng)，后

52、者研究可壓縮流動(dòng)。根據(jù)是否忽略粘性，可分為理想空氣動(dòng)力學(xué)和粘性空氣動(dòng)力學(xué)。作用于飛行器的升力、力矩問(wèn)題，可主要通過(guò)理想空氣動(dòng)力學(xué)求解。按流場(chǎng)邊界不同氣流有外流和內(nèi)流之分。外流指一般飛行器繞流和鈍體繞流，內(nèi)流主要指管道、進(jìn)氣道、發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的流動(dòng)。專門研究鈍體繞流的稱鈍體空氣動(dòng)力學(xué)；專門研究?jī)?nèi)流的稱內(nèi)流空氣動(dòng)力學(xué)。自20世紀(jì)60年代以后，空氣動(dòng)力學(xué)逐漸向非航空航天的一般工業(yè)與經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域擴(kuò)展和滲透，形成了工業(yè)空氣動(dòng)力學(xué)。此外還有一些邊緣性分支學(xué)科，如稀薄氣體動(dòng)力學(xué)、高空氣動(dòng)力學(xué)空氣動(dòng)力學(xué)39返回工程流體力學(xué)工程流體力學(xué)Engineering Fluid Mechanics溫氣體動(dòng)力學(xué)和宇宙氣體動(dòng)力學(xué)等（

53、見(jiàn)氣體動(dòng)力學(xué)）。 鈍體空氣動(dòng)力學(xué)。研究鈍形物體的繞流問(wèn)題。鈍體常具有鈍頭、鈍尾或帶棱角的形狀，如橋梁、塔架、采油平臺(tái)、大型冷卻塔、高層建筑、火車、汽車等。當(dāng)風(fēng)吹過(guò)這些物體或物體在空氣中運(yùn)動(dòng)時(shí)便產(chǎn)生鈍體繞流現(xiàn)象。流線型飛機(jī)在大迎角飛行時(shí)，也屬鈍體繞流范疇。鈍體繞流通常伴有復(fù)雜的分離和旋渦運(yùn)動(dòng)，有時(shí)還會(huì)產(chǎn)生流致振動(dòng)（即物體或結(jié)構(gòu)被流動(dòng)激發(fā)的振動(dòng)）。這是由于分離渦從物面周期性發(fā)放時(shí)，物體受到周期變化的流體動(dòng)力作用而發(fā)生的受迫振動(dòng)，甚至導(dǎo)致共振或變形發(fā)散，使結(jié)構(gòu)破壞。1940年美國(guó)塔科馬懸索橋在自然風(fēng)作用下發(fā)生強(qiáng)烈振動(dòng)而斷裂就是一例。為此，在建筑設(shè)計(jì)中必須考慮結(jié)構(gòu)的固有頻率，還要進(jìn)行風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)。常采取的

54、措施有減小跨度，增加剛度，改善外形等，或設(shè)置動(dòng)力阻尼器。內(nèi)流空氣動(dòng)力學(xué)。主要研究各種管道（如噴管、擴(kuò)壓管等）內(nèi)部空氣或其他氣體的流動(dòng)規(guī)律及其與邊界的相互作用；有時(shí)還包括管道內(nèi)葉輪機(jī)（如壓氣機(jī)、渦輪等）中的流動(dòng)問(wèn)題。管道中的流動(dòng)一般可按一維流動(dòng)處理?？諝鈩?dòng)力學(xué)空氣動(dòng)力學(xué)40返回工程流體力學(xué)工程流體力學(xué)Engineering Fluid Mechanics中國(guó)學(xué)者吳仲華于20世紀(jì)50年代初創(chuàng)立了葉輪機(jī)械三元流動(dòng)理論。內(nèi)流空氣動(dòng)力學(xué)的研究方法與一般空氣動(dòng)力學(xué)并無(wú)明顯的不同。工業(yè)空氣動(dòng)力學(xué)。主要研究大氣邊界層（受地面摩擦阻力影響的大氣層區(qū)域）內(nèi)風(fēng)與人類活動(dòng)、社會(huì)和自然環(huán)境相互作用的規(guī)律。很多情況下，也

55、稱為風(fēng)工程。主要內(nèi)容包括：大氣邊界層內(nèi)的風(fēng)特性，如速度分布、湍流分布等；風(fēng)對(duì)建筑物或構(gòu)筑物的作用，以及對(duì)果園、樹林等的風(fēng)害及其防治；建筑物或群體所誘致的局部風(fēng)環(huán)境；風(fēng)引起的質(zhì)量遷移，如氣態(tài)污染物的排放、擴(kuò)散和彌散規(guī)律；交通車輛（如汽車、火車）的氣動(dòng)特性及減阻措施等；風(fēng)能利用；風(fēng)對(duì)社會(huì)、經(jīng)濟(jì)的其他影響等。主要通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)和實(shí)驗(yàn)室模擬進(jìn)行研究。為此建造了專用的大氣邊界層風(fēng)洞和密度分層的水槽等設(shè)備。研究方法研究方法主要有理論和實(shí)驗(yàn)兩個(gè)方面。理論研究遵循的一般原理是流動(dòng)的基本定律，如質(zhì)量守恒定律、動(dòng)量守恒定律、能量守恒定律、熱力學(xué)定律以及介質(zhì)的物理屬性和狀態(tài)方程等。但在不同速度范圍、流動(dòng)特征，上述基本

56、定律的表現(xiàn)形式（即控制方程）、空氣動(dòng)力學(xué)空氣動(dòng)力學(xué)41返回工程流體力學(xué)工程流體力學(xué)Engineering Fluid Mechanics求解的理論和方法有很大差異。在低速不可壓縮流范圍，求解的基本理論有理想無(wú)粘流的基本解法、升力線和升力面理論、保角轉(zhuǎn)繪理論、低速邊界層理論等。在亞聲速流動(dòng)范圍，理想無(wú)旋流方程屬非線性橢圓型偏微分方程，主要求解方法有小擾動(dòng)線化理論、亞聲速相似律（如普朗特-格勞厄脫法則、卡門-錢學(xué)森公式等）、速度面法等。在超聲速流動(dòng)范圍，方程屬非線性雙曲型偏微分方程，主要理論處理方法有小擾動(dòng)線化理論、相似律、特征線法等。在跨聲速流動(dòng)范圍，流動(dòng)比較復(fù)雜，方程屬非線性混合型偏微分方程，

57、求解難度很大，主要用數(shù)值求解方法，有時(shí)也可用相似律等。在高超聲速流動(dòng)范圍，流動(dòng)中出現(xiàn)很多物理化學(xué)變化如燒蝕、傳熱傳質(zhì)等，而且必須考慮氣體真實(shí)效應(yīng)和激波- 邊界層干擾（物面附近的激波同邊界層之間的相互影響）。實(shí)驗(yàn)研究是以相似理論為指導(dǎo)，在實(shí)驗(yàn)設(shè)備（主要是風(fēng)洞）中模擬真實(shí)飛行而求解流動(dòng)問(wèn)題。計(jì)算機(jī)的應(yīng)用和發(fā)展，使空氣動(dòng)力學(xué)有了深刻而巨大的進(jìn)展。在理論研究方面，通過(guò)數(shù)值計(jì)算直接求解基本方程，逐漸形成了計(jì)算空氣動(dòng)力學(xué)。在實(shí)驗(yàn)方面，提空氣動(dòng)力學(xué)空氣動(dòng)力學(xué)42返回工程流體力學(xué)工程流體力學(xué)Engineering Fluid Mechanics高了實(shí)驗(yàn)的自動(dòng)化、高效率和高精度水平。理論研究、實(shí)驗(yàn)研究、數(shù)值計(jì)算

58、三方面的緊密結(jié)合，已成為現(xiàn)代空氣動(dòng)力學(xué)的主要特征。空氣動(dòng)力學(xué)作為一門基礎(chǔ)學(xué)科，對(duì)航空航天技術(shù)的發(fā)展起著重要作用，對(duì)一般工業(yè)如建筑、交通、能源、環(huán)境保護(hù)等技術(shù)的發(fā)展也起著日益顯著的作用?？諝鈩?dòng)力學(xué)空氣動(dòng)力學(xué)43返回工程流體力學(xué)工程流體力學(xué)Engineering Fluid Mechanics氣體動(dòng)力學(xué)氣體動(dòng)力學(xué)Gas Dynamics流體力學(xué)的一個(gè)分支，在連續(xù)介質(zhì)假設(shè)下，研究與熱力學(xué)現(xiàn)象有關(guān)的氣體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律及其與相對(duì)運(yùn)動(dòng)物體之間的相互作用。氣體在低速流動(dòng)時(shí)屬不可壓縮流動(dòng)，其熱力狀態(tài)的變化可以不考慮；但在高速流動(dòng)(如馬赫數(shù)大于0.3左右)時(shí)，氣體的壓縮效應(yīng)不能忽略，其熱力狀態(tài)也發(fā)生明顯的變化，氣體

59、運(yùn)動(dòng)既要滿足流體力學(xué)的定律，也要滿足熱力學(xué)的定律。流體力學(xué)和熱力學(xué)的緊密結(jié)合，便形成了氣體動(dòng)力學(xué)。氣體動(dòng)力學(xué)開始于對(duì)彈丸運(yùn)動(dòng)、蒸汽渦輪等的研究，隨著航空和航天工業(yè)的蓬勃發(fā)展，出現(xiàn)了不少新的分支。高溫氣體動(dòng)力學(xué)。研究高溫氣體的流動(dòng)規(guī)律和伴隨的各種物理化學(xué)變化、能量傳遞和轉(zhuǎn)化規(guī)律。例如在噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室、再入大氣層航天器表面的激波層和高超聲速尾跡中，氣體溫度極高，氣體比熱不再是常數(shù)，完全氣體的狀態(tài)方程（pRT，p、T為氣體的壓力、密度、溫度，R為氣體常量）不再適用。此外，氣體分子內(nèi)部各種能級(jí)的激發(fā)（平動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)和振動(dòng)等）處于不平衡狀態(tài)，出現(xiàn)非平衡流動(dòng)。氣體動(dòng)力學(xué)氣體動(dòng)力學(xué)44返回工程流體力學(xué)工程流

60、體力學(xué)Engineering Fluid Mechanics在極高溫度下，氣流中還伴有離解和電離過(guò)程以及物面燒蝕現(xiàn)象。因此，高溫氣體動(dòng)力學(xué)的研究，要把氣體動(dòng)力學(xué)與熱力學(xué)、統(tǒng)計(jì)物理、分子物理、化學(xué)動(dòng)力學(xué)和電磁學(xué)等結(jié)合起來(lái)，并要用到物理、化學(xué)和氣體動(dòng)力學(xué)等實(shí)驗(yàn)技術(shù)，光譜、激光、電子、力學(xué)等測(cè)量方法，激波管、電弧加熱器等試驗(yàn)設(shè)備。高溫氣體動(dòng)力學(xué)的研究對(duì)航空航天工業(yè)、激光器、等離子體技術(shù)等方面的發(fā)展，有重要意義。稀薄氣體動(dòng)力學(xué)。研究克努曾數(shù)Kn并非遠(yuǎn)小于1的稀薄氣體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。對(duì)于在高空大氣層飛行的航天器，Kn不是小量，氣體分子離散結(jié)構(gòu)顯示其影響，經(jīng)典的連續(xù)介質(zhì)模型不再適用。在地面上研究5微米以下氣溶