工程流體力學(xué)緒論

工程流體力學(xué)EngineeringFluidMechanics緒論一、工程流體力學(xué)的研究對象流體力學(xué)與其他力學(xué)課程的研究對象、內(nèi)容、范圍比較分類課程研究對象研究內(nèi)容和范圍一般力學(xué)理論力學(xué)剛體剛體的靜、動力學(xué)固體力學(xué)材料力學(xué)彈性桿件桿件在拉、壓、剪、彎、扭狀態(tài)下的應(yīng)力、位移分析彈性力學(xué)彈性體復(fù)雜構(gòu)件結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、位移分析塑性力學(xué)塑性體結(jié)構(gòu)的塑性分析工程力學(xué)結(jié)構(gòu)力學(xué)桿系結(jié)構(gòu)桿系結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和位移流體力學(xué)流體力學(xué)流體流體的位移、速度、應(yīng)力等緒論一、工程流體力學(xué)的研究對象流體力學(xué)是研究流體的平衡和運(yùn)動的規(guī)律、流體與固體相互作用的力學(xué)規(guī)律、以及這些規(guī)律在實(shí)際工程中的應(yīng)用的一門科學(xué)。第一章流體及其物理性質(zhì)流體平衡和運(yùn)動的內(nèi)因第二章流體靜力學(xué)流體平衡規(guī)律第三章流體運(yùn)動學(xué)與動力學(xué)第四章流動阻力和水頭損失流體運(yùn)動規(guī)律及流固作用第五章壓力管路的水頭計(jì)算工程應(yīng)用-壓力管路水力計(jì)算

課程結(jié)構(gòu)（石油資源系）緒論流體的基本分類：按流體的壓縮性可分為：可壓縮流體和不可壓縮流體按流體的變形特點(diǎn)可分為：牛頓流體和非牛頓流體從學(xué)科上看，屬于這一范疇的有理論流體力學(xué)、水力學(xué)、工程流體力學(xué)。理論流體力學(xué)水力學(xué)工程流體力學(xué)側(cè)重于用數(shù)學(xué)分析方法進(jìn)行理論探討側(cè)重于用物理分析和實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行實(shí)用計(jì)算從實(shí)用角度，對工程中涉及的問題建立相應(yīng)的理論基礎(chǔ)，并進(jìn)行計(jì)算緒論二、流體力學(xué)的發(fā)展簡況第一階段：經(jīng)驗(yàn)階段

17世紀(jì)前，主要是人們在與大自然斗爭中的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)。例如，四川都江堰工程，隋代大運(yùn)河，漢代張衡發(fā)明的水力渾天儀，古代銅壺滴漏計(jì)時(shí)等。都江堰工程建于公元前256年，是戰(zhàn)國時(shí)期秦國蜀郡太守李冰及其子率眾修建的一座大型水利工程。都江堰不僅是中國古代水利工程技術(shù)的偉大奇跡，也是世界水利工程的璀璨明珠。最偉大之處是建堰2260多年來經(jīng)久不衰，而且發(fā)揮著愈來愈大的效益。工程主要有魚嘴分水堤、飛沙堰溢洪道、寶瓶口進(jìn)水口三大部分，科學(xué)地解決了江水自動分流、自動排沙、控制進(jìn)水流量等問題，消除了水患，使川西平原成為“水旱從人”的“天府之國”。緒論第二階段：理論階段

17世紀(jì)～19世紀(jì)一些水力原理論著出現(xiàn)，標(biāo)志著流 體力學(xué)的發(fā)展進(jìn)入了理論階段。

1643年：托里拆利提出孔口泄流定理。1650年：巴斯加提出壓強(qiáng)傳遞定律。（§2）

1686年：牛頓（Newton）提出液流內(nèi)摩擦定理。 （§1）1700年~1783年：伯努利（DanielBernoulli）提 出無粘流動流速和壓強(qiáng)的關(guān)系式，即Bernoulli

能量方程。（§3）緒論

1717年~1783年：達(dá)朗貝爾（d’Alembert）提出流體 連續(xù)性方程。在《動力學(xué)》一書中提出了達(dá)朗貝爾 原理，把動力學(xué)問題轉(zhuǎn)化為靜力學(xué)問題處理。 （§2）1707年~1783年：歐拉（Euler）建立了理想不可 壓縮流體運(yùn)動的微分方程（歐拉方程）。（§3）

1785年~1863年：納維爾（Navier）將歐拉流體運(yùn)動 方程加以推廣，加入粘性項(xiàng)，導(dǎo)出了粘性流體運(yùn)動 方程。（§4）1819年~1903年：斯托克斯（Stokes）從不同的出 發(fā)點(diǎn)也導(dǎo)出了粘性流體運(yùn)動方程。（§4）緒論1820年~1872年：蘭金（Rankine）發(fā)展了源匯理論。1821年~1894年：亥姆霍茲（Helmholtz）提出速度勢，建立了旋渦運(yùn)動和間斷運(yùn)動理論。 1824年~1887年：客希霍夫繼續(xù)研究間斷運(yùn)動及阻力。1842年~1912年：雷諾（O.Reynolds）通過小直 徑圓管中的粘性流體流動試驗(yàn)提出層、紊流流 態(tài)理論。（§4）1847年~1921年：茹可夫斯基（Joukowski）是實(shí)驗(yàn)和理論空氣動力學(xué)的創(chuàng)始人，提出了著名的環(huán)量升力定理。1868年~1945年：蘭徹斯特（Lanchester）研究了升力原因的環(huán)量概念。緒論1875年~1953年：普朗特（Prandtl）在1904年提出 邊界層理論，從而使粘性流體和無粘性流體的概念 協(xié)調(diào)起來。

1881年~1963年：馮·卡門（VonKarman），超聲 速時(shí)代之父，師從普朗特教授。提出卡門渦街理 論、邊界層控制理論以及超聲速相似律等。是我國 著名學(xué)者錢學(xué)森教授的導(dǎo)師。第三階段

20世紀(jì)初至中葉，流體力學(xué)理論、實(shí)驗(yàn)全面展開，航空航天迅速發(fā)展，湍流理論、穩(wěn)定性理論逐漸完善。緒論周培源（1902~1993)：1902年8月28日出生， 江蘇宜興人。理論學(xué)家、流體力學(xué)家主要從事 物理學(xué)的基礎(chǔ)理論中難度最大的兩個(gè)方面即愛因 斯坦廣義相對論引力論和流體力學(xué)中的湍流理論 的研究與教學(xué)并取得出色成果。第四階段 多學(xué)科互相滲透：工業(yè)流體力學(xué)、實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)、地球流體力學(xué)、非牛頓流體力學(xué)、生物流體力學(xué)、多相流體力學(xué)、物理—化學(xué)流體力學(xué)、滲流力學(xué)等，都已形成相對獨(dú)立的學(xué)科。緒論三、流體力學(xué)在石油工業(yè)中的地位和作用鉆井工程：洗井液、鉆頭水力學(xué)、泵、射流及噴射鉆井、鉆井浮船及平臺設(shè)計(jì)等緒論采油工程：油氣滲透、抽油機(jī)、注水驅(qū)油、振蕩解堵、原油集輸，油-水-氣分離、清洗炮眼等緒論儲運(yùn)工程：管道及泵功率的設(shè)計(jì)、船舶運(yùn)輸?shù)染w論煉油工程：設(shè)備流程設(shè)計(jì)、設(shè)備清洗緒論三流體力學(xué)在其他領(lǐng)域中的應(yīng)用醫(yī)療（高壓水射流手術(shù)刀、人工心臟）、食品加工、飛機(jī)制造、跑道清洗、除塵、水利工程等緒論ms思考：高爾夫球表面光滑還是粗糙？起初，人們認(rèn)為表面光滑的球飛行阻力小。后來發(fā)現(xiàn)表面有很多劃痕的舊球反而飛得更遠(yuǎn)。這個(gè)謎直到20世紀(jì)建立流體力學(xué)邊界層理論后才解開。緒論ms思考：高爾夫球表面光滑還是粗糙？球在運(yùn)動過程中，將有氣流邊界層形成并自分離點(diǎn)發(fā)生分離。經(jīng)分析得出：表面有凹坑的小球的分離點(diǎn)滯后，這在很大程度上減小了小球阻力?，F(xiàn)在的高爾夫球表面有許多窩，在同樣大小和重量下，飛行距離為光滑球的5倍。緒論鐵甲巡洋艦"豪克"號“奧林匹克”號1912年秋

思考：船舶航行中的船吸現(xiàn)象的原理是什么？緒論游泳阻力包括：壓差阻力——人體迎流、背流面的高、低壓壓差形成摩擦阻力——水流與人體摩擦形成波浪阻力——游泳運(yùn)動中產(chǎn)生的波浪形成ms思考：游泳阻力的組成？如何提高游泳成績？背流面-低壓區(qū)迎流面-高壓區(qū)緒論壓差阻力：是游泳運(yùn)動中最主要的阻力因素，其值與速度的平方成正比。這也決定了游泳阻力一般與速度平方成正比。負(fù)壓區(qū)的生成，究其根本原因，是由于流體力學(xué)邊界層分離所致。邊界層分離使得負(fù)壓區(qū)形成大量旋渦，而旋渦將消耗大量的能量?？朔翰钭枇Γ枰谟斡具^程中盡量使身體與水面保持水平。ms思考：游泳阻力的組成？如何提高游泳成績？緒論摩擦阻力：泳衣從其設(shè)計(jì)材料而言，從棉紡織品、絲綢織品、尼龍、聚酯纖維到新一代的鯊魚皮泳衣；從其設(shè)計(jì)式樣看，從裙形、短褲到長褲、以至于“全包”型，一直在追求達(dá)到減小摩擦阻力的目的。實(shí)驗(yàn)證明：“全包”型泳衣貼水性更好，可以更多的減小摩擦阻力。新一代的鯊魚皮泳衣：是仿造鯊魚皮而制，不僅全身包裹，而且材料考究，在放大鏡下，泳衣表面布滿“小鰭齒”。其設(shè)計(jì)不僅可以使低壓區(qū)邊界層的分離滯后，減少壓差阻力，而且在最大程度上減少了摩擦阻力。ms思考：游泳阻力的組成？如何提高游泳成績？緒論波浪阻力：游泳賽道的賽道線不僅是為了分割賽道，其另一主要功用是減少其他游泳運(yùn)動員在游泳時(shí)形成波浪給自己造成波浪阻力的影響。其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也遵循一定的流體力學(xué)原理。ms思考：游泳阻力的組成？如何提高游泳成績？然而，游泳離開水流阻力是根本行不通的。因此，運(yùn)動員要想在游泳中獲得好成績，在做利于前游的動作時(shí)應(yīng)充分利用阻力，而在做不利于前游的動作時(shí)應(yīng)盡量減少阻力。緒論四、流體力學(xué)的研究方法流體力學(xué)不僅有深厚的理論基礎(chǔ)，而且實(shí)踐性很強(qiáng)。研究流體力學(xué)的方法主要包括：學(xué)習(xí)流體力學(xué)應(yīng)注意理論與實(shí)踐結(jié)合、理論分析、實(shí)驗(yàn)測量與數(shù)值計(jì)算并重。理論分析方法

1實(shí)驗(yàn)分析方法

2數(shù)值分析方法

3緒論理論分析目前流體力學(xué)理論研究主攻方向是：湍流，流動穩(wěn)定