流體力學(xué)0(1)課件

流體力學(xué)

湯炳書課程要求及考核方式按時上課、不得遲到早退、如發(fā)現(xiàn)無故曠課三次本課程不及格。上課必須認(rèn)真聽講，在書上適當(dāng)記些筆記。平時要獨立完成作業(yè)，按時上交，缺1次扣平時成績5分。期末采取閉卷考試，考勤、平時作業(yè)、筆記占30%，期終考試占70％。

課堂唯一要求：上課時間請暫時離開手機屏幕?。。?！平時成績主要參考依據(jù)！船舶海洋

航空航天

流體力學(xué)在工程技術(shù)與國民經(jīng)濟各生產(chǎn)部門的應(yīng)用舉例大氣環(huán)流

水利樞紐

石油勘探

流體機械

建筑橋梁

仿生推進

環(huán)境保護

交通堵塞

人體生命

材料特性

人體血液循環(huán)系統(tǒng)體育運動

化工過程

第一章緒論一、流體力學(xué)的研究對象二、流體力學(xué)的發(fā)展概況三、流體力學(xué)的方法四、單位制2/7/202312按照國家1997年頒布《授予博士、碩士學(xué)位和培養(yǎng)研究生的的學(xué)科、專業(yè)目錄》，分為哲學(xué)、經(jīng)濟學(xué)、法學(xué)、教育學(xué)、文學(xué)、歷史學(xué)、理學(xué)、工學(xué)、農(nóng)學(xué)、醫(yī)學(xué)、軍事學(xué)、管理學(xué)12大門類，每大門類下設(shè)若干一級學(xué)科，如理學(xué)門類下設(shè)數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)等12個一級學(xué)科。2011年8月下旬，藝術(shù)學(xué)首次從文學(xué)門類中獨立出來，單列為一個學(xué)科門類，考研學(xué)科門類將從原先的12個增加到13個。流體力學(xué)屬工學(xué)之力學(xué)二級學(xué)科所謂獲得一級學(xué)科博士學(xué)位授權(quán)，即是指在這個一級學(xué)科下的所有二級學(xué)科都有博士學(xué)位授予權(quán)，也就意味著，一個學(xué)生只要選擇了這個學(xué)科中的任何一個專業(yè)，進了校門就可以從本科一直念到博士。這能反映出一個大學(xué)或科研院所在這個學(xué)科的實力和水平。但要看這個學(xué)科是否全國領(lǐng)先，就要看它里面的二級學(xué)科有沒有國家重點學(xué)科以及重點學(xué)科的多少。08工學(xué)學(xué)科門類0801力學(xué)一級學(xué)科080103流體力學(xué)二級學(xué)科0802機械工程一級學(xué)科080201機械設(shè)計及其自動化二級學(xué)科16/24力學(xué)連續(xù)介質(zhì)力學(xué)彈塑性力學(xué)流體力學(xué)靜力學(xué)、運動學(xué)和動力學(xué)質(zhì)點力學(xué)剛體力學(xué)理論計算實驗1、研究對象

流體力學(xué)以液體和氣體為研究對象，研究其平衡和運動基本規(guī)律的科學(xué)。流體是液體和氣體的統(tǒng)稱。但對研究對象既不研究其個別分子的運動，也不過問個別原子的運動，只研究其大量分子的集體運動。

一、

流體力學(xué)的研究對象2/7/202317流體力學(xué)主要研究內(nèi)容：根據(jù)理論力學(xué)的普遍原理，借助大量的實際資料，運用數(shù)學(xué)和實驗方法來研究流體平衡和運動時的壓力分布、速度分布、與固體之間的相互作用以及流動過程中的能量損失等。2/7/2023182、研究內(nèi)容2/7/202319流、固體相互作用流動規(guī)律平衡規(guī)律絕對靜止相對靜止壓力分布壓力計算管流繞流射流速度分布壓力分布能量損失力與流動的關(guān)系流體動力學(xué)流體運動學(xué)流體靜力學(xué)2/7/202320掌握——基本概念、基本原理基本計算方法——公式推導(dǎo)的前提條件、適用范圍各種系數(shù)的確定方法結(jié)合實際靈活運用——測壓、測速、測流量的儀器原理使用方法3、重點內(nèi)容明確熟悉4、流體力學(xué)的分類

理論（古典）流體力學(xué)——偏重于數(shù)理分析按研究方法分實驗流體力學(xué)——工程力學(xué)水力學(xué)側(cè)重工程應(yīng)用液體力學(xué)—注重于流體空間密度保持不變的特點按研究對象分氣體力學(xué)—運動速度小于聲速的氣體流體靜力學(xué)——靜止流體內(nèi)壓力分布規(guī)律及對接按研究觸固面的受力問題內(nèi)容分流體動力學(xué)——研究流體運動參數(shù)變化規(guī)律及其對固面的作用力問題2/7/202321與流體力學(xué)相關(guān)的科學(xué)家阿基米德：流體靜力學(xué)帕斯卡：平衡流體中的壓力傳遞牛頓：流體黏性、流體內(nèi)摩擦定律歐拉：連續(xù)介質(zhì)、理想流體平衡微分方程、理想流體運動微分方程伯努利：流體動力學(xué)基本公式納維爾-斯托克斯：N-S方程（黏性流體運動微分方程）雷諾：層流、紊流儒可夫斯基：機翼理論——升力公式普朗特：邊界層理論卡門：卡門渦街二、流體力學(xué)的發(fā)展概況I、早期發(fā)展階段——公元前至17世紀(jì)中葉

在治理江河、農(nóng)田灌溉、供水及航海等實踐活動中積累了大量的流體基本知識。突出成就：公元前250年——阿基米德——《論浮體》流體力學(xué)第一部著作第二章流體靜力學(xué)古希臘數(shù)學(xué)家、力學(xué)家，靜力學(xué)和流體靜力學(xué)的奠基人2/7/202323II、中期發(fā)展階段——17世紀(jì)中葉至20世紀(jì)初葉流體力學(xué)的初步形成和發(fā)展的時期，逐步建立和發(fā)展了解決流體力學(xué)問題的理論與實驗方法。代表人物：

1687——牛頓——

流體黏性第一章黏性《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》牛頓內(nèi)摩擦定律英國偉大的數(shù)學(xué)家、物理學(xué)家、天文學(xué)家和自然哲學(xué)家。2/7/202324流體力學(xué)的初步形成和發(fā)展的時期，逐步建立和發(fā)展了解決流體力學(xué)問題的理論與實驗方法。代表人物：

1738——伯努利

伯努利方程第三章流體動力學(xué)基礎(chǔ)流體動力學(xué)基本公式瑞士科學(xué)家，曾在俄國彼得堡科學(xué)院任教，他在流體力學(xué)、氣體動力學(xué)、微分方程和概率論等方面都有重大貢獻(xiàn)，是理論流體力學(xué)的創(chuàng)始人。2/7/202325流體力學(xué)的初步形成和發(fā)展的時期，逐步建立和發(fā)展了解決流體力學(xué)問題的理論與實驗方法。代表人物：

1755——歐拉理想流體平衡微分方程第二章流體靜力學(xué)理想流體運動微分方程第三章流體動力學(xué)基礎(chǔ)瑞士數(shù)學(xué)家、力學(xué)家、天文學(xué)家、物理學(xué)家，變分法的奠基人，復(fù)變函數(shù)論的先驅(qū)者，理論流體力學(xué)的創(chuàng)始人。2/7/202326流體力學(xué)的初步形成和發(fā)展的時期，逐步建立和發(fā)展了解決流體力學(xué)問題的理論與實驗方法。代表人物：納維爾斯托克斯

N－S方程第三章流體動力學(xué)基礎(chǔ)黏性流體運動微分方程2/7/202327流體力學(xué)的初步形成和發(fā)展的時期，逐步建立和發(fā)展了解決流體力學(xué)問題的理論與實驗方法。代表人物：

1883——雷諾層流、紊流第六章黏性流體的一維定常流動雷諾應(yīng)力英國力學(xué)家、物理學(xué)家和工程師。杰出的實驗科學(xué)家。

2/7/202328流體力學(xué)的初步形成和發(fā)展的時期，逐步建立和發(fā)展了解決流體力學(xué)問題的理論與實驗方法。代表人物：

儒可夫斯基機翼理論——升力公式第四章不可壓縮流體有旋流動和二維無旋流動機翼設(shè)計2/7/202329流體力學(xué)的初步形成和發(fā)展的時期，逐步建立和發(fā)展了解決流體力學(xué)問題的理論與實驗方法。代表人物：

1912——卡門卡門渦街美國著名空氣動力學(xué)家解釋機翼張線的"線鳴"、水下螺旋槳的"嗡鳴"2/7/202330流體力學(xué)的初步形成和發(fā)展的時期，逐步建立和發(fā)展了解決流體力學(xué)問題的理論與實驗方法。代表人物：

1904——普朗特邊界層理論第五章不可壓縮流體二維邊界層概述德國力學(xué)家?，F(xiàn)代流體力學(xué)的創(chuàng)始人之一。邊界層理論、風(fēng)洞實驗技術(shù)、機翼理論、紊流理論等方面都作出了重要的貢獻(xiàn)，被稱作空氣動力學(xué)之父。2/7/202331III、后期發(fā)展階段——20世紀(jì)初葉至20世紀(jì)中葉

流體力學(xué)迅猛發(fā)展階段，以航空航天領(lǐng)域為重，流體力學(xué)的理論與實驗研究在各個領(lǐng)域都取得了極大的發(fā)展。形成了兩門重要的學(xué)科：空氣動力學(xué)和計算流體力學(xué)。2/7/202332IV、近期發(fā)展?fàn)顩r——20世紀(jì)中葉以后

20世紀(jì)50年代以后，流體力學(xué)已經(jīng)建立了一個相對比較完整的科學(xué)研究體系，一些基本問題都得到了很好的解決。但是一些較難、較復(fù)雜的問題還不能利用現(xiàn)有的知識進行解釋，如湍流、旋渦動力學(xué)、非定常流等。這些問題成為目前流體力學(xué)的主要研究方向。另外各種交叉學(xué)科的出現(xiàn)也極大地拓展了流體力學(xué)的研究領(lǐng)域。2/7/2023332/7/202334大禹治水4000多年前的大禹治水，說明我國古代已有大規(guī)模的治河工程。

(公元前256~210年)秦代，在公元前256-前210年間便修建了都江堰、鄭國渠、靈渠三大水利工程，說明當(dāng)時對明槽水流和堰流流動規(guī)律的認(rèn)識已經(jīng)達(dá)到相當(dāng)水平。龍首渠（公元前156-前87）西漢武帝時期，為引洛水灌溉農(nóng)田，在黃土高原上修建了龍首渠，創(chuàng)造性地采用了井渠法，即用豎井溝通長十余里的穿山隧洞，有效地防止了黃土的塌方。流體力學(xué)在中國2/7/202335水利風(fēng)力機械在古代，以水為動力的簡單機械也有了長足的發(fā)展，例如用水輪提水，或通過簡單的機械傳動去碾米、磨面等。東漢杜詩任南陽太守時（公元37年）曾創(chuàng)造水排（水力鼓風(fēng)機），利用水力，通過傳動機械，使皮制鼓風(fēng)囊連續(xù)開合，將空氣送入冶金爐，較西歐約早了一千一百年。流體力學(xué)在中國2/7/202336真州船閘北宋（960-1126）時期，在運河上修建的真州船閘與十四世紀(jì)末荷蘭的同類船閘相比，約早三百多年。潘季順

明朝的水利家潘季順（1521-1595）提出了“筑堤防溢，建壩減水，以堤束水，以水攻沙”和“借清刷黃”的治黃原則，并著有《兩河管見》、《兩河經(jīng)略》和《河防一攬》。流量

清朝雍正年間，何夢瑤在《算迪》一書中提出流量等于過水?dāng)嗝婷娣e乘以斷面平均流速的計算方法。

流體力學(xué)在中國2/7/202337李冰（公元前302-235）都江堰流體力學(xué)在中國2/7/202338錢學(xué)森

錢學(xué)森（1911－2009）浙江省杭州市人，他在火箭、導(dǎo)彈、航天器的總體、動力、制導(dǎo)、氣動力、結(jié)構(gòu)、材料、計算機、質(zhì)量控制和科技管理等領(lǐng)域的豐富知識，為中國火箭導(dǎo)彈和航天事業(yè)的創(chuàng)建與發(fā)展作出了杰出的貢獻(xiàn)。1957年獲中國科學(xué)院自然科學(xué)一等獎，1979年獲美國加州理工學(xué)院杰出校友獎，1985年獲國家科技進步獎特等獎。1989年獲小羅克維爾獎?wù)潞褪澜缂壙茖W(xué)與工程名人稱號，1991年被國務(wù)院、中央軍委授予“國家杰出貢獻(xiàn)科學(xué)家”榮譽稱號和一級英模獎?wù)隆Ａ黧w力學(xué)在中國2/7/202339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。吳仲華（WuZhonghua）在1952年發(fā)表的《在軸流式、徑流式和混流式亞聲速和超聲速葉輪機械中的三元流普遍理論》和在1975年發(fā)表的《使用非正交曲線坐標(biāo)的葉輪機械三元流動的基本方程及其解法》兩篇論文中所建立的葉輪機械三元流理論，至今仍是國內(nèi)外許多優(yōu)良葉輪機械設(shè)計計算的主要依據(jù)。流體力學(xué)在中國三、流體力學(xué)的研究方法目前，解決流體力學(xué)問題主要有一）實驗方法(1)對所給定的問題，選擇適當(dāng)?shù)臒o量綱相似參數(shù)，并確定其大小范圍；(2)根據(jù)(1)準(zhǔn)備試驗條件，其中包括模型的設(shè)計制造與設(shè)備儀器的選擇使用等；(3)制訂試驗方案并進行試驗；(4)整理和分析實驗結(jié)果，并與其他方法或其他著者所得的結(jié)果進行比較等。優(yōu)點：能直接解決生產(chǎn)中的復(fù)雜問題，能發(fā)現(xiàn)流動中的新現(xiàn)象和新原理，它的結(jié)果可以作為檢驗其他方法是否正確的依據(jù)．缺點：對不同情況．需作不同的實驗，即所得結(jié)果的普適性較差．2/7/202340二）理論分析方法(1)建立簡化的數(shù)學(xué)模型，即根據(jù)所給問題的特點，作出一定的假定，并用以簡化一般的流體運動方程組和初始條件與邊界條件；(2)用分析方法求此簡化后的初值問題或邊值問題的分析解；(3)選取適當(dāng)?shù)乃憷?，利用分析解進行具體的數(shù)值計算；(4)將所得算例結(jié)果與用其他方法所得的相應(yīng)結(jié)果進行比較，以檢驗簡化模型的合理性．優(yōu)點：分析能明確地給出了各種物理與流動參量之間的變化關(guān)系，有較好的普適性。缺點：數(shù)學(xué)上的困難很大，能獲得的分析解的數(shù)量有限。2/7/202341三）數(shù)值方法(1)對一般的流體運動方程，初始或邊界條件，進行必要的簡化或改寫；(2)選用適當(dāng)?shù)臄?shù)值方法，對簡化或改寫的初值問題或邊值問題進行離散化；(3)編制程序，選取算例，進行具體計算，并將所得結(jié)果繪制成圖表；(4)將算例結(jié)果與實驗或其他計算方法結(jié)果，進行比較。優(yōu)點：許多用分析法無法求解的問題，用此法可以求得它們的數(shù)值解．如果計算機的速度與容量繼續(xù)提高，計算方法不斷改進，它所起的作用，將愈來愈大，但其是一種近似方法，其結(jié)果仍應(yīng)與實驗或其它精確結(jié)果進行比較。缺點：對復(fù)雜而又缺乏完善數(shù)學(xué)模型的問題，仍無能為力。2/7/2023422/7/202343穿過厚紙片的子彈的激波飛機激波航天飛機周圍的激波2/7/202344渦街液滴落在液面時的瞬間2/7/202345協(xié)和式飛機著陸時的流場有攻角的錐頭背風(fēng)面的渦2/7/202346噴氣式飛機外流場機艙內(nèi)空調(diào)氣體流動模擬效果圖2/7/202347寶馬轎車的外流場顯示圖車廂內(nèi)的空氣流場2/7/202348海上石油平臺的空氣外流場四、單位制SI國際單位制長度（米）m；質(zhì)量（千克）kg；時間（秒）s；