工程流體力學(xué)緒論-

工程流體力學(xué)1.1流體力學(xué)的研究內(nèi)容和方法1.2流體力學(xué)發(fā)展簡史1.3流體的連續(xù)介質(zhì)模型1.4量綱和單位工程實(shí)例緒論第1章

緒論教學(xué)提示：流體力學(xué)與固體力學(xué)相比，所研究對象的特性差異很大，在研究方法上也有較大的差異。本章的重點(diǎn)是流體質(zhì)點(diǎn)和連續(xù)介質(zhì)模型的基本概念。教學(xué)要求：掌握流體質(zhì)點(diǎn)和連續(xù)介質(zhì)模型的概念。1.1流體力學(xué)的研究內(nèi)容和方法流體力學(xué)是以流體為研究對象的力學(xué)，是研究流體平衡和運(yùn)動(dòng)規(guī)律的一門科學(xué)，是力學(xué)的一個(gè)重要分支。流體包括液體和氣體。流體力學(xué)的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，它是用來解釋大氣流動(dòng)、河水流動(dòng)、龍卷風(fēng)等自然現(xiàn)象的科學(xué)，也是用來解決眾多工程問題的科學(xué)。許多有趣的問題可以用比較簡單的流體力學(xué)原理來闡釋，比如：（1） 為什么將飛機(jī)的外表面做成光滑的流線形，而將高爾夫球的外表面做成粗糙的表面？（2） 汽車阻力來自前部還是尾部？（3） 在沒有空氣來產(chǎn)生反推力的外層空間，火箭是怎樣產(chǎn)生推力的？（4） 如何根據(jù)從模型風(fēng)機(jī)上獲得的數(shù)據(jù)信息來制造實(shí)際飛機(jī)？1.2流體力學(xué)發(fā)展簡史人類為了生存，因遠(yuǎn)古以來一直持續(xù)不斷地與自然界進(jìn)行著不懈的斗爭。流體力學(xué)同其它自然科學(xué)一樣，是在長期的生產(chǎn)實(shí)踐和科學(xué)研究中逐漸被人們認(rèn)識(shí)和總結(jié)，發(fā)展成為自然科學(xué)的一個(gè)重要的分支。正如典地利物理學(xué)家漢斯·蒂林格在《從牛頓到薛定諤的理論物理學(xué)之路》一書中寫道：“每一門科學(xué)都是用世世代代研究者無數(shù)努力的代價(jià)建立起來的大廈?！惫沤裰型庠S許多多從事流體力學(xué)問題的研究者，如同卓越的建筑師，用自己的聰明才智和辛勤勞動(dòng)的汗水筑成了完整的流體力學(xué)“大廈”。人們最早有關(guān)流體知識(shí)的認(rèn)識(shí)是從治水、灌溉、航行等方面開始的。1.流體力學(xué)在中國

我國人民對流動(dòng)的認(rèn)識(shí)可以追溯到4000多年前的大禹治水。大禹治水的記載說明我國古代已有大規(guī)模的治河工程。在秦代，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，說明我們的祖先當(dāng)時(shí)對明槽水流和堰流流動(dòng)規(guī)律的認(rèn)識(shí)已經(jīng)達(dá)到相當(dāng)?shù)乃?。西漢武帝時(shí)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。北宋（960-1126）時(shí)期，在運(yùn)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。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》。2.流體力學(xué)的西方發(fā)展史在西方最早從事流體力學(xué)現(xiàn)象研究的學(xué)者是希臘哲學(xué)家阿基米德(Archimedes公元前287—公元前212)。他在公元前250年寫成的《論浮體》一書中提出了流體靜力學(xué)的基本定律，這是人類歷史上最早的水力學(xué)著作。正是從這時(shí)起，流體流動(dòng)才開始發(fā)展成為一門獨(dú)立的學(xué)科。

在以后的一段較長的歷史時(shí)期中，沒有記載關(guān)于流體力學(xué)發(fā)展的有關(guān)資料。

直到15世紀(jì)末，著名的物理學(xué)家和藝術(shù)家列奧納德·達(dá)·芬奇(LeonardoDaVinci，l452—1519)在米蘭附近設(shè)計(jì)和建造了世界上第一個(gè)小型水渠。同時(shí)，他還比較系統(tǒng)地研究了沉浮問題、孔口出流、物體運(yùn)動(dòng)阻力、流體在管路和水渠中流動(dòng)等問題，1.3流體的連續(xù)介質(zhì)模型流體是指易于流動(dòng)購物體、就其力學(xué)行為來講，流體可以承受很大的壓力，但往獨(dú)幾乎不能承受拉力。對于流體而言，在極小的剪力作用下都將產(chǎn)生無休止的變形，即流動(dòng)，直到剪力停止為止。而固體則既能承受壓力又能承受拉力和剪力。固體在外力作用下會(huì)產(chǎn)生變形，但在一定范圍內(nèi)，變形將隨外力的消失而消失。由此可以看出，固體有一定的形狀，而流體卻沒有，它取決于盛裝流體容器的形狀。

流體分為液體和氣體。液體和氣體的主要區(qū)別之一就是流動(dòng)性的大小。由于氣體遠(yuǎn)比液體具有更大的流動(dòng)性，故它總是充滿所存在的空間，而液體與氣體接觸時(shí)存在自由表面，只占據(jù)容器體積的一部分。1.4量綱和單位在流體力學(xué)中，我們需要描述和研究大量的流體或流動(dòng)的特性，比如流體的密度、粘性，流動(dòng)的速度、加速度等等，因此我們必須規(guī)定定性和定量描述流體或流動(dòng)特性的量綱系統(tǒng)和單位制。量綱(dimensions)是流體或流動(dòng)特性的定性表示，比如長度、質(zhì)量、時(shí)間、速度等等，單位(units)則是某類特性的定量表示，即某類特性的大小，比如長度的大小、時(shí)間的長短、速度的快慢等等。量綱也稱為因次，分為基本量綱(basic

dimensions)和導(dǎo)出量綱(derived

dimensions)。量綱用大寫的英文字母表示。在流體力學(xué)中，常用的基本量綱有長度、時(shí)間和質(zhì)量，分別用L、T和M來表示。導(dǎo)出量綱是由基本量綱導(dǎo)出的量綱，比如速度，用LT-1表示；力，用MLT-2表示；壓強(qiáng)，用ML-1T-2表示；密度，用ML-3表示，等等。在國際單位制中，規(guī)定了7個(gè)基本單位(basic

units)，分別是長度、質(zhì)量、時(shí)間、電流、物質(zhì)的量、熱力學(xué)溫度和光強(qiáng)，它們的單位名稱和符號(hào)見表1-1。其它物理量的單位可以通過基本單位推導(dǎo)得出，稱為導(dǎo)出單位(derivedunits)。流體力學(xué)中常用的基本單位和導(dǎo)出單位見表1-2。每一種量綱對應(yīng)著不同的單位，比如長度、速度、力等