1、 第三版第三版 孔瓏孔瓏工程流體力學(xué)教材：教材： 孔孔 瓏瓏工程流體力學(xué)工程流體力學(xué)中國電力出版社中國電力出版社 參考書：參考書： 陳卓如陳卓如工程流體力學(xué)工程流體力學(xué)第二版第二版 高等教育出版社高等教育出版社 丁祖榮丁祖榮流體力學(xué)流體力學(xué)上冊高等教育出版社上冊高等教育出版社2003.122003.12 丁祖榮丁祖榮流體力學(xué)流體力學(xué)上冊高等教育出版社上冊高等教育出版社2003.122003.12學(xué)時(shí)數(shù)：學(xué)時(shí)數(shù)： 64645858（理論課）（理論課）6 6（實(shí)驗(yàn)課）（實(shí)驗(yàn)課）課程性質(zhì)：課程性質(zhì)：技術(shù)基礎(chǔ)課技術(shù)基礎(chǔ)課第一章 緒 論流流 體體 力力 學(xué)學(xué) 初初 識識 流體力學(xué)的研究內(nèi)容流體力學(xué)的研究

2、內(nèi)容流體力學(xué)的研究方法流體力學(xué)的研究方法主主要要內(nèi)內(nèi)容容第一章 緒 論流流體體力力學(xué)學(xué)初初識識流體力學(xué)發(fā)展簡史流體力學(xué)發(fā)展簡史流體力學(xué)與工程技術(shù)流體力學(xué)與工程技術(shù)流體力學(xué)與物體的運(yùn)動(dòng)流體力學(xué)與物體的運(yùn)動(dòng)雖然生活在流體環(huán)境中，人們對一些雖然生活在流體環(huán)境中，人們對一些流體運(yùn)動(dòng)卻缺乏認(rèn)識，比如：流體運(yùn)動(dòng)卻缺乏認(rèn)識，比如：1. 高爾夫球高爾夫球 ：表面光滑還是粗糙？表面光滑還是粗糙？2. 汽車阻力：汽車阻力： 來自前部還是后部？來自前部還是后部？3. 機(jī)翼升力機(jī)翼升力 ：來自下部還是上部？來自下部還是上部？高爾夫球運(yùn)動(dòng)起源于15世紀(jì)的蘇格蘭。最早的高爾夫球（皮革已龜裂）最早的高爾夫球（皮革已龜裂）起

3、初，人們認(rèn)為表面光滑的球飛行阻力小，因此當(dāng)時(shí)起初，人們認(rèn)為表面光滑的球飛行阻力小，因此當(dāng)時(shí)用皮革制球。用皮革制球。后來發(fā)現(xiàn)表面有很多劃痕的舊球反而飛得更遠(yuǎn)。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世紀(jì)建立流體力學(xué)邊界層理論后才解開。光滑的球和非光滑球?qū)Ρ裙饣那蚝头枪饣驅(qū)Ρ痊F(xiàn)在的高爾夫球表面有許多窩，在同樣大小和重量下現(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，飛行距離為光滑球的5倍。倍。汽車阻力汽車阻力 汽車發(fā)明于汽車發(fā)明于19世紀(jì)末。世紀(jì)末。當(dāng)時(shí)人們認(rèn)為汽車高速前進(jìn)時(shí)的阻力主要來自車前部當(dāng)時(shí)人們認(rèn)為汽車高

4、速前進(jìn)時(shí)的阻力主要來自車前部對空氣的撞擊。對空氣的撞擊。 因此早期的汽車后部是陡峭的，稱為箱型車，阻力系因此早期的汽車后部是陡峭的，稱為箱型車，阻力系數(shù)數(shù)CD很大，約很大，約0.8實(shí)際上，汽車阻力主要取決于后部形成的尾流。實(shí)際上，汽車阻力主要取決于后部形成的尾流。20世紀(jì)世紀(jì)30年代起，人們開始運(yùn)用流體力學(xué)原理，改年代起，人們開始運(yùn)用流體力學(xué)原理，改進(jìn)了汽車的尾部形狀，出現(xiàn)了甲殼蟲型，阻力系數(shù)進(jìn)了汽車的尾部形狀，出現(xiàn)了甲殼蟲型，阻力系數(shù)下降至下降至0.6。 5060年代又改進(jìn)為船型，阻力系數(shù)為0.45。80年代經(jīng)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)研究后，進(jìn)一步改進(jìn)為魚型，阻力系數(shù)為0.3。后來又出現(xiàn)楔型，阻力系數(shù)為

5、后來又出現(xiàn)楔型，阻力系數(shù)為0.2。 90年代以后，科研人員研制開發(fā)了氣動(dòng)性能更優(yōu)年代以后，科研人員研制開發(fā)了氣動(dòng)性能更優(yōu)良的未來型汽車，阻力系數(shù)僅為良的未來型汽車，阻力系數(shù)僅為0.137。90年代以后，科研人員研制開發(fā)了氣動(dòng)性能更優(yōu)良年代以后，科研人員研制開發(fā)了氣動(dòng)性能更優(yōu)良的未來型汽車，阻力系數(shù)僅為的未來型汽車，阻力系數(shù)僅為0.137。 目前在汽車外形設(shè)計(jì)中，流體力學(xué)性能研究已目前在汽車外形設(shè)計(jì)中，流體力學(xué)性能研究已占主導(dǎo)地位，合理的外形使汽車具有更好的動(dòng)占主導(dǎo)地位，合理的外形使汽車具有更好的動(dòng)力學(xué)性能和更低的耗油率。力學(xué)性能和更低的耗油率。 機(jī)翼升力機(jī)翼升力 人們的直觀印象是空氣從下面沖擊

6、著人們的直觀印象是空氣從下面沖擊著鳥的翅膀，把鳥托在空中。鳥的翅膀，把鳥托在空中。 19世紀(jì)初流體力學(xué)環(huán)流理論徹底改變了人們的傳世紀(jì)初流體力學(xué)環(huán)流理論徹底改變了人們的傳統(tǒng)觀念。統(tǒng)觀念。 脫體渦量與機(jī)翼環(huán)量大小相等方向相反脫體渦量與機(jī)翼環(huán)量大小相等方向相反 足球運(yùn)動(dòng)的香蕉球現(xiàn)象可以幫助理解環(huán)流理論：足球運(yùn)動(dòng)的香蕉球現(xiàn)象可以幫助理解環(huán)流理論： 旋轉(zhuǎn)的足球帶動(dòng)空氣形成環(huán)流，一側(cè)氣流加旋轉(zhuǎn)的足球帶動(dòng)空氣形成環(huán)流，一側(cè)氣流加速，另一側(cè)氣流減速，形成壓力差，促使足速，另一側(cè)氣流減速，形成壓力差，促使足球拐彎，稱為球拐彎，稱為馬格努斯效應(yīng)馬格努斯效應(yīng)。機(jī)翼的特殊形狀使它不用旋轉(zhuǎn)就能產(chǎn)生環(huán)流，上部流速加快形成

7、吸力，下部流速減慢形成壓力。測量和計(jì)算表明上部吸力的貢獻(xiàn)比下部要大。 NACA2412翼型在翼型在7.4度攻角時(shí)的壓強(qiáng)分布度攻角時(shí)的壓強(qiáng)分布 豐富多彩的流動(dòng)圖案背后隱藏著復(fù)雜的力學(xué)規(guī)律豐富多彩的流動(dòng)圖案背后隱藏著復(fù)雜的力學(xué)規(guī)律，有些動(dòng)物具有巧妙運(yùn)用這些規(guī)律的本領(lǐng)。，有些動(dòng)物具有巧妙運(yùn)用這些規(guī)律的本領(lǐng)。 地球表面水和空氣的運(yùn)動(dòng)是氣象、水文、水利、地球表面水和空氣的運(yùn)動(dòng)是氣象、水文、水利、環(huán)保、農(nóng)業(yè)、航空、航海、漁業(yè)、國防等部門研環(huán)保、農(nóng)業(yè)、航空、航海、漁業(yè)、國防等部門研究的對象。究的對象。 航空、航天、造船、機(jī)械、動(dòng)力、冶金、化工、航空、航天、造船、機(jī)械、動(dòng)力、冶金、化工、石油、建筑等部門設(shè)備中

8、的工作介質(zhì)都是流體，石油、建筑等部門設(shè)備中的工作介質(zhì)都是流體，改進(jìn)流程，提高效率，需要流體力學(xué)知識。改進(jìn)流程，提高效率，需要流體力學(xué)知識。 觀看錄像觀看錄像流體力學(xué)也是眾多應(yīng)用科學(xué)和工程技術(shù)的基礎(chǔ)。由于流體力學(xué)也是眾多應(yīng)用科學(xué)和工程技術(shù)的基礎(chǔ)。由于空氣動(dòng)力學(xué)的發(fā)展，人類研制出空氣動(dòng)力學(xué)的發(fā)展，人類研制出3倍聲速的戰(zhàn)斗機(jī)。倍聲速的戰(zhàn)斗機(jī)。F-15 使重量超過使重量超過3百噸，面積達(dá)半個(gè)足球場的大型民航客機(jī)百噸，面積達(dá)半個(gè)足球場的大型民航客機(jī)，靠空氣的支托象鳥一樣飛行成為可能，創(chuàng)造了人類，靠空氣的支托象鳥一樣飛行成為可能，創(chuàng)造了人類技術(shù)史上的奇跡。技術(shù)史上的奇跡。 利用超高速氣體動(dòng)力學(xué)，物理化學(xué)流

9、體力學(xué)和稀薄氣體力利用超高速氣體動(dòng)力學(xué)，物理化學(xué)流體力學(xué)和稀薄氣體力學(xué)的研究成果，人類制造出航天飛機(jī)，建立太空站，實(shí)現(xiàn)學(xué)的研究成果，人類制造出航天飛機(jī)，建立太空站，實(shí)現(xiàn)了人類登月的夢想。了人類登月的夢想。 排水量達(dá)排水量達(dá)50萬噸以上的超大型運(yùn)輸船萬噸以上的超大型運(yùn)輸船時(shí)速達(dá)時(shí)速達(dá)200公里的新型地效艇等，它們的設(shè)計(jì)都公里的新型地效艇等，它們的設(shè)計(jì)都建立在水動(dòng)力學(xué)，船舶流體力學(xué)的基礎(chǔ)之上。建立在水動(dòng)力學(xué)，船舶流體力學(xué)的基礎(chǔ)之上。 用翼柵及高溫，化學(xué)，多相流動(dòng)理論設(shè)計(jì)制造成功用翼柵及高溫，化學(xué)，多相流動(dòng)理論設(shè)計(jì)制造成功大型氣輪機(jī)，水輪機(jī)，渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)等動(dòng)力機(jī)械，為大型氣輪機(jī)，水輪機(jī)，渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)等動(dòng)

10、力機(jī)械，為人類提供單機(jī)達(dá)百萬千瓦的強(qiáng)大動(dòng)力人類提供單機(jī)達(dá)百萬千瓦的強(qiáng)大動(dòng)力 。氣輪機(jī)葉片大型水利樞紐工程，超高層建筑，大跨度橋大型水利樞紐工程，超高層建筑，大跨度橋梁等的設(shè)計(jì)和建造離不開水力學(xué)和風(fēng)工程。梁等的設(shè)計(jì)和建造離不開水力學(xué)和風(fēng)工程。 大型水利樞紐工程，超高層建筑，大跨度大型水利樞紐工程，超高層建筑，大跨度橋梁等的設(shè)計(jì)和建造離不開水力學(xué)和風(fēng)工橋梁等的設(shè)計(jì)和建造離不開水力學(xué)和風(fēng)工程。程。 楊浦大橋楊浦大橋 總之，沒有流體力學(xué)的發(fā)展，現(xiàn)代總之，沒有流體力學(xué)的發(fā)展，現(xiàn)代工業(yè)和高新技術(shù)的發(fā)展是不可能的。工業(yè)和高新技術(shù)的發(fā)展是不可能的。 流體力學(xué)在推動(dòng)社會發(fā)展方面做流體力學(xué)在推動(dòng)社會發(fā)展方面做出過

11、很大貢獻(xiàn)，今后仍將在科學(xué)與技出過很大貢獻(xiàn)，今后仍將在科學(xué)與技術(shù)各個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮更大的作用。術(shù)各個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮更大的作用。公元前3世紀(jì)，中國四川都江堰水利工程公元前3世紀(jì)，中國四川都江堰水利工程魚嘴魚嘴寶瓶寶瓶口口飛沙飛沙堰堰公元前3世紀(jì)，阿基米德浮力定律 阿基米德（阿基米德（Archimedes，公元前，公元前287212） 歐美諸國歷史上有記載的最早從事歐美諸國歷史上有記載的最早從事流體力學(xué)現(xiàn)象研究的是古希臘學(xué)者流體力學(xué)現(xiàn)象研究的是古希臘學(xué)者阿基米德阿基米德在公元前在公元前250年發(fā)表學(xué)術(shù)年發(fā)表學(xué)術(shù)論文論文論浮體論浮體，第一個(gè)闡明了相，第一個(gè)闡明了相對密度的概念，發(fā)現(xiàn)了物體在流體對密度的概念，發(fā)現(xiàn)了

12、物體在流體中所受浮力的基本原理中所受浮力的基本原理阿基米阿基米德原理。德原理。 文藝復(fù)興時(shí)期（14-16世紀(jì)，流體力學(xué)得到了長足的發(fā)展 列奧納德列奧納德.達(dá)達(dá).芬奇芬奇（Leonardo.da.Vinci,14521519） 著名物理學(xué)家和藝術(shù)家著名物理學(xué)家和藝術(shù)家 設(shè)計(jì)建造了一小型設(shè)計(jì)建造了一小型水渠，系統(tǒng)地研究了物體的沉浮、孔口出水渠，系統(tǒng)地研究了物體的沉浮、孔口出流、物體的運(yùn)動(dòng)阻力以及管道、明渠中水流、物體的運(yùn)動(dòng)阻力以及管道、明渠中水流等問題。流等問題。 文藝復(fù)興時(shí)期（14-16世紀(jì)，流體力學(xué)得到了長足的發(fā)展u斯蒂文（斯蒂文（S.Stevin,1548-1620S.Stevin,1548

13、-1620）將用于研究固體平衡的凝將用于研究固體平衡的凝結(jié)原理轉(zhuǎn)用到流體上。結(jié)原理轉(zhuǎn)用到流體上。u 伽利略（伽利略（Galileo,1564-1642Galileo,1564-1642） 在流體靜力學(xué)中應(yīng)用了在流體靜力學(xué)中應(yīng)用了虛位移原理，并首先提出，運(yùn)動(dòng)物體的阻力隨著流體虛位移原理，并首先提出，運(yùn)動(dòng)物體的阻力隨著流體介質(zhì)密度的增大和速度的提高而增大。介質(zhì)密度的增大和速度的提高而增大。u托里析利（托里析利（E.Torricelli,1608-1647E.Torricelli,1608-1647）論證了孔口出流的基論證了孔口出流的基本規(guī)律。本規(guī)律。18世紀(jì)，隨著牛頓運(yùn)動(dòng)定理和微積分方法的建立，流

14、體力學(xué)邁入理性研究和持續(xù)發(fā)展階段。u 歐歐 拉（拉（L.EulerL.Euler，1707170717831783） 經(jīng)典流體力學(xué)的奠基人，經(jīng)典流體力學(xué)的奠基人，17551755年發(fā)表年發(fā)表流體運(yùn)動(dòng)的一般原理流體運(yùn)動(dòng)的一般原理，提出了流體的連續(xù)介質(zhì)模型，建立提出了流體的連續(xù)介質(zhì)模型，建立了連續(xù)性微分方程和理想流體的運(yùn)了連續(xù)性微分方程和理想流體的運(yùn)動(dòng)微分方程，給出了不可壓縮理想動(dòng)微分方程，給出了不可壓縮理想流體運(yùn)動(dòng)的一般解析方法。他提出流體運(yùn)動(dòng)的一般解析方法。他提出了研究流體運(yùn)動(dòng)的兩種不同方法及了研究流體運(yùn)動(dòng)的兩種不同方法及速度勢的概念，并論證了速度勢應(yīng)速度勢的概念，并論證了速度勢應(yīng)當(dāng)滿足的運(yùn)動(dòng)

15、條件和方程。當(dāng)滿足的運(yùn)動(dòng)條件和方程。一批著名數(shù)學(xué)家建立了描述無粘性流一批著名數(shù)學(xué)家建立了描述無粘性流 體運(yùn)動(dòng)的體運(yùn)動(dòng)的 理論流體力學(xué)。理論流體力學(xué)。u伯努利（D.Bernoulli，17001782）瑞士科學(xué)家 在1738年出版的名著流體動(dòng)力學(xué)中，建立了流體位勢能、壓強(qiáng)勢能和動(dòng)能之間的能量轉(zhuǎn)換關(guān)系伯努利方程。在此歷史階段，諸學(xué)者的工作奠定了流體靜力學(xué)的基礎(chǔ)，促進(jìn)了流體動(dòng)力學(xué)的發(fā)展。u達(dá)朗伯（J.le R.dAlembert,17171783） 1744年提出了達(dá)朗伯疑題（又稱達(dá)朗伯佯謬），即在理想流體中運(yùn)動(dòng)的物體既沒有升力也沒有阻力。從反面說明了理想流體假定的局限性。u拉格朗日（J.-L.La

16、grange,17361813） 提出了新的流體動(dòng)力學(xué)微分方程，使流體動(dòng)力學(xué)的解析方法有了進(jìn)一步發(fā)展。嚴(yán)格地論證了速度勢的存在，并提出了流函數(shù)的概念，為應(yīng)用復(fù)變函數(shù)去解析流體定常的和非定常的平面無旋運(yùn)動(dòng)開辟了道路。u亥姆霍茲（亥姆霍茲（H.von Helmholtz,1821-1894H.von Helmholtz,1821-1894）和）和基爾霍夫（基爾霍夫（G.R.Kirchhoff,1824-1887G.R.Kirchhoff,1824-1887）對旋渦運(yùn)對旋渦運(yùn)動(dòng)和分離流動(dòng)進(jìn)行了大量的理論分析和實(shí)驗(yàn)研究，提出了表動(dòng)和分離流動(dòng)進(jìn)行了大量的理論分析和實(shí)驗(yàn)研究，提出了表征旋渦基本性質(zhì)的旋渦定

17、理、帶射流的物體繞流阻力等學(xué)術(shù)征旋渦基本性質(zhì)的旋渦定理、帶射流的物體繞流阻力等學(xué)術(shù)成就。成就。u雷雷 諾（諾（O.ReynoldsO.Reynolds，1842-19121842-1912） 1883年用實(shí)驗(yàn)證實(shí)了粘性流體的兩種流動(dòng)狀態(tài)層流和紊流的客觀存在，找到了實(shí)驗(yàn)研究粘性流體流動(dòng)規(guī)律的相似準(zhǔn)則數(shù)雷諾數(shù)，以及判別層流和紊流的臨界雷諾數(shù)，為流動(dòng)阻力的研究奠定了基礎(chǔ)。u 瑞瑞 利（利（L.J.W.ReyleighL.J.W.Reyleigh，1842-19191842-1919英國）英國）在相似原理的基礎(chǔ)上，提出了實(shí)驗(yàn)研究的量綱分析法中的一種方法-瑞利法。u 庫庫 塔（塔（M.W.KuttaM.

18、W.Kutta，1867186719441944）1902年就曾提出過繞流物體上的升力理論，但沒有在通行的刊物上發(fā)表。u 儒科夫斯基（儒科夫斯基（.,1847.,184719211921）從1906年起，發(fā)表了論依附渦流等論文，找到了翼型升力和繞翼型的環(huán)流之間的關(guān)系，建立了二維升力理論的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。他還研究過螺旋槳的渦流理論以及低速翼型和螺旋槳槳葉剖面等。他的研究成果，對空氣動(dòng)力學(xué)的理論和實(shí)驗(yàn)研究都有重要貢獻(xiàn)，為近代高效能飛機(jī)設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。u布拉休斯（布拉休斯（H.BlasiusH.Blasius）在1913年發(fā)表的論文中，提出了計(jì)算紊流光滑管阻力系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式。u伯金漢（伯金漢（E.BuckinghamE.Buckingham）在1914年發(fā)表的在物理的相似系統(tǒng)中量綱方程應(yīng)用的說明論文中，提出了著名的定理，進(jìn)一步完善了量綱分析法。u尼古拉茲（尼古拉茲（J.NikuradzeJ.Nikuradze）在1933年發(fā)表的論文中，公布了他對砂粒粗糙管內(nèi)水流阻力系數(shù)的實(shí)測結(jié)果-尼古拉茲曲線，據(jù)此他還給紊流光滑管和紊流粗糙管的理論公式選定了