工程流體力學過程裝備與控制工程教研室李洪亮

1過程裝備與控制工程教研室你想知道高爾夫球飛得遠應表面光滑還是粗糙嗎？你想知道汽車阻力來至前部還是尾部嗎？你想知道機翼升力來至下部還是上部嗎？你想知道同一容器上同高同徑孔口和管嘴泄流誰的流速大、誰的流量大嗎？………2過程裝備與控制工程教研室《工程流體力學》是熱能與動力工程等專業(yè)的一門重要的專業(yè)基礎課，它為學好專業(yè)課和今后從事專業(yè)技術工作以及科學研究工作打下必要的流體力學基礎。3過程裝備與控制工程教研室課程安排計劃學時：64周學時：4課程性質(zhì)：必修考試（考查）方式：考試4過程裝備與控制工程教研室使用教材：孔瓏主編《流體力學》，高等教育出版社參考教材：

黃衛(wèi)星主編《工程流體力學》，化學工業(yè)出版社陳卓如主編《工程流體力學》，高等教育出版社張也影主編《流體力學》，高等教育出版社吳望一主編《流體力學》，北京大學出版社5過程裝備與控制工程教研室本課程的內(nèi)容第1章緒論第2章流體靜力學第3章流體運動學和動力學基礎第4章相似原理和量綱分析第5章管流損失和水力計算第6章氣體的一維定常流動第7章理想流體多維流動基礎第8章粘性流體多維流動基礎6過程裝備與控制工程教研室高爾夫球表面為什么有很多小凹坑？最早的高爾夫球現(xiàn)在的高爾夫球7過程裝備與控制工程教研室高爾夫球表面為什么有很多小凹坑？高爾夫球表面之所以設計有許多小凹坑，其目的是讓高爾夫球飛得更遠。高爾夫球表面的小凹坑可以減少空氣的阻力，增加球的升力。通常說來，尾流范圍越小，球體后方的壓力就越大，空氣對球的阻力就越小。高爾夫球的自旋大約提供了一半的升力，另外一半則是來自小凹坑。8過程裝備與控制工程教研室汽車阻力來自前部還是后部？汽車發(fā)明于19世紀末，當時人們認為汽車的阻力主要來自前部對空氣的撞擊，因此早期的汽車后部是陡峭的，稱為箱型車，阻力系數(shù)CD很大，約為0.8。9過程裝備與控制工程教研室汽車阻力來自前部還是后部？實際上汽車阻力主要來自后部形成的尾流，稱為形狀阻力。10過程裝備與控制工程教研室汽車阻力來自前部還是后部？20世紀30年代起，人們開始運用流體力學原理改進汽車尾部形狀，出現(xiàn)甲殼蟲型，阻力系數(shù)降至0.6。11過程裝備與控制工程教研室汽車阻力來自前部還是后部？20世紀50－60年代改進為船型，阻力系數(shù)為0.45。12過程裝備與控制工程教研室汽車阻力來自前部還是后部？80年代經(jīng)過風洞實驗系統(tǒng)研究后，又改進為魚型，阻力系數(shù)為0.3。13過程裝備與控制工程教研室汽車阻力來自前部還是后部？以后進一步改進為楔型，阻力系數(shù)為0.2。14過程裝備與控制工程教研室汽車阻力來自前部還是后部？90年代后，科研人員研制開發(fā)的未來型汽車，阻力系數(shù)僅為0.137。15過程裝備與控制工程教研室汽車阻力來自前部還是后部？經(jīng)過近80年的研究改進，汽車阻力系數(shù)從0.8降至0.137，阻力減小為原來的1/5。目前，在汽車外形設計中流體力學性能研究已占主導地位，合理的外形使汽車具有更好的動力學性能和更低的耗油率。16過程裝備與控制工程教研室機翼升力來至下部還是上部？17過程裝備與控制工程教研室第1章緒論18過程裝備與控制工程教研室本章內(nèi)容1.1流體力學發(fā)展史簡述1.2流體力學的研究內(nèi)容、研究方法和應用1.3流體的定義和特征連續(xù)介質(zhì)模型1.4作用在流體上的力1.5流體的主要物理性質(zhì)19過程裝備與控制工程教研室1.1流體力學發(fā)展史簡述20過程裝備與控制工程教研室流體力學在中國大禹治水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，說明當時對明槽水流和堰流流動規(guī)律的認識已經(jīng)達到相當水平。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。21過程裝備與控制工程教研室流體力學在中國水利風力機械在古代，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（水力鼓風機），利用水力，通過傳動機械，使皮制鼓風囊連續(xù)開合，將空氣送入冶金爐，較西歐約早了一千一百年。22過程裝備與控制工程教研室流體力學在中國真州船閘北宋（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斷面面積乘以斷面平均流速的計算方法。23過程裝備與控制工程教研室流體力學在中國李冰（公元前302-235）24過程裝備與控制工程教研室流體力學在中國錢學森浙江省杭州市人，他在火箭、導彈、航天器的總體、動力、制導、氣動力、結構、材料、計算機、質(zhì)量控制和科技管理等領域的豐富知識，為中國火箭導彈和航天事業(yè)的創(chuàng)建與發(fā)展作出了杰出的貢獻。1957年獲中國科學院自然科學一等獎1979年獲美國加州理工學院杰出校友獎1985年獲國家科技進步獎特等獎1989年獲小羅克維爾獎章和世界級科學與工程名人稱號1991年被國務院、中央軍委授予“國家杰出貢獻科學家”榮譽稱號和一級英模獎章25過程裝備與控制工程教研室流體力學在中國周培源（1902－1993）1902年8月28日出生，江蘇宜興人。理論學家、流體力學家，主要從事物理學的基礎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中的湍流理論）的研究與教學，并取得出色成果。26過程裝備與控制工程教研室流體力學在中國吳仲華（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)良葉輪機械設計計算的主要依據(jù)。27過程裝備與控制工程教研室流體力學的西方史阿基米德（Archimedes，公元前287-212）古希臘數(shù)學家、力學家，靜力學和流體靜力學的奠基人《論浮體》歷史上有記載的最早從事流體力學現(xiàn)象研究28過程裝備與控制工程教研室流體力學的西方史列奧納德.達.芬奇（Leonardo.da.Vinci,1452-1519）著名物理學家和藝術家設計建造了一小型水渠，系統(tǒng)地研究了物體的沉浮、孔口出流、物體的運動阻力以及管道、明渠中水流等問題。29過程裝備與控制工程教研室流體力學的西方史伽利略（Galileo,1564-1642）在流體靜力學中應用了虛位移原理，并首先提出，運動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。30過程裝備與控制工程教研室流體力學的西方史托里析利（E.Torricelli,1608-1647）論證了孔口出流的基本規(guī)律31過程裝備與控制工程教研室流體力學的西方史帕斯卡（B.Pascal,1623-1662）提出了密閉流體能傳遞壓強的原理--帕斯卡原理。32過程裝備與控制工程教研室流體力學的西方史牛頓（1642-1727）英國偉大的數(shù)學家、物理學家、天文學家和自然哲學家。流體粘性牛頓內(nèi)摩擦定律33過程裝備與控制工程教研室流體力學的西方史伯努利（D.Bernoulli，1700－1782）瑞士科學家，曾在俄國彼得堡科學院任教。在流體力學、氣體動力學、微分方程和概率論等方面都有重大貢獻，是理論流體力學的創(chuàng)始人。伯努利方程34過程裝備與控制工程教研室流體力學的西方史歐拉（L.Euler，1707－1783）瑞士數(shù)學家、力學家、天文學家、物理學家，變分法的奠基人，復變函數(shù)論的先驅(qū)者，理論流體力學的創(chuàng)始人。連續(xù)介質(zhì)模型理想流體平衡微分方程理想流體運動微分方程35過程裝備與控制工程教研室流體力學的西方史拉格朗日（J.-L.Lagrange,1736－1813）提出了新的流體動力學微分方程，使流體動力學的解析方法有了進一步發(fā)展。嚴格地論證了速度勢的存在，并提出了流函數(shù)的概念，為應用復變函數(shù)去解析流體定常的和非定常的平面無旋運動開辟了道路。36過程裝備與控制工程教研室流體力學的西方史納維（C.L.M.H.Navier，1785-1836）斯托克斯（G.G.Stokes,1819-1903）納維首先提出了不可壓縮粘性流體的運動微分方程組。斯托克斯嚴格地導出了這些方程，并把流體質(zhì)點的運動分解為平動、轉(zhuǎn)動、均勻膨脹或壓縮及由剪切所引起的變形運動。后來引用時，便統(tǒng)稱該方程為納維-斯托克斯方程。37過程裝備與控制工程教研室流體力學的西方史雷諾（O.Reynolds，1842-1912）英國力學家、物理學家和工程師，杰出的實驗科學家。層流與紊流——雷諾數(shù)雷諾應力38過程裝備與控制工程教研室流體力學的西方史卡門(T.vonKármán，1881-1963)美國著名空氣動力學家卡門渦街解釋機翼張線的"線鳴"、水下螺旋槳的"嗡鳴"39過程裝備與控制工程教研室流體力學的西方史普朗特（L.Prandtl，1875－1953）德國力學家，現(xiàn)代流體力學的創(chuàng)始人之一。邊界層理論、風洞實驗技術、機翼理論、紊流理論等方面都作出了重要的貢獻，被稱作空氣動力學之父。40過程裝備與控制工程教研室流體力學的西方史謝才（A.deChézy法國）在1755年便總結出明渠均勻流公式--謝才公式，一直沿用至今。41過程裝備與控制工程教研室流體力學的西方史瑞利（L.J.W.Reyleigh，1842-1919）在相似原理的基礎上，提出了實驗研究的量綱分析法中的一種方法--瑞利法。42過程裝備與控制工程教研室流體力學的西方史儒科夫斯基（Н.Е.Жуковский,1847-1921）二維升力理論、螺旋槳的渦流理論以及低速翼型和螺旋槳槳葉剖面等。對空氣動力學的理論和實驗研究都有重要貢獻，為近代高效能飛機設計奠定了基礎。43過程裝備與控制工程教研室流體力學的西方史弗勞德（W.Froude，1810-1879）對船舶阻力和搖擺的研究頗有貢獻，他提出了船模試驗的相似準則數(shù)——弗勞德數(shù)，建立了現(xiàn)代船模試驗技術的基礎。44過程裝備與控制工程教研室流體力學的西方史亥姆霍茲（H.vonHelmholtz,1821-1894）基爾霍夫（G.R.Kirchhoff,1824-1887）對旋渦運動和分離流動進行了大量的理論分析和實驗研究，提出了表征旋渦基本性質(zhì)的旋渦定理、帶射流的物體繞流阻力等學術成就。45過程裝備與控制工程教研室流體力學的西方史斯蒂文（S.Stevin,1548-1620）將用于研究固體平衡的凝結原理轉(zhuǎn)用到流體上。達朗伯（J.leR.d‘Alembert,1717－1783）1744年提出了達朗伯疑題（又稱達朗伯佯謬），即在理想流體中運動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。庫塔（M.W.Kutta，1867-1944）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。46過程裝備與控制工程教研室流體力學的西方史布拉休斯（H.Blasius）在1913年發(fā)表的論文中，提出了計算紊流光滑管阻力系數(shù)的經(jīng)驗公式。伯金漢（E.Buckingham）在1914年發(fā)表的《在物理的相似系統(tǒng)中量綱方程應用的說明》論文中，提出了著名的π定理，進一步完善了量綱分析法。47過程裝備與控制工程教研室流體力學的西方史尼古拉茲（J.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)的實測結果--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應有的系數(shù)。48過程裝備與控制工程教研室流體力學的西方史科勒布茹克（C.F.Colebrook）在1939年發(fā)表的論文中，提出了把紊流光滑管區(qū)和紊流粗糙管區(qū)聯(lián)系在一起的過渡區(qū)阻力系數(shù)計算公式。莫迪（L.F.Moody）在1944年發(fā)表的論文中，給出了他繪制的實用管道的當量糙粒阻力系數(shù)圖--莫迪圖。至此，有壓管流的水力計算已漸趨成熟。49過程裝備與控制工程教研室

流體力學已派生出很多新的分支電磁流體力學生物流體力學化學流體力學地球流體力學高溫氣體動力學非牛頓流體力學爆炸力學流變學計算流體力學50過程裝備與控制工程教研室1.2流體力學的研究內(nèi)容、研究方法和應用51過程裝備與控制工程教研室流體力學是研究流體平衡和宏觀運動規(guī)律的科學研究流體平衡的條件及其壓強分布規(guī)律研究流體運動的基本規(guī)律研究流體繞流某物體或流過某流道時速度分布、壓強分布、能量損失研究流體與固體間的相互作用52過程裝備與控制工程教研室流體力學的研究方法理論分析方法實驗研究方法數(shù)值計算方法53過程裝備與控制工程教研室流體力學的研究方法——理論分析方法建立理論模型——流體力學模型；對模型建立描寫流體運動規(guī)律的封閉方程組以及與之相應的邊界條件和初始條件；求解方程組；將結果與實際流動相比較，以確定解的精確度。54過程裝備與控制工程教研室流體力學的研究方法——理論分析方法推導嚴緊，答案精確；只局限于比較簡單的理論模型；忽略流動的次要影響因素，需要用實驗的方法對結果進行修正；不能解決復雜的流體力學問題。55過程裝備與控制工程教研室流體力學的研究方法——實驗研究方法根據(jù)相似原理建立實驗模型；通過實驗測定有關相似準則中的物理量；將實驗數(shù)據(jù)整理成相似準則數(shù)，并通過對實驗數(shù)據(jù)的擬合找出準則方程式。56過程裝備與控制工程教研室流體力學的研究方法——實驗研究方法該方法更加接近實際，只要實驗模型設計合理，測量無誤，準則方程的擬合精度高，實驗結果是可靠的；設計模型時只能使主要相似準則數(shù)相等，實驗結果只是近似的；有些流體力學問題，無法在實驗室內(nèi)進行研究。57過程裝備與控制工程教研室流體力學的研究方法——數(shù)值計算方法建立數(shù)學模型；合理選用計算方法；編制計算程序；上機計算，分析結果，以確定是否滿足要求。58過程裝備與控制工程教研室流體力學的研究方法——數(shù)值計算方法能解決許多用數(shù)學方法難以求解的問題，從一定意義上講，這種方法是理論分析方法的延伸和拓寬；在計算機上用數(shù)值計算的方法可以很好地模擬流體力學實驗，節(jié)省研究時間和經(jīng)費；數(shù)學模型的建立必須以理論分析和實驗研究為基礎，而且往往難以包括實際流動的所有物理特性。59過程裝備與控制工程教研室流體力學的研究方法理論分析、實驗研究和數(shù)值計算這三種方法各有利弊，相輔相成理論指導實驗研究和數(shù)值計算；實驗用來檢驗理論分析和數(shù)值計算結果的正確性；數(shù)值計算可以彌補理論分析和實驗研究的不足，對復雜的流體力學問題進行既快又省的計算分析。60過程裝備與控制工程教研室流體力學在許多工業(yè)技術中有著廣泛的應用采礦工業(yè)化學工業(yè)石油工業(yè)土木建筑工程人體循環(huán)水利工程造船工業(yè)電力工業(yè)機械工業(yè)冶金工業(yè)61過程裝備與控制工程教研室流體力學在工程中的應用由于空氣動力學的發(fā)展，人類研制出3倍聲速的戰(zhàn)斗機?；糜?000F-1562過程裝備與控制工程教研室流體力學在工程中的應用使重量超過3百噸，面積達半個足球場的大型民航客機，靠空氣的支托象鳥一樣飛行成為可能，創(chuàng)造了人類技術史上的奇跡。63過程裝備與控制工程教研室流體力學在工程中的應用利用超高速氣體動力學，物理化學流體力學和稀薄氣體力學的研究成果，人類制造出航天飛機，建立太空站，實現(xiàn)了人類登月的夢想。64過程裝備與控制工程教研室流體力學在工程中的應用單價超過10億美元，能抵御大風浪的海上采油平臺65過程裝備與控制工程教研室流體力學在工程中的應用排水量達50萬噸以上的超大型運輸船66過程裝備與控制工程教研室流體力學在工程中的應用航速達30節(jié)，深潛達數(shù)百米的核動力潛艇67過程裝備與控制工程教研室流體力學在工程中的應用時速達200公里的新型地效艇等，它們的設計都建立在水動力學，船舶流體力學的基礎之上。68過程裝備與控制工程教研室流體力學在工程中的應用用翼柵及高溫，化學，多相流動理論設計制造成功大型氣輪機，水輪機，渦噴發(fā)動機等動力機械，為人類提供單機達百萬千瓦的強大動力。69過程裝備與控制工程教研室流體力學在工程中的應用大型水利樞紐工程，超高層建筑，大跨度橋梁等的設計和建造離不開水力學和風工程。70過程裝備與控制工程教研室