流體力學(xué)

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

課堂唯一要求：上課時(shí)間請(qǐng)暫時(shí)離開(kāi)手機(jī)屏幕?。。。∑綍r(shí)成績(jī)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(guó)民經(jīng)濟(jì)各生產(chǎn)部門(mén)的應(yīng)用舉例大氣環(huán)流

水利樞紐

石油勘探

流體機(jī)械

建筑橋梁

仿生推進(jìn)

環(huán)境保護(hù)

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(yùn)動(dòng)

化工過(guò)程

第一章緒論一、流體力學(xué)的研究對(duì)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(guó)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(zhuān)業(yè)目錄》，分為哲學(xué)、經(jīng)濟(jì)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(mén)類(lèi)，每大門(mén)類(lèi)下設(shè)若干一級(jí)學(xué)科，如理學(xué)門(mén)類(lèi)下設(shè)數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)等12個(gè)一級(jí)學(xué)科。2011年8月下旬，藝術(shù)學(xué)首次從文學(xué)門(mén)類(lèi)中獨(dú)立出來(lái)，單列為一個(gè)學(xué)科門(mén)類(lèi)，考研學(xué)科門(mén)類(lèi)將從原先的12個(gè)增加到13個(gè)。流體力學(xué)屬工學(xué)之力學(xué)二級(jí)學(xué)科所謂獲得一級(jí)學(xué)科博士學(xué)位授權(quán)，即是指在這個(gè)一級(jí)學(xué)科下的所有二級(jí)學(xué)科都有博士學(xué)位授予權(quán)，也就意味著，一個(gè)學(xué)生只要選擇了這個(gè)學(xué)科中的任何一個(gè)專(zhuān)業(yè)，進(jìn)了校門(mén)就可以從本科一直念到博士。這能反映出一個(gè)大學(xué)或科研院所在這個(gè)學(xué)科的實(shí)力和水平。但要看這個(gè)學(xué)科是否全國(guó)領(lǐng)先，就要看它里面的二級(jí)學(xué)科有沒(méi)有國(guó)家重點(diǎn)學(xué)科以及重點(diǎn)學(xué)科的多少。08工學(xué)學(xué)科門(mén)類(lèi)0801力學(xué)一級(jí)學(xué)科080103流體力學(xué)二級(jí)學(xué)科0802機(jī)械工程一級(jí)學(xué)科080201機(jī)械設(shè)計(jì)及其自動(dòng)化二級(jí)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(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)質(zhì)點(diǎn)力學(xué)剛體力學(xué)理論計(jì)算實(shí)驗(yàn)1、研究對(duì)象

流體力學(xué)以液體和氣體為研究對(duì)象，研究其平衡和運(yùn)動(dòng)基本規(guī)律的科學(xué)。流體是液體和氣體的統(tǒng)稱(chēng)。但對(duì)研究對(duì)象既不研究其個(gè)別分子的運(yùn)動(dòng)，也不過(guò)問(wèn)個(gè)別原子的運(yùn)動(dòng)，只研究其大量分子的集體運(yùn)動(dòng)。

一、

流體力學(xué)的研究對(duì)象2/7/202317流體力學(xué)主要研究?jī)?nèi)容：根據(jù)理論力學(xué)的普遍原理，借助大量的實(shí)際資料，運(yùn)用數(shù)學(xué)和實(shí)驗(yàn)方法來(lái)研究流體平衡和運(yùn)動(dòng)時(shí)的壓力分布、速度分布、與固體之間的相互作用以及流動(dòng)過(guò)程中的能量損失等。2/7/2023182、研究?jī)?nèi)容2/7/202319流、固體相互作用流動(dòng)規(guī)律平衡規(guī)律絕對(duì)靜止相對(duì)靜止壓力分布?jí)毫τ?jì)算管流繞流射流速度分布?jí)毫Ψ植寄芰繐p失力與流動(dòng)的關(guān)系流體動(dòng)力學(xué)流體運(yùn)動(dòng)學(xué)流體靜力學(xué)2/7/202320掌握——基本概念、基本原理基本計(jì)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(shí)際靈活運(yùn)用——測(cè)壓、測(cè)速、測(cè)流量的儀器原理使用方法3、重點(diǎn)內(nèi)容明確熟悉4、流體力學(xué)的分類(lèi)

理論（古典）流體力學(xué)——偏重于數(shù)理分析按研究方法分實(shí)驗(yàn)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(diǎn)按研究對(duì)象分氣體力學(xué)—運(yùn)動(dòng)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(duì)接按研究觸固面的受力問(wèn)題內(nèi)容分流體動(dòng)力學(xué)——研究流體運(yùn)動(dòng)參數(shù)變化規(guī)律及其對(duì)固面的作用力問(wèn)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(yùn)動(dòng)微分方程伯努利：流體動(dòng)力學(xué)基本公式納維爾-斯托克斯：N-S方程（黏性流體運(yùn)動(dòng)微分方程）雷諾：層流、紊流儒可夫斯基：機(jī)翼理論——升力公式普朗特：邊界層理論卡門(mén)：卡門(mén)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(shí)踐活動(dòng)中積累了大量的流體基本知識(shí)。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(shí)期，逐步建立和發(fā)展了解決流體力學(xué)問(wèn)題的理論與實(shí)驗(yàn)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(guó)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(shí)期，逐步建立和發(fā)展了解決流體力學(xué)問(wèn)題的理論與實(shí)驗(yàn)方法。代表人物：

1738——伯努利

伯努利方程第三章流體動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)流體動(dòng)力學(xué)基本公式瑞士科學(xué)家，曾在俄國(guó)彼得堡科學(xué)院任教，他在流體力學(xué)、氣體動(dòng)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(shí)期，逐步建立和發(fā)展了解決流體力學(xué)問(wèn)題的理論與實(shí)驗(yàn)方法。代表人物：

1755——?dú)W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(yùn)動(dòng)微分方程第三章流體動(dòng)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(shí)期，逐步建立和發(fā)展了解決流體力學(xué)問(wèn)題的理論與實(shí)驗(yàn)方法。代表人物：納維爾斯托克斯

N－S方程第三章流體動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)黏性流體運(yùn)動(dòng)微分方程2/7/202327流體力學(xué)的初步形成和發(fā)展的時(shí)期，逐步建立和發(fā)展了解決流體力學(xué)問(wèn)題的理論與實(shí)驗(yàn)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(dòng)雷諾應(yīng)力英國(guó)力學(xué)家、物理學(xué)家和工程師。杰出的實(shí)驗(yàn)科學(xué)家。

2/7/202328流體力學(xué)的初步形成和發(fā)展的時(shí)期，逐步建立和發(fā)展了解決流體力學(xué)問(wèn)題的理論與實(shí)驗(yàn)方法。代表人物：

儒可夫斯基機(jī)翼理論——升力公式第四章不可壓縮流體有旋流動(dòng)和二維無(wú)旋流動(dòng)機(jī)翼設(shè)計(jì)2/7/202329流體力學(xué)的初步形成和發(fā)展的時(shí)期，逐步建立和發(fā)展了解決流體力學(xué)問(wèn)題的理論與實(shí)驗(yàn)方法。代表人物：

1912——卡門(mén)卡門(mén)渦街美國(guó)著名空氣動(dòng)力學(xué)家解釋機(jī)翼張線(xiàn)的"線(xiàn)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(shí)期，逐步建立和發(fā)展了解決流體力學(xué)問(wèn)題的理論與實(shí)驗(yàn)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(guó)力學(xué)家。現(xiàn)代流體力學(xué)的創(chuàng)始人之一。邊界層理論、風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)技術(shù)、機(jī)翼理論、紊流理論等方面都作出了重要的貢獻(xiàn)，被稱(chēng)作空氣動(dòng)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?yàn)橹兀黧w力學(xué)的理論與實(shí)驗(yàn)研究在各個(gè)領(lǐng)域都取得了極大的發(fā)展。形成了兩門(mén)重要的學(xué)科：空氣動(dòng)力學(xué)和計(jì)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(gè)相對(duì)比較完整的科學(xué)研究體系，一些基本問(wèn)題都得到了很好的解決。但是一些較難、較復(fù)雜的問(wèn)題還不能利用現(xiàn)有的知識(shí)進(jìn)行解釋?zhuān)缤牧鳌⑿郎u動(dòng)力學(xué)、非定常流等。這些問(wèn)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(shuō)明我國(guó)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(guó)渠、靈渠三大水利工程，說(shuō)明當(dāng)時(shí)對(duì)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)水平。龍首渠（公元前156-前87）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(zhǎng)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(guó)2/7/202335水利風(fēng)力機(jī)械在古代，以水為動(dòng)力的簡(jiǎn)單機(jī)械也有了長(zhǎng)足的發(fā)展，例如用水輪提水，或通過(guò)簡(jiǎn)單的機(jī)械傳動(dòng)去碾米、磨面等。東漢杜詩(shī)任南陽(yáng)太守時(shí)（公元37年）曾創(chuàng)造水排（水力鼓風(fēng)機(jī)），利用水力，通過(guò)傳動(dòng)機(jī)械，使皮制鼓風(fēng)囊連續(xù)開(kāi)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(guó)2/7/202336真州船閘北宋（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(lèi)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(jiàn)》、《兩河經(jīng)略》和《河防一攬》。流量

清朝雍正年間，何夢(mèng)瑤在《算迪》一書(shū)中提出流量等于過(guò)水?dāng)嗝婷娣e乘以斷面平均流速的計(jì)算方法。

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

錢(qián)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(dòng)力、制導(dǎo)、氣動(dòng)力、結(jié)構(gòu)、材料、計(jì)算機(jī)、質(zhì)量控制和科技管理等領(lǐng)域的豐富知識(shí)，為中國(guó)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(guó)科學(xué)院自然科學(xué)一等獎(jiǎng)，1979年獲美國(guó)加州理工學(xué)院杰出校友獎(jiǎng)，1985年獲國(guó)家科技進(jìn)步獎(jiǎng)特等獎(jiǎng)。1989年獲小羅克維爾獎(jiǎng)?wù)潞褪澜缂?jí)科學(xué)與工程名人稱(chēng)號(hào)，1991年被國(guó)務(wù)院、中央軍委授予“國(guó)家杰出貢獻(xiàn)科學(xué)家”榮譽(yù)稱(chēng)號(hào)和一級(jí)英模獎(jiǎng)?wù)隆Ａ黧w力學(xué)在中國(guó)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(gè)方面即愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)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(jī)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(xiàn)坐標(biāo)的葉輪機(jī)械三元流動(dòng)的基本方程及其解法》兩篇論文中所建立的葉輪機(jī)械三元流理論，至今仍是國(guó)內(nèi)外許多優(yōu)良葉輪機(jī)械設(shè)計(jì)計(jì)算的主要依據(jù)。流體力學(xué)在中國(guó)三、流體力學(xué)的研究方法目前，解決流體力學(xué)問(wèn)題主要有一）實(shí)驗(yàn)方法(1)對(duì)所給定的問(wèn)題，選擇適當(dāng)?shù)臒o(wú)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(yàn)條件，其中包括模型的設(shè)計(jì)制造與設(shè)備儀器的選擇使用等；(3)制訂試驗(yàn)方案并進(jìn)行試驗(yàn)；(4)整理和分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并與其他方法或其他著者所得的結(jié)果進(jìn)行比較等。優(yōu)點(diǎn)：能直接解決生產(chǎn)中的復(fù)雜問(wèn)題，能發(fā)現(xiàn)流動(dòng)中的新現(xiàn)象和新原理，它的結(jié)果可以作為檢驗(yàn)其他方法是否正確的依據(jù)．缺點(diǎn)：對(duì)不同情況．需作不同的實(shí)驗(yàn)，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(jiǎn)化的數(shù)學(xué)模型，即根據(jù)所給問(wèn)題的特點(diǎn)，作出一定的假定，并用以簡(jiǎn)化一般的流體運(yùn)動(dòng)方程組和初始條件與邊界條件；(2)用分析方法求此簡(jiǎn)化后的初值問(wèn)題或邊值問(wèn)題的分析解；(3)選取適當(dāng)?shù)乃憷梅治鼋膺M(jìn)行具體的數(shù)值計(jì)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(jìn)行比較，以檢驗(yàn)簡(jiǎn)化模型的合理性．優(yōu)點(diǎn)：分析能明確地給出了各種物理與流動(dòng)參量之間的變化關(guān)系，有較好的普適性。缺點(diǎn)：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(duì)一般的流體運(yùn)動(dòng)方程，初始或邊界條件，進(jìn)行必要的簡(jiǎn)化或改寫(xiě)；(2)選用適當(dāng)?shù)臄?shù)值方法，對(duì)簡(jiǎn)化或改寫(xiě)的初值問(wèn)題或邊值問(wèn)題進(jìn)行離散化；(3)編制程序，選取算例，進(jìn)行具體計(jì)算，并將所得結(jié)果繪制成圖表；(4)將算例結(jié)果與實(shí)驗(yàn)或其他計(jì)算方法結(jié)果，進(jìn)行比較。優(yōu)點(diǎn)：許多用分析法無(wú)法求解的問(wèn)題，用此法可以求得它們的數(shù)值解．如果計(jì)算機(jī)的速度與容量繼續(xù)提高，計(jì)算方法不斷改進(jìn)，它所起的作用，將愈來(lái)愈大，但其是一種近似方法，其結(jié)果仍應(yīng)與實(shí)驗(yàn)或其它精確結(jié)果進(jìn)行比較。缺點(diǎn)：對(duì)復(fù)雜而又缺乏完善數(shù)學(xué)模型的問(wèn)題，仍無(wú)能為力。2/7/2023422/7/202343穿過(guò)厚紙片的子彈的激波飛機(jī)激波航天飛機(jī)周?chē)募げ?/7/202344渦街液滴落在液面時(shí)的瞬間2/7/202345協(xié)和式飛機(jī)著陸時(shí)的流場(chǎng)有攻角的錐頭背風(fēng)面的渦2/7/202346噴氣式飛機(jī)外流場(chǎng)機(jī)艙內(nèi)空調(diào)氣體流動(dòng)模擬效果圖2/7/202347寶馬轎車(chē)的外流場(chǎng)顯示圖車(chē)廂內(nèi)的空氣流場(chǎng)2/7/202348海上石油平臺(tái)的空氣外流場(chǎng)四、單位制SI國(guó)際單位制長(zhǎng)度（米）m；質(zhì)量（千克）kg；時(shí)間（秒）s；