熱能與動力工程教研室王發(fā)輝工程流體力學流體力學與雖然生活在流體環(huán)境中，人們對一些流體運動卻缺乏認識，比方：1.高爾夫球：外表光滑還是粗糙？2.汽車阻力：來自前部還是后部？3.機翼升力：來自下部還是上部？高爾夫球運動起源于15世紀的蘇格蘭。最早的高爾夫球〔皮革已龜裂〕起初，人們認為外表光滑的球飛行阻力小，因此當時用皮革制球。后來發(fā)現(xiàn)外表有很多劃痕的舊球反而飛得更遠。這個謎直到20世紀建立流體力學邊界層理論后才解開。光滑的球和非光滑球比照現(xiàn)在的高爾夫球外表有許多窩，在同樣大小和重量下，飛行距離為光滑球的5倍。汽車阻力汽車創(chuàng)造于19世紀末。當時人們認為汽車高速前進時的阻力主要來自車前部對空氣的撞擊。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0.8實際上，汽車阻力主要取決于后部形成的尾流。20世紀30年代起，人們開始運用流體力學原理，改進了汽車的尾部形狀，出現(xiàn)了甲殼蟲型，阻力系數(shù)下降至0.6。50～60年代又改進為船型，阻力系數(shù)為0.45。80年代經(jīng)風洞實驗系統(tǒng)研究后，進一步改進為魚型，阻力系數(shù)為0.3。后來又出現(xiàn)楔型，阻力系數(shù)為0.2。90年代以后，科研人員研制開發(fā)了氣動性能更優(yōu)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)了氣動性能更優(yōu)良的未來型汽車，阻力系數(shù)僅為0.137。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。

機翼升力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。

19世紀初流體力學環(huán)流理論徹底改變了人們的傳統(tǒng)觀念。脫體渦量與機翼環(huán)量大小相等方向相反

足球運動的香蕉球現(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，促使足球拐彎，稱為馬格努斯效應。機翼的特殊形狀使它不用旋轉(zhuǎn)就能產(chǎn)生環(huán)流，上部流速加快形成吸力，下部流速減慢形成壓力。測量和計算說明上部吸力的奉獻比下部要大。NACA2412翼型在7.4度攻角時的壓強分布

豐富多彩的流動圖案背后隱藏著復雜的力學規(guī)律，有些動物具有巧妙運用這些規(guī)律的本領。

地球外表水和空氣的運動是氣象、水文、水利、環(huán)保、農(nóng)業(yè)、航空、航海、漁業(yè)、國防等部門研究的對象。航空、航天、造船、機械、動力、冶金、化工、石油、建筑等部門設備中的工作介質(zhì)都是流體，改進流程，提高效率，需要流體力學知識。觀看錄像流體力學與流體力學也是眾多應用科學和工程技術的根底。由于空氣動力學的開展，人類研制出3倍聲速的戰(zhàn)斗機。F-15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。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。

排水量達50萬噸以上的超大型運輸船時速達200公里的新型地效艇等，它們的設計都建立在水動力學，船舶流體力學的根底之上。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。氣輪機葉片大型水利樞紐工程，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。

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。

楊浦大橋總之，沒有流體力學的開展，現(xiàn)代工業(yè)和高新技術的開展是不可能的。流體力學在推動社會開展方面做出過很大奉獻，今后仍將在科學與技術各個領域發(fā)揮更大的作用。第一章緒論一、流體力學研究的內(nèi)容

流體力學是力學的一個獨立分支，是一門研究流體的平衡和流體機械運動規(guī)律及其實際應用的技術科學。流體力學所研究的根本規(guī)律，有兩大組成局部：２.流體動力學：它研究流體在運動狀態(tài)時，作用于流體上的力與運動要素之間的關系，以及流體的運動特征與能量轉(zhuǎn)換等，這一局部稱為流體動力學。

１.流體靜力學：它研究流體處于靜止〔或相對平衡〕狀態(tài)時，作用于流體上的各種力之間的關系。流體力學在研究流體平衡和機械運動規(guī)律時，要應用物理學及理論力學中有關物理平衡及運動規(guī)律的原理，如力系平衡定理、動量定理、動能定理等等。因為流體在平衡或運動狀態(tài)下，也同樣遵循這些普遍的原理。所以物理學和理論力學的知識是學習流體力學課程必要的根底。目前，根據(jù)流體力學在各個工程領域的應用，流體力學可分為以下三類：水利類流體力學：面向水工、水動、海洋等；

機械類流體力學：面向機械、冶金、化工、水機等；

土木類流體力學：面向市政、工民建、道橋、城市防洪等。

大氣類流體力學：飛機、飛行器外行的設計，天氣預報，環(huán)境污染預報等。二、流體力學的開展歷史流體力學的萌芽，是自距今約2200年以前，西西里島的希臘學者阿基米德寫的“論浮體〞一文開始的。他對靜止時的液體力學性質(zhì)作了第一次科學總結(jié)。

流體力學的主要開展是從牛頓時代開始的，1687年牛頓在名著《自然哲學的數(shù)學原理》中討論了流體的阻力、波浪運動，等內(nèi)容，使流體力學開始成為力學中的一個獨立分支。此后，流體力學的開展主要經(jīng)歷了三個階段：１.伯努利所提出的液體運動的能量估計及歐拉所提出的液體運動的解析方法，為研究液體運動的規(guī)律奠定了理論根底，從而在此根底上形成了一門屬于數(shù)學的古典“水動力學〞〔或古典“流體力學〞〕。2.在古典“水動力學〞的根底上納維和斯托克斯提出了著名的實際粘性流體的根本運動方程——納維-斯托克思方程(N-S方程)。從而為流體力學的長遠開展奠定了理論根底。但由于其所用數(shù)學的復雜性和理想流體模模型的局限性，不能滿意地解決工程問題，故形成了以實驗方法來制定經(jīng)驗公式的“實驗流體力學〞。但由于有些經(jīng)驗公式缺乏理論根底，使其應用范圍狹窄，且無法繼續(xù)開展。3.從19世紀末起，人們將理論分析方法和實驗分析方法相結(jié)合，以解決實際問題，同時古典流體力學和實驗流體力學的內(nèi)容也不斷更新變化，如提出了相似理論和量綱分析，邊界層理論和紊流理論等，在此根底上，最終形成了理論與實踐并重的研究實際流體模型的現(xiàn)代流體力學。在20世紀60年代以后，由于計算機的開展與普及，流體力學的應用更是日益廣泛。阿基米德〔Archimedes，公元前287－212〕歐美諸國歷史上有記載的最早從事流體力學現(xiàn)象研究的是古希臘學者阿基米德在公元前250年發(fā)表學術論文《論浮體》，第一個說明了相對密度的概念，發(fā)現(xiàn)了物體在流體中所受浮力的根本原理──阿基米德原理。流體力學在西方列奧納德.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。斯蒂文〔S.Stevin,1548-1620〕將用于研究固體平衡的凝結(jié)原理轉(zhuǎn)用到流體上。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。托里析利〔E.Torricelli,1608-1647〕論證了孔口出流的根本規(guī)律。

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。牛頓英國偉大的數(shù)學家、物理學家、天文學家和自然哲學家。1642年12月25日生于英格蘭林肯郡格蘭瑟姆附近的沃爾索普村，1727年3月20日在倫敦病逝。牛頓在科學上最卓越的奉獻是微積分和經(jīng)典力學的創(chuàng)立。牛頓的成就，恩格斯在《英國狀況十八世紀》中概括得最為完整："牛頓由于創(chuàng)造了萬有引力定律而創(chuàng)立了科學的天文學，由于進行了光的分解而創(chuàng)立了科學的光學，由于創(chuàng)立了二項式定理和無限理論而創(chuàng)立了科學的數(shù)學，由于認識了力的本性而創(chuàng)立了科學的力學"。伯努利〔D.Bernoulli，1700－1782〕瑞士科學家在1738年出版的名著《流體動力學》中，建立了流體位勢能、壓強勢能和動能之間的能量轉(zhuǎn)換關系──伯努利方程。在此歷史階段，諸學者的工作奠定了流體靜力學的根底，促進了流體動力學的開展。歐拉〔L.Euler，1707－1783〕經(jīng)典流體力學的奠基人，1755年發(fā)表《流體運動的一般原理》，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動微分方程，給出了不可壓縮理想流體運動的一般解析方法。他提出了研究流體運動的兩種不同方法及速度勢的概念，并論證了速度勢應當滿足的運動條件和方程。弗勞德〔W.Froude，1810-1879〕對船舶阻力和搖擺的研究頗有奉獻，他提出了船模試驗的相似準那么數(shù)--弗勞德數(shù)，建立了現(xiàn)代船模試驗技術的根底。亥姆霍茲〔H.vonHelmholtz,1821-1894〕和基爾霍夫〔G.R.Kirchhoff,1824-1887〕對旋渦運動和別離流動進行了大量的理論分析和實驗研究，提出了表征旋渦根本性質(zhì)的旋渦定理、帶射流的物體繞流阻力等學術成就。納維〔H.Navier〕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。納維（L.Navier，1785－1836，法國）斯托克斯（G.Stokes，1819－1903，英國）謝才〔A.deChézy法國〕在1755年便總結(jié)出明渠均勻流公式--謝才公式，一直沿用至今。雷諾〔O.Reynolds，1842-1912〕1883年用實驗證實了粘性流體的兩種流動狀態(tài)──層流和紊流的客觀存在，找到了實驗研究粘性流體流動規(guī)律的相似準那么數(shù)──雷諾數(shù)，以及判別層流和紊流的臨界雷諾數(shù)，為流動阻力的研究奠定了根底。瑞利〔，1842-1919英國〕在相似原理的根底上，提出了實驗研究的量綱分析法中的一種方法--瑞利法。庫塔〔，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。儒科夫斯基〔Н.Е.Жуковский,1847－1921〕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)流之間的關系，建立了二維升力理論的數(shù)學根底。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，對空氣動力學的理論和實驗研究都有重要奉獻，為近代高效能飛機設計奠定了根底。普朗特〔L.Prandtl，1875－1953〕建立了邊界層理論，解釋了阻力產(chǎn)生的機制。以后又針對航空技術和其他工程技術中出現(xiàn)的紊流邊界層，提出混合長度理論。1918-1919年間，論述了大展弦比的有限翼展機翼理論，對現(xiàn)代航空工業(yè)的開展作出了重要的奉獻?？ㄩT〔T.vonKármán，1881-1963〕在1911-1912年連續(xù)發(fā)表的論文中，提出了分析帶旋渦尾流及其所產(chǎn)生的阻力的理論，人們稱這種尾渦的排列為卡門渦街。在1930年的論文中，提出了計算紊流粗糙管阻力系數(shù)的理論公式。嗣后，在紊流邊界層理論、超聲速空氣動力學、火箭及噴氣技術等方面都有不少奉獻。流體力學在中國錢學森

錢學森〔1911－〕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(jié)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)立與開展作出了杰出的奉獻。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“國家杰出奉獻科學家〞榮譽稱號和一級英模獎章。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根底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。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。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(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應有的系數(shù)?？评詹既憧恕病吃?939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〔〕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。三、流體力學的研究方法流體力學研究方法分三個方面，它們相互配合，互為補充。

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研究方法理論分析方法實驗方法數(shù)值分析方法理論分析過程一般是：建立力學模型，用物理學根本定律推導流體力學控制方程，用數(shù)學方法求解方程，檢驗和解釋求解結(jié)果。建立模型推導方程求解方程解釋結(jié)果目前流體力學理論研究主攻方向是：湍流渦運動水動力學多相流實驗方法在相似理論指導下，建立模擬實驗裝置，用流體測量技術測量流動參數(shù)，處理分析數(shù)據(jù)可獲得反映流動規(guī)律的特定關系，發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象，檢驗理論結(jié)果。

相似理論模型試驗測量數(shù)據(jù)分析風洞試驗：上海虹口足球場風載模擬試驗水洞實驗：螺旋槳空泡

水池實驗：船模拖曳實驗測量技術有：熱線，激光測速；粒子圖象，跡線測速；高速攝影；全息照相；壓力密度溫度測量等。

激波條紋

現(xiàn)代測量技術在計算機，光學和圖象技術配合下在提高空間分辨律和實時測量方面已取得長足進展。數(shù)值分析方法隨著技算機技術的突飛猛進，過去無法求解的流體力學偏微分