1、流體力學(xué),湯云峰,課程簡介,課程類別：專業(yè)基礎(chǔ)課（必修） 學(xué)時：80（講授70，實驗10） 學(xué)分：5 先修課程：高等數(shù)學(xué)、大學(xué)物理、數(shù)學(xué)物理方法、理論力學(xué)。 后續(xù)課程：物理海洋學(xué)、計算流體力學(xué)、大氣物理學(xué)。 其他： 注冊工程師考試必考科目; 研究生入學(xué)考試必考或選考科目之一。,教材及參考書,教材： 流體力學(xué)基礎(chǔ)，呂華慶等，浙江科學(xué)技術(shù)出版社 教學(xué)參考書 ： 流體力學(xué)，李心銘，青島海洋大學(xué)出版社 流體力學(xué)，吳望一，北京大學(xué)出版社 流體力學(xué)，F(xiàn)rank M. White 成績評定： 平時成績占：20， 期中考核占總分：無， 實驗成績占總分：20， 期末成績占總分：60。,教學(xué)基本目的,通過本課程的

2、學(xué)習(xí)，使學(xué)生系統(tǒng)掌握流體運動的一般規(guī)律及其有關(guān)的基本概念、基本理論、基本方法和基本實驗技能，為以后的專業(yè)知識的學(xué)習(xí)，打下牢固的基礎(chǔ)。,流體力學(xué)與海洋學(xué)的關(guān)系,動力海洋學(xué)的研究目的是研究海水的運動以及海水的變化規(guī)律，一個重要途徑是聯(lián)系流體動力學(xué)和熱力學(xué)的基本方程來做出海洋要素的預(yù)報，并進一步建立整個海況的預(yù)報系統(tǒng)。 海洋學(xué)的研究對象是海洋，動力海洋學(xué)是研究宏觀海水的力學(xué)。因此動力海洋學(xué)是流體力學(xué)的具體應(yīng)用和發(fā)展。 目前動力海洋學(xué)的研究仍大多集中于在準(zhǔn)確的流體動力學(xué)方程和一定的邊界條件的基礎(chǔ)上來解決海水動力學(xué)問題。 就目前來看，將流體力學(xué)方法引入動力海洋學(xué)的研究應(yīng)用之中至少是一種正確的方向。,流體

3、力學(xué)在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用,空間飛行器、水上水下運動物體的運動阻力研究； 河流、管道內(nèi)流體流動規(guī)律及流體與邊界作用力的研究，可以獲得耗能少安全性高的工程設(shè)計； 動力設(shè)備中的各個運行器件中的流動現(xiàn)象的研究，通過了解其運動傳熱傳質(zhì)規(guī)律，可以提高系統(tǒng)運行的效率； 流體機械中的流動研究可以提高機械的性能； 土建與水利工程領(lǐng)域的研究。 土木領(lǐng)域 水利工程 建筑環(huán)境與設(shè)備工程,本課程的研究內(nèi)容,分類： 流體靜力學(xué)、流體運動學(xué)、流體動力學(xué)； 理想流體力學(xué)、粘性流體力學(xué)、不可壓縮流體力學(xué)、可壓縮流體力學(xué)、牛頓流體力學(xué)、非牛頓流體力學(xué)； 研究方向： 大氣海洋的運動規(guī)律大氣物理學(xué)、物理海洋學(xué)； 航空航天飛行器空氣動

4、力學(xué)、氣體動力學(xué)； 石油天然氣的開采、地下水的開發(fā)利用滲流理論； 燃燒、爆炸燃燒理論、爆炸力學(xué)； 沙漠遷移、河流泥沙運動、管道煤粉輸送等輸運理論、多相流體動力學(xué)； 流體的切割、清洗、高壓水射流技術(shù)射流理論； 磁流體密封、潤滑電磁流體理論； 環(huán)境流體力學(xué)、生物流變學(xué)等。,研究方法,主要步驟： 對所給定的問題，選擇適當(dāng)?shù)臒o量綱相似參數(shù)，確定其大小范圍； 準(zhǔn)備試驗條件，包括模式的設(shè)計制造及設(shè)備選型； 制定試驗方案進行試驗； 整理分析試驗結(jié)果。 優(yōu)缺點； 優(yōu)點：能直接解決生產(chǎn)中的復(fù)雜問題，能發(fā)現(xiàn)流動中的新現(xiàn)象和新原理，他的結(jié)果能作為檢驗其他方法是否正確的依據(jù)。 缺點：對不同的情況，需要做不同的實驗，也

5、就是所的結(jié)果普適性比較差。,流體力學(xué)的研究方法主要有實驗方法、分析方法和數(shù)值計算。,實驗方法,分析方法,主要步驟： 建立簡化的數(shù)學(xué)模型，即根據(jù)所給的問題的特點，做出假定，并用簡化的流體運動方程組和初始條件與邊界條件； 用分析方法求次簡化后的初值問題或邊值問題的分析解； 選取適當(dāng)?shù)乃憷?，利用分析解進行計算； 對所得的計算結(jié)果進行分析，驗證簡化模型的合理性。 優(yōu)缺點： 優(yōu)點：分析解明確的給出了各種物理與流動參量直接的變化關(guān)系，有較好的普適性； 缺點：數(shù)學(xué)上的困難很大，能獲得分析解的數(shù)量有限。,數(shù)值方法,主要步驟： 對一般的流體運動方程，初始和邊界條件進行必要的簡化或改寫； 選用適當(dāng)?shù)臄?shù)值方法，對簡

6、化或改寫的初值問題或邊值問題進行離散簡化； 編制程序，選取算例，進行具體計算，并將結(jié)果繪成圖表； 將所得結(jié)果與其他結(jié)果進行比較，驗證其正確性。 優(yōu)缺點： 許多用分析方法無法進行求解的問題，用數(shù)值方法可以求得數(shù)值解。 對復(fù)雜而又缺乏完善數(shù)學(xué)模型的問題，仍無能為力。,綜述：三種方法各有優(yōu)缺點，它們互相補充，應(yīng)綜合采用。,流體力學(xué)的發(fā)展歷史,流體力學(xué)和其他學(xué)科一樣，是人類為了滿足自身生活和生產(chǎn)的需要，在認(rèn)識和改造自然的斗爭中，隨著實踐經(jīng)驗的不斷積累，技術(shù)與知識水平的逐漸提高才開始形成的。 流體力學(xué)的發(fā)展主要經(jīng)歷以下幾個方面： 第一階段（16世紀(jì)以前）：流體力學(xué)形成的萌芽階段； 第二階段（16世紀(jì)文藝

7、復(fù)興以后-19世紀(jì)末）流體力學(xué)的初步形成與發(fā)展階段 第三階段（20世紀(jì)初到中葉）流體力學(xué)飛躍發(fā)展。 第四階段（20世紀(jì)中葉以來）各種分支交叉學(xué)科發(fā)展活躍,第一階段（16世紀(jì)以前）：,弓箭、灌溉、船只、水鐘的出現(xiàn)說明了人們已經(jīng)開始初步認(rèn)識并利用流體； 公元前2286年公元前2278年大禹治水； 公元前300多年 李冰都江堰； 隋朝修建了南北大運河、船閘應(yīng)用； 埃及、巴比倫、羅馬、希臘、印度等地水利、造船、航海產(chǎn)業(yè)發(fā)展； 古希臘哲學(xué)家阿基米德論浮體（公元前250年）奠定了流體靜力學(xué)的基礎(chǔ) 15世紀(jì)達芬奇描述了一些重要流動現(xiàn)象，敘述了定常流動的連續(xù)性原理。,流體力學(xué)形成的萌芽階段,禹之決瀆也，因水以

8、為師。,大禹治水,都江堰,1638年 伽利略將實驗方法引入力學(xué)用以研究運動物體的阻力 1647年 帕斯卡、托里拆利流體靜力學(xué)基本公式 1686年 牛頓牛頓內(nèi)摩擦定律 1732年 皮托皮托管 1738年 伯努利伯努利方程(定常運動v,p,z之間關(guān)系) 1748年 羅蒙諾索夫質(zhì)量守恒定律 1752年 達朗伯達朗伯佯謬 1775年 歐拉理想流體運動方程即歐拉運動微分方程 1781年 拉格朗日首先引進了流函數(shù)的概念,第二階段（16世紀(jì)文藝復(fù)興以后-19世紀(jì)末）,流體力學(xué)的初步形成與發(fā)展階段,第二階段（16世紀(jì)文藝復(fù)興以后-19世紀(jì)末）,1823年納維，1845年斯托克斯分別提出粘性流體運動方程組； 1

9、839年哈根、1840年泊肅葉發(fā)表了細(xì)小圓管流動結(jié)果； 1845年海姆霍茲引進一系列有關(guān)渦旋的理論，提出海姆霍茲第一、第二定理，1860年又將運動分解移動、轉(zhuǎn)到、變形三種； 1883年雷諾發(fā)現(xiàn)流動有層流與湍流兩種狀態(tài)，引進雷諾數(shù)； 實驗進展： 1872年W弗勞德主持建造了一座供船舶實驗用的水池； 1884年H菲利普斯改造了第一座低速風(fēng)洞，并投入使用； 1896年和1899年第一座水洞和第一個激波管建成。,理論分析與試驗研究相結(jié)合，主要圍繞航空航天事業(yè)進行。 量綱分析和相似性原理起重要作用 1903年普朗特邊界層概念（繞流運動） 儒科夫斯基、恰普雷金等機翼理論。,第三階段（20世紀(jì)初到中葉）,流

10、體力學(xué)飛躍發(fā)展,20世紀(jì)60年代以后計算流體力學(xué)得到了迅速的發(fā)展。流體力學(xué)內(nèi)涵不斷地得到了充實與提高。 流體力學(xué)的研究內(nèi)容有了明顯的轉(zhuǎn)變，與相關(guān)學(xué)科形成許多新分支或交叉學(xué)科。如計算流體力學(xué)、實驗流體力學(xué)、磁流體力學(xué)、生物流體力學(xué)、多相流體力學(xué)、天體物理流體力學(xué)、環(huán)境流體力學(xué)、非牛頓流體力學(xué)、滲流力學(xué)等。,第四階段（20世紀(jì)中葉以來）,各種分支交叉學(xué)科發(fā)展活躍,丹伯努利（Daniel Bernoull，1700-1782）：瑞士科學(xué)家，曾在俄國彼得堡科學(xué)院任教，他在流體力學(xué)、氣體動力學(xué)、微分方程和概率論等方面都有重大貢獻，是理論流體力學(xué)的創(chuàng)始人。 伯努利以流體動力學(xué)（1738）一書著稱于世，書中

11、提出流體力學(xué)的一個定理，反映了理想流體（不可壓縮、不計粘性的流體）中能量守恒定律。這個定理和相應(yīng)的公式稱為伯努利定理和伯努利公式。 他的固體力學(xué)論著也很多。他對好友L 歐拉提出建議，使歐拉解出彈性壓桿失穩(wěn)后的形狀，即獲得彈性曲線的精確結(jié)果。1733-1734年他和歐拉在研究上端懸掛重鏈的振動問題中用了貝塞爾函數(shù)，并在由若干個重質(zhì)點串聯(lián)成離散模型的相應(yīng)振動問題中引用了拉格爾多項式。他在1735年得出懸臂梁振動方程；1742年提出彈性振動中的疊加原理，并用具體的振動試驗進行驗證；他還考慮過不對稱浮體在液面上的晃動方程等。,丹伯努利,達芬奇,達芬奇（Leonardo da Vinci, 1452-1

12、519）：意大利文藝復(fù)興時期的美術(shù)家、自然科學(xué)家、工程師，使力學(xué)理論的奠基者，為水力學(xué)、流體力學(xué)古典理論的形成做出了重要貢獻。 他的哲學(xué)思想接近唯物主義，認(rèn)為世界的一切都服從客觀的必然性規(guī)律，認(rèn)識起源于感覺，同時也指出理論概括的重要性。他強調(diào)數(shù)學(xué)和力學(xué)是自然科學(xué)的基礎(chǔ)。在軍事、水利、土木、機械工程等方面有許多重要的設(shè)想和發(fā)現(xiàn)。 達芬奇的力學(xué)研究并不只限于理論上。他還運用力學(xué)和機械原理設(shè)計了許多機器和器械，參加了運河、水利和建筑工程的設(shè)計和施工。他通過對鳥翼運動的研究，于1493年首次設(shè)計出一個飛行器。 他在水力學(xué)方面寫有許多重要手稿，并在他死后以水的運動與測量為題出版。,L歐拉,L歐拉（Leo

13、nhard Euler ，1707-1783）：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。 歐拉曾任彼得堡科學(xué)院教授，柏林科學(xué)院的創(chuàng)始人之一。他是剛體力學(xué)和流體力學(xué)的奠基者，彈性系統(tǒng)穩(wěn)定性理論的開創(chuàng)人。他認(rèn)為質(zhì)點動力學(xué)微分方程可以應(yīng)用于液體（1750）。他曾用兩種方法來描述流體的運動，即分別根據(jù)空間固定點（1755）和根據(jù)確定的流體質(zhì)點（1759）描述流體速度場。前者稱為歐拉法，后者稱為拉格朗日法。歐拉奠定了理想流體的理論基礎(chǔ)，給出了反映質(zhì)量守恒的連續(xù)方程（1752）和反映動量變化規(guī)律的流體動力學(xué)方程（1755）。 歐拉在固體力學(xué)方面的著

14、述也很多，諸如彈性壓桿失穩(wěn)后的形狀，上端懸掛重鏈的振動問題，等等。 歐拉的專著和論文多達800多種。,阿基米德介紹,Archimedes （約公元前287前212），古希臘科學(xué)家。阿基米德曾到埃及的亞歷山大，在歐幾里得開辦的數(shù)學(xué)學(xué)校學(xué)習(xí)?；財⒗藕螅瑥氖聰?shù)學(xué)、力學(xué)、機械的研究。公元前213前212年，羅馬進攻敘拉古，阿基米德利用力學(xué)原理制造機械保衛(wèi)城市。約公元前 212年羅馬軍占領(lǐng)敘拉古時，他被殺害。 阿基米德確立了靜力學(xué)和流體靜力學(xué)的基本原理，證明物體在液體中所受浮力等于它所排開液體的重量，這一結(jié)果后被稱為阿基米德原理。他還給出正拋物旋轉(zhuǎn)體浮在液體中平衡穩(wěn)定的判據(jù)。阿基米德發(fā)明的機械有引水用

15、的水螺旋，能牽動滿載大船的杠桿滑輪機械，能說明日食、月食現(xiàn)象的地球-月球-太陽運行模型。但他認(rèn)為機械發(fā)明比純數(shù)學(xué)低級，因而沒寫這方面的著作。阿基米德還采用不斷分割法求橢球體、旋轉(zhuǎn)拋物體等的體積，這種方法已具有積分計算的雛形。關(guān)于流體靜力學(xué)原理的著作有論浮體（上、下卷）。,拉格朗日簡介,Joseph-Louis Lagrange (17361813)， 法國力學(xué)家、數(shù)學(xué)家。 1736年1月25日生于意大利都靈，1813年4月10日卒于巴黎。拉格朗日20歲以前在都靈炮兵學(xué)校教數(shù)學(xué)課。1756年被選為柏林科學(xué)院外籍院士。1766年去柏林科學(xué)院接替L.歐拉，擔(dān)任物理數(shù)學(xué)部主任，直到1787年離柏林到巴

16、黎定居為止。1789年法國革命后，他從事度量衡米制改革,擔(dān)任法國經(jīng)度局委員，并講授課程。1795年巴黎綜合工科學(xué)校成立，他和該校創(chuàng)立者G.蒙日(17461818)一起擔(dān)任主要的數(shù)學(xué)教員。他被拿破侖任命為參議員，封為伯爵。死后葬于巴黎先賢祠。,拉格朗日是分析力學(xué)的奠基人。他在所著分析力學(xué)(1788)中， 吸收并發(fā)展了歐拉、J.le R.達朗伯等人的研究成果，應(yīng)用數(shù)學(xué)分析解決質(zhì)點和質(zhì)點系（包括剛體、流體）的力學(xué)問題。他在總結(jié)靜力學(xué)的各種原理，包括他1764年建立的虛速度原理的基礎(chǔ)上提出分析靜力學(xué)的一般原理，即虛功原理，并同達朗伯原理結(jié)合而得到動力學(xué)普遍方程。對于有約束的力學(xué)系統(tǒng)，他采用適當(dāng)?shù)淖儞Q，引入廣義坐標(biāo)，得到一般的運動方程，即第一類和第二類拉格朗日方程。全書用數(shù)學(xué)分析形式寫成，沒有一幅圖，故名分析力學(xué)。 拉格朗日繼歐拉之后研究過理想流體運動方程，并最先提出速度勢和流函數(shù)的概念，成為流體無旋運動理論的基礎(chǔ)。他在分析力學(xué)中從動力學(xué)普遍方程導(dǎo)出的流體運動方程，著眼于流體質(zhì)點，描述每個流體質(zhì)點自始至終的運動過程。這種方法現(xiàn)在稱