《流体力学》 第1章 绪论

第1章绪论过程装备与控制工程教研室1工程流体力学过程装备与控制工程教研室李洪亮第1章绪论过程装备与控制工程教研室2你想知道高尔夫球飞得远应表面光滑还是粗糙吗？你想知道汽车阻力来至前部还是尾部吗？你想知道机翼升力来至下部还是上部吗？你想知道同一容器上同高同径孔口和管嘴泄流谁的流速大、谁的流量大吗？………第1章绪论过程装备与控制工程教研室3《工程流体力学》是热能与动力工程等专业的一门重要的专业基础课，它为学好专业课和今后从事专业技术工作以及科学研究工作打下必要的流体力学基础。第1章绪论过程装备与控制工程教研室4课程安排计划学时：64周学时：4课程性质：必修考试（考查）方式：考试第1章绪论过程装备与控制工程教研室5使用教材：孔珑主编《流体力学》，高等教育出版社参考教材：黄卫星主编《工程流体力学》，化学工业出版社陈卓如主编《工程流体力学》，高等教育出版社张也影主编《流体力学》，高等教育出版社吴望一主编《流体力学》，北京大学出版社第1章绪论过程装备与控制工程教研室6本课程的内容第1章绪论第2章流体静力学第3章流体运动学和动力学基础第4章相似原理和量纲分析第5章管流损失和水力计算第6章气体的一维定常流动第7章理想流体多维流动基础第8章粘性流体多维流动基础第1章绪论过程装备与控制工程教研室7高尔夫球表面为什么有很多小凹坑？最早的高尔夫球现在的高尔夫球第1章绪论过程装备与控制工程教研室8高尔夫球表面为什么有很多小凹坑？高尔夫球表面之所以设计有许多小凹坑，其目的是让高尔夫球飞得更远。高尔夫球表面的小凹坑可以减少空气的阻力，增加球的升力。通常说来，尾流范围越小，球体后方的压力就越大，空气对球的阻力就越小。高尔夫球的自旋大约提供了一半的升力，另外一半则是来自小凹坑。第1章绪论过程装备与控制工程教研室9汽车阻力来自前部还是后部？汽车发明于19世纪末，当时人们认为汽车的阻力主要来自前部对空气的撞击，因此早期的汽车后部是陡峭的，称为箱型车，阻力系数CD很大，约为0.8。第1章绪论过程装备与控制工程教研室10汽车阻力来自前部还是后部？实际上汽车阻力主要来自后部形成的尾流，称为形状阻力。第1章绪论过程装备与控制工程教研室11汽车阻力来自前部还是后部？20世纪30年代起，人们开始运用流体力学原理改进汽车尾部形状，出现甲壳虫型，阻力系数降至0.6。第1章绪论过程装备与控制工程教研室12汽车阻力来自前部还是后部？20世纪50－60年代改进为船型，阻力系数为0.45。第1章绪论过程装备与控制工程教研室13汽车阻力来自前部还是后部？80年代经过风洞实验系统研究后，又改进为鱼型，阻力系数为0.3。第1章绪论过程装备与控制工程教研室14汽车阻力来自前部还是后部？以后进一步改进为楔型，阻力系数为0.2。第1章绪论过程装备与控制工程教研室15汽车阻力来自前部还是后部？90年代后，科研人员研制开发的未来型汽车，阻力系数仅为0.137。第1章绪论过程装备与控制工程教研室16汽车阻力来自前部还是后部？经过近80年的研究改进，汽车阻力系数从0.8降至0.137，阻力减小为原来的1/5。目前，在汽车外形设计中流体力学性能研究已占主导地位，合理的外形使汽车具有更好的动力学性能和更低的耗油率。第1章绪论过程装备与控制工程教研室17机翼升力来至下部还是上部？第1章绪论过程装备与控制工程教研室18第1章绪论第1章绪论过程装备与控制工程教研室19本章内容1.1流体力学发展史简述1.2流体力学的研究内容、研究方法和应用1.3流体的定义和特征连续介质模型1.4作用在流体上的力1.5流体的主要物理性质第1章绪论过程装备与控制工程教研室201.1流体力学发展史简述第1章绪论过程装备与控制工程教研室21流体力学在中国大禹治水4000多年前的大禹治水，说明我国古代已有大规模的治河工程。(公元前256-210年)秦代，在公元前256-前210年间便修建了都江堰、郑国渠、灵渠三大水利工程，说明当时对明槽水流和堰流流动规律的认识已经达到相当水平。龙首渠（公元前156-前87）西汉武帝时期，为引洛水灌溉农田，在黄土高原上修建了龙首渠，创造性地采用了井渠法，即用竖井沟通长十余里的穿山隧洞，有效地防止了黄土的塌方。第1章绪论过程装备与控制工程教研室22流体力学在中国水利风力机械在古代，以水为动力的简单机械也有了长足的发展，例如用水轮提水，或通过简单的机械传动去碾米、磨面等。东汉杜诗任南阳太守时（公元37年）曾创造水排（水力鼓风机），利用水力，通过传动机械，使皮制鼓风囊连续开合，将空气送入冶金炉，较西欧约早了一千一百年。第1章绪论过程装备与控制工程教研室23流体力学在中国真州船闸北宋（960-1126）时期，在运河上修建的真州船闸与十四世纪末荷兰的同类船闸相比，约早三百多年。潘季顺明朝的水利家潘季顺（1521-1595）提出了“筑堤防溢，建坝减水，以堤束水，以水攻沙”和“借清刷黄”的治黄原则，并著有《两河管见》、《两河经略》和《河防一揽》。流量清朝雍正年间，何梦瑶在《算迪》一书中提出流量等于过水断面面积乘以断面平均流速的计算方法。第1章绪论过程装备与控制工程教研室24流体力学在中国李冰（公元前302-235）第1章绪论过程装备与控制工程教研室25流体力学在中国钱学森浙江省杭州市人，他在火箭、导弹、航天器的总体、动力、制导、气动力、结构、材料、计算机、质量控制和科技管理等领域的丰富知识，为中国火箭导弹和航天事业的创建与发展作出了杰出的贡献。1957年获中国科学院自然科学一等奖1979年获美国加州理工学院杰出校友奖1985年获国家科技进步奖特等奖1989年获小罗克维尔奖章和世界级科学与工程名人称号1991年被国务院、中央军委授予“国家杰出贡献科学家”荣誉称号和一级英模奖章第1章绪论过程装备与控制工程教研室26流体力学在中国周培源（1902－1993）1902年8月28日出生，江苏宜兴人。理论学家、流体力学家，主要从事物理学的基础理论中难度最大的两个方面（即爱因斯坦广义相对论引力论和流体力学中的湍流理论）的研究与教学，并取得出色成果。第1章绪论过程装备与控制工程教研室27流体力学在中国吴仲华（WuZhonghua）在1952年发表的《在轴流式、径流式和混流式亚声速和超声速叶轮机械中的三元流普遍理论》和在1975年发表的《使用非正交曲线坐标的叶轮机械三元流动的基本方程及其解法》两篇论文中所建立的叶轮机械三元流理论，至今仍是国内外许多优良叶轮机械设计计算的主要依据。第1章绪论过程装备与控制工程教研室28流体力学的西方史阿基米德（Archimedes，公元前287-212）古希腊数学家、力学家，静力学和流体静力学的奠基人《论浮体》历史上有记载的最早从事流体力学现象研究第1章绪论过程装备与控制工程教研室29流体力学的西方史列奥纳德.达.芬奇（Leonardo.da.Vinci,1452-1519）著名物理学家和艺术家设计建造了一小型水渠，系统地研究了物体的沉浮、孔口出流、物体的运动阻力以及管道、明渠中水流等问题。第1章绪论过程装备与控制工程教研室30流体力学的西方史伽利略（Galileo,1564-1642）在流体静力学中应用了虚位移原理，并首先提出，运动物体的阻力随着流体介质密度的增大和速度的提高而增大。第1章绪论过程装备与控制工程教研室31流体力学的西方史托里析利（E.Torricelli,1608-1647）论证了孔口出流的基本规律第1章绪论过程装备与控制工程教研室32流体力学的西方史帕斯卡（B.Pascal,1623-1662）提出了密闭流体能传递压强的原理--帕斯卡原理。第1章绪论过程装备与控制工程教研室33流体力学的西方史牛顿（1642-1727）英国伟大的数学家、物理学家、天文学家和自然哲学家。流体粘性牛顿内摩擦定律第1章绪论过程装备与控制工程教研室34流体力学的西方史伯努利（D.Bernoulli，1700－1782）瑞士科学家，曾在俄国彼得堡科学院任教。在流体力学、气体动力学、微分方程和概率论等方面都有重大贡献，是理论流体力学的创始人。伯努利方程第1章绪论过程装备与控制工程教研室35流体力学的西方史欧拉（L.Euler，1707－1783）瑞士数学家、力学家、天文学家、物理学家，变分法的奠基人，复变函数论的先驱者，理论流体力学的创始人。连续介质模型理想流体平衡微分方程理想流体运动微分方程第1章绪论过程装备与控制工程教研室36流体力学的西方史拉格朗日（J.-L.Lagrange,1736－1813）提出了新的流体动力学微分方程，使流体动力学的解析方法有了进一步发展。严格地论证了速度势的存在，并提出了流函数的概念，为应用复变函数去解析流体定常的和非定常的平面无旋运动开辟了道路。第1章绪论过程装备与控制工程教研室37流体力学的西方史纳维（C.L.M.H.Navier，1785-1836）斯托克斯（G.G.Stokes,1819-1903）纳维首先提出了不可压缩粘性流体的运动微分方程组。斯托克斯严格地导出了这些方程，并把流体质点的运动分解为平动、转动、均匀膨胀或压缩及由剪切所引起的变形运动。后来引用时，便统称该方程为纳维-斯托克斯方程。第1章绪论过程装备与控制工程教研室38流体力学的西方史雷诺（O.Reynolds，1842-1912）英国力学家、物理学家和工程师，杰出的实验科学家。层流与紊流——雷诺数雷诺应力第1章绪论过程装备与控制工程教研室39流体力学的西方史卡门(T.vonKármán，1881-1963)美国著名空气动力学家卡门涡街解释机翼张线的线鸣、水下螺旋桨的嗡鸣第1章绪论过程装备与控制工程教研室40流体力学的西方史普朗特（L.Prandtl，1875－1953）德国力学家，现代流体力学的创始人之一。边界层理论、风洞实验技术、机翼理论、紊流理论等方面都作出了重要的贡献，被称作空气动力学之父。第1章绪论过程装备与控制工程教研室41流体力学的西方史谢才（A.deChézy法国）在1755年便总结出明渠均匀流公式--谢才公式，一直沿用至今。第1章绪论过程装备与控制工程教研室42流体力学的西方史瑞利（L.J.W.Reyleigh，1842-1919）在相似原理的基础上，提出了实验研究的量纲分析法中的一种方法--瑞利法。第1章绪论过程装备与控制工程教研室43流体力学的西方史儒科夫斯基（Н.Е.Жуковский,1847-1921）二维升力理论、螺旋桨的涡流理论以及低速翼型和螺旋桨桨叶剖面等。对空气动力学的理论和实验研究都有重要贡献，为近代高效能飞机设计奠定了基础。第1章绪论过程装备与控制工程教研室44流体力学的西方史弗劳德（W.Froude，1810-1879）对船舶阻力和摇摆的研究颇有贡献，他提出了船模试验的相似准则数——弗劳德数，建立了现代船模试验技术的基础。第1章绪论过程装备与控制工程教研室45流体力学的西方史亥姆霍兹（H.vonHelmholtz,1821-1894）基尔霍夫（G.R.Kirchhoff,1824-1887）对旋涡运动和分离流动进行了大量的理论分析和实验研究，提出了表征旋涡基本性质的旋涡定理、带射流的物体绕流阻力等学术成就。第1章绪论过程装备与控制工程教研室46流体力学的西方史斯蒂文（S.Stevin,1548-1620）将用于研究固体平衡的凝结原理转用到流体上。达朗伯（J.leR.d‘Alembert,1717－1783）1744年提出了达朗伯疑题（又称达朗伯佯谬），即在理想流体中运动的物体既没有升力也没有阻力。从反面说明了理想流体假定的局限性。库塔（M.W.Kutta，1867-1944）1902年就曾提出过绕流物体上的升力理论，但没有在通行的刊物上发表