工程流体力学第三版绪论

1、 第三版第三版 孔珑孔珑工程流体力学教材：教材： 孔孔 珑珑工程流体力学工程流体力学中国电力出版社中国电力出版社 参考书：参考书： 陈卓如陈卓如工程流体力学工程流体力学第二版第二版 高等教育出版社高等教育出版社 丁祖荣丁祖荣流体力学流体力学上册高等教育出版社上册高等教育出版社2003.122003.12 丁祖荣丁祖荣流体力学流体力学上册高等教育出版社上册高等教育出版社2003.122003.12学时数：学时数： 64645858（理论课）（理论课）6 6（实验课）（实验课）课程性质：课程性质：技术基础课技术基础课第一章 绪 论流流 体体 力力 学学 初初 识识 流体力学的研究内容流体力学的研究

2、内容流体力学的研究方法流体力学的研究方法主主要要内内容容第一章 绪 论流体力学发展简史流体力学发展简史流体力学与工程技术流体力学与工程技术流体力学与物体的运动流体力学与物体的运动虽然生活在流体环境中，人们对一些虽然生活在流体环境中，人们对一些流体运动却缺乏认识，比如：流体运动却缺乏认识，比如：1. 高尔夫球高尔夫球 ：表面光滑还是粗糙？表面光滑还是粗糙？2. 汽车阻力：汽车阻力： 来自前部还是后部？来自前部还是后部？3. 机翼升力机翼升力 ：来自下部还是上部？来自下部还是上部？高尔夫球运动起源于15世纪的苏格兰。最早的高尔夫球（皮革已龟裂）最早的高尔夫球（皮革已龟裂）起初，人们认为表面光滑的球

3、飞行阻力小，因此当时起初，人们认为表面光滑的球飞行阻力小，因此当时用皮革制球。用皮革制球。后来发现表面有很多划痕的旧球反而飞得更远。后来发现表面有很多划痕的旧球反而飞得更远。这个谜直到这个谜直到20世纪建立流体力学边界层理论后才解开世纪建立流体力学边界层理论后才解开。光滑的球和非光滑球对比光滑的球和非光滑球对比现在的高尔夫球表面有许多窝，在同样大小和重量下现在的高尔夫球表面有许多窝，在同样大小和重量下，飞行距离为光滑球的，飞行距离为光滑球的5倍。倍。汽车阻力汽车阻力 汽车发明于汽车发明于19世纪末。世纪末。当时人们认为汽车高速前进时的阻力主要来自车前部当时人们认为汽车高速前进时的阻力主要来自车

4、前部对空气的撞击。对空气的撞击。 因此早期的汽车后部是陡峭的，称为箱型车，阻力系因此早期的汽车后部是陡峭的，称为箱型车，阻力系数数CD很大，约很大，约0.8实际上，汽车阻力主要取决于后部形成的尾流。实际上，汽车阻力主要取决于后部形成的尾流。20世纪世纪30年代起，人们开始运用流体力学原理，改年代起，人们开始运用流体力学原理，改进了汽车的尾部形状，出现了甲壳虫型，阻力系数进了汽车的尾部形状，出现了甲壳虫型，阻力系数下降至下降至0.6。 5060年代又改进为船型，阻力系数为0.45。80年代经风洞实验系统研究后，进一步改进为鱼型，阻力系数为0.3。后来又出现楔型，阻力系数为后来又出现楔型，阻力系数

5、为0.2。 90年代以后，科研人员研制开发了气动性能更优年代以后，科研人员研制开发了气动性能更优良的未来型汽车，阻力系数仅为良的未来型汽车，阻力系数仅为0.137。90年代以后，科研人员研制开发了气动性能更优良年代以后，科研人员研制开发了气动性能更优良的未来型汽车，阻力系数仅为的未来型汽车，阻力系数仅为0.137。 目前在汽车外形设计中，流体力学性能研究已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。力学性能和更低的耗油率。 机翼升力机翼升力 人们的直观印象是空气从下面冲击着人们的直观印象是空气从

6、下面冲击着鸟的翅膀，把鸟托在空中。鸟的翅膀，把鸟托在空中。 19世纪初流体力学环流理论彻底改变了人们的传世纪初流体力学环流理论彻底改变了人们的传统观念。统观念。 脱体涡量与机翼环量大小相等方向相反脱体涡量与机翼环量大小相等方向相反 足球运动的香蕉球现象可以帮助理解环流理论：足球运动的香蕉球现象可以帮助理解环流理论： 旋转的足球带动空气形成环流，一侧气流加旋转的足球带动空气形成环流，一侧气流加速，另一侧气流减速，形成压力差，促使足速，另一侧气流减速，形成压力差，促使足球拐弯，称为球拐弯，称为马格努斯效应马格努斯效应。机翼的特殊形状使它不用旋转就能产生环流，上部流速加快形成吸力，下部流速减慢形成压

7、力。测量和计算表明上部吸力的贡献比下部要大。 NACA2412翼型在翼型在7.4度攻角时的压强分布度攻角时的压强分布 丰富多彩的流动图案背后隐藏着复杂的力学规律丰富多彩的流动图案背后隐藏着复杂的力学规律，有些动物具有巧妙运用这些规律的本领。，有些动物具有巧妙运用这些规律的本领。 地球表面水和空气的运动是气象、水文、水利、地球表面水和空气的运动是气象、水文、水利、环保、农业、航空、航海、渔业、国防等部门研环保、农业、航空、航海、渔业、国防等部门研究的对象。究的对象。 航空、航天、造船、机械、动力、冶金、化工、航空、航天、造船、机械、动力、冶金、化工、石油、建筑等部门设备中的工作介质都是流体，石油

8、、建筑等部门设备中的工作介质都是流体，改进流程，提高效率，需要流体力学知识。改进流程，提高效率，需要流体力学知识。 流体力学也是众多应用科学和工程技术的基础。由于流体力学也是众多应用科学和工程技术的基础。由于空气动力学的发展，人类研制出空气动力学的发展，人类研制出3倍声速的战斗机。倍声速的战斗机。F-15 使重量超过使重量超过3百吨，面积达半个足球场的大型民航客机百吨，面积达半个足球场的大型民航客机，靠空气的支托象鸟一样飞行成为可能，创造了人类，靠空气的支托象鸟一样飞行成为可能，创造了人类技术史上的奇迹。技术史上的奇迹。 利用超高速气体动力学，物理化学流体力学和稀薄气体力利用超高速气体动力学，

9、物理化学流体力学和稀薄气体力学的研究成果，人类制造出航天飞机，建立太空站，实现学的研究成果，人类制造出航天飞机，建立太空站，实现了人类登月的梦想。了人类登月的梦想。 排水量达排水量达50万吨以上的超大型运输船万吨以上的超大型运输船时速达时速达200公里的新型地效艇等，它们的设计都公里的新型地效艇等，它们的设计都建立在水动力学，船舶流体力学的基础之上。建立在水动力学，船舶流体力学的基础之上。 用翼栅及高温，化学，多相流动理论设计制造成功用翼栅及高温，化学，多相流动理论设计制造成功大型气轮机，水轮机，涡喷发动机等动力机械，为大型气轮机，水轮机，涡喷发动机等动力机械，为人类提供单机达百万千瓦的强大动

10、力人类提供单机达百万千瓦的强大动力 。气轮机叶片大型水利枢纽工程，超高层建筑，大跨度桥大型水利枢纽工程，超高层建筑，大跨度桥梁等的设计和建造离不开水力学和风工程。梁等的设计和建造离不开水力学和风工程。 大型水利枢纽工程，超高层建筑，大跨度大型水利枢纽工程，超高层建筑，大跨度桥梁等的设计和建造离不开水力学和风工桥梁等的设计和建造离不开水力学和风工程。程。 杨浦大桥杨浦大桥 总之，没有流体力学的发展，现代总之，没有流体力学的发展，现代工业和高新技术的发展是不可能的。工业和高新技术的发展是不可能的。 流体力学在推动社会发展方面做流体力学在推动社会发展方面做出过很大贡献，今后仍将在科学与技出过很大贡献

11、，今后仍将在科学与技术各个领域发挥更大的作用。术各个领域发挥更大的作用。公元前3世纪，中国四川都江堰水利工程公元前3世纪，中国四川都江堰水利工程鱼嘴鱼嘴宝瓶宝瓶口口飞沙飞沙堰堰公元前3世纪，阿基米德浮力定律 阿基米德（阿基米德（Archimedes，公元前，公元前287212） 欧美诸国历史上有记载的最早从事欧美诸国历史上有记载的最早从事流体力学现象研究的是古希腊学者流体力学现象研究的是古希腊学者阿基米德阿基米德在公元前在公元前250年发表学术年发表学术论文论文论浮体论浮体，第一个阐明了相，第一个阐明了相对密度的概念，发现了物体在流体对密度的概念，发现了物体在流体中所受浮力的基本原理中所受浮力

12、的基本原理阿基米阿基米德原理。德原理。 文艺复兴时期（14-16世纪，流体力学得到了长足的发展 列奥纳德列奥纳德.达达.芬奇芬奇（Leonardo.da.Vinci,14521519） 著名物理学家和艺术家著名物理学家和艺术家 设计建造了一小型设计建造了一小型水渠，系统地研究了物体的沉浮、孔口出水渠，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、物体的运动阻力以及管道、明渠中水流等问题。流等问题。 文艺复兴时期（14-16世纪，流体力学得到了长足的发展u斯蒂文（斯蒂文（S.Stevin,1548-1620S.Stevin,1548-1620）将用于研究固体平衡的凝将用于

13、研究固体平衡的凝结原理转用到流体上。结原理转用到流体上。u 伽利略（伽利略（Galileo,1564-1642Galileo,1564-1642） 在流体静力学中应用了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。介质密度的增大和速度的提高而增大。u托里析利（托里析利（E.Torricelli,1608-1647E.Torricelli,1608-1647）论证了孔口出流的基论证了孔口出流的基本规律。本规律。18世纪，随着牛顿运动定理和微积分方法的建立，流体力学迈入理性研究和持续发展阶段。u 欧

14、欧 拉（拉（L.EulerL.Euler，1707170717831783） 经典流体力学的奠基人，经典流体力学的奠基人，17551755年发表年发表流体运动的一般原理流体运动的一般原理，提出了流体的连续介质模型，建立提出了流体的连续介质模型，建立了连续性微分方程和理想流体的运了连续性微分方程和理想流体的运动微分方程，给出了不可压缩理想动微分方程，给出了不可压缩理想流体运动的一般解析方法。他提出流体运动的一般解析方法。他提出了研究流体运动的两种不同方法及了研究流体运动的两种不同方法及速度势的概念，并论证了速度势应速度势的概念，并论证了速度势应当满足的运动条件和方程。当满足的运动条件和方程。一批

15、著名数学家建立了描述无粘性流一批著名数学家建立了描述无粘性流 体运动的体运动的 理论流体力学。理论流体力学。u伯努利（D.Bernoulli，17001782）瑞士科学家 在1738年出版的名著流体动力学中，建立了流体位势能、压强势能和动能之间的能量转换关系伯努利方程。在此历史阶段，诸学者的工作奠定了流体静力学的基础，促进了流体动力学的发展。u达朗伯（J.le R.dAlembert,17171783） 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。u拉格朗日（J.-L.Lagrange,17361813） 提出了

16、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。u亥姆霍兹（亥姆霍兹（H.von Helmholtz,1821-1894H.von Helmholtz,1821-1894）和）和基尔霍夫（基尔霍夫（G.R.Kirchhoff,1824-1887G.R.Kirchhoff,1824-1887）对旋涡运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征旋涡基本

17、性质的旋涡定理、带射流的物体绕流阻力等学术成就。成就。u雷雷 诺（诺（O.ReynoldsO.Reynolds，1842-19121842-1912） 1883年用实验证实了粘性流体的两种流动状态层流和紊流的客观存在，找到了实验研究粘性流体流动规律的相似准则数雷诺数，以及判别层流和紊流的临界雷诺数，为流动阻力的研究奠定了基础。u 瑞瑞 利（利（L.J.W.ReyleighL.J.W.Reyleigh，1842-19191842-1919英国）英国）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。u 库库 塔（塔（M.W.KuttaM.W.Kutta，186718671944

18、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。u 儒科夫斯基（儒科夫斯基（.,1847.,184719211921）从1906年起，发表了论依附涡流等论文，找到了翼型升力和绕翼型的环流之间的关系，建立了二维升力理论的数学基础。他还研究过螺旋桨的涡流理论以及低速翼型和螺旋桨桨叶剖面等。他的研究成果，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。u布拉休斯（布拉休斯（H.BlasiusH.Blasius）在1913年发表的论文中，提出了计算紊流光滑管阻力系数的经验公式。u伯金汉（伯金汉（E.BuckinghamE.Buckingham）在1914年发表的在物理的相似系统中量纲方程应用的说明论文中，提出了著名的定理，进一步完善了量纲分析法。u尼古拉兹（尼古拉兹（J.NikuradzeJ.Nikuradze）在1933年发表的论文中，公布了他对砂粒粗糙管内水流阻力系数的实测结果-尼古拉兹曲线，据此他还给紊流光滑管和紊流粗糙管的理论公式选定了应有