流体力学绪论

1、流体力学流体力学中国矿业大学中国矿业大学电力学院动力系电力学院动力系主讲：周忠宁主讲：周忠宁 副教授副教授Email:Tel考书参考书: :孔珑主编,工程流体力学周光垌主编,流体力学(上下册)邹正龙等，流体力学习辅导与习题解答成绩成绩: :考试70，闭卷实验：10平时成绩和过程考核：20答疑：答疑：周五15:00-17:00,机电工程学院A3333工程流体力学工程流体力学绪论绪论固定边界：管壁、固定边界：管壁、河床、海洋平台河床、海洋平台等等运动边界：飞运动边界：飞机、船只等机、船只等研究内容研究内容流体在外力作用下，静止与运动的规律；流体在外力作用下，静止与运动的规

2、律；流体与流体与 边界边界 的相互作用。的相互作用。研究对象研究对象流体流体一、流体力学的研究对象一、流体力学的研究对象4理论分析理论分析: : 根据实际问题建立理论模型根据实际问题建立理论模型 涉及涉及微分体积法微分体积法 速度势法速度势法 保角变换法保角变换法 实验研究方法实验研究方法: : 根据实际问题利用相似理论建根据实际问题利用相似理论建立实验模型立实验模型 选择流动介质选择流动介质 设备包括风洞、水设备包括风洞、水槽、水洞、激波管、测试管系等槽、水洞、激波管、测试管系等数值计算方法数值计算方法 ：根据理论分析的方法建立数：根据理论分析的方法建立数学模型，选择合适的计算方法，包括有限

3、差分学模型，选择合适的计算方法，包括有限差分法、有限元法法、有限元法(ANSYS)(ANSYS)、有限体积法、有限体积法(Fluent)(Fluent)、特征线法、边界元法等，利用商业软件和自编特征线法、边界元法等，利用商业软件和自编程序计算，得出结果，用实验方法加以验证。程序计算，得出结果，用实验方法加以验证。流体力学流体力学绪论绪论研究方法研究方法5流体力学流体力学绪论绪论流体力学流体力学采矿采矿 水利水利航空航空航天航天交通土建交通土建 环境环境 气象气象 石油化工石油化工 机械冶金机械冶金 生物生物 空气和水是地球上广泛存在的物质，所以与流体运动关联的力空气和水是地球上广泛存在的物质，

4、所以与流体运动关联的力学问题是很普遍的。流体力学在许多学科和工程领域有着广泛的学问题是很普遍的。流体力学在许多学科和工程领域有着广泛的应用，对工科专业来讲，其重要性不言而喻。应用，对工科专业来讲，其重要性不言而喻。 与流体力学相关的工程领域和学科与流体力学相关的工程领域和学科6流体力学流体力学绪论绪论7流体力学的发展简史流体力学的发展简史流体力学在中国流体力学在中国大禹治水大禹治水 40004000多年前的大禹治水，说明我国古代已有大规模的治多年前的大禹治水，说明我国古代已有大规模的治河工程。河工程。 ( (公元前公元前256210256210年年) ) 秦代，在公元前秦代，在公元前256-2

5、56-前前210210年间便修建了都江堰、郑国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。律的认识已经达到相当水平。龙首渠龙首渠（公元前（公元前156-156-前前8787） 西汉武帝时期，为引洛水灌溉农田，在黄土高原上修建了西汉武帝时期，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。穿山隧洞，有效地防止了黄土的塌方。8水利风力机械 在古代，以水为动力的简单机

6、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。流体力学的发展简史流体力学的发展简史流体力学在中国流体力学在中国9流体力学的发展简史流体力学的发展简史流体力学在中国流体力学在中国真州船闸真州船闸 北宋（北宋（960-1126960-1126）时期，在运河上修建的真州船闸与十四）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。世纪末荷兰的同类船闸相比，约早三百多年。潘季顺潘季顺明朝的水利家潘季顺（

7、明朝的水利家潘季顺（1521-15951521-1595）提出了）提出了“筑堤防溢，筑堤防溢，建坝减水，以堤束水，以水攻沙建坝减水，以堤束水，以水攻沙”和和“借清刷黄借清刷黄”的的治黄原则，并著有，并著有两河管见两河管见、两河经略两河经略和和河防一揽河防一揽。流 量清朝雍正年间，何梦瑶在清朝雍正年间，何梦瑶在算迪算迪一书中提出一书中提出流量等于过等于过水断面面积乘以断面平均流速的计算方法。水断面面积乘以断面平均流速的计算方法。10流体力学的发展简史流体力学的发展简史流体力学在中国流体力学在中国钱学森钱学森 （1911191120092009）浙江省杭州市人，）浙江省杭州市人， 他在火箭、导弹、

8、航天器的总体、动力、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。出了杰出的贡献。19571957年获中国科学院年获中国科学院自然科学一等奖，自然科学一等奖，19791979年获美国加州理年获美国加州理工学院杰出校友奖，工学院杰出校友奖，19851985年获国家科技年获国家科技进步奖特等奖。进步奖特等奖。19891989年获小罗克维尔奖年获小罗克维尔奖章和世界级科学与工程名人

9、称号，章和世界级科学与工程名人称号，19911991年被国务院、中央军年被国务院、中央军委授予委授予“国家杰出贡献科学家国家杰出贡献科学家”荣誉称号和一级英模奖章。荣誉称号和一级英模奖章。11流体力学的发展简史流体力学的发展简史流体力学在中国流体力学在中国周培源周培源（ 190219021993)1993)。 19021902年年8 8月月2828日出生，江苏宜兴人。理论日出生，江苏宜兴人。理论学家、流体力学家学家、流体力学家, ,主要从事物理学的基础理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

10、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。学并取得出色成果。吴仲华吴仲华（Wu Zhonghua）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。12流体力学的发展简史流体力学的发展简史流体力学在西方流体力学在西方阿基米德阿基米德（Archimedes，公元前，公元前287212）西方诸国历史上有记载的最西方诸国历史上有记载的最早从事流体力学现象研究的是古早从事流体力学现象研究的是古

11、希腊学者阿基米德在公元前希腊学者阿基米德在公元前250年发表学术论文年发表学术论文论浮体论浮体，第，第一个阐明了相对密度的概念，发一个阐明了相对密度的概念，发现了物体在流体中所受浮力的基现了物体在流体中所受浮力的基本原理本原理阿基米德原理。阿基米德原理。 13流体力学的发展简史流体力学的发展简史流体力学在西方流体力学在西方列列奥纳德.达.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 设计建造了一小型水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。

12、体的运动阻力以及管道、明渠中水流等问题。 列列奥纳德.达.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 设计建造了一小型水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。体的运动阻力以及管道、明渠中水流等问题。 帕斯卡（B.Pascal,1623-1662） 提出了密闭流体能传递压强的原理提出了密闭流体能传递压强的原理-帕斯卡帕斯卡原理。原理。14流体力学的发展简史流体力学的发展简史流体力学在西方流体力学在西方牛 顿 是英国伟大的数学家、物理学家、

13、天文学是英国伟大的数学家、物理学家、天文学家和自然哲学家。家和自然哲学家。1642年年12月月25日生于英格日生于英格兰林肯郡格兰瑟姆附近的沃兰林肯郡格兰瑟姆附近的沃 尔索普村，尔索普村，1727年年3月月20日在伦敦病逝。牛顿在科学上最日在伦敦病逝。牛顿在科学上最卓越的贡献是微积分和经典力学的创建。卓越的贡献是微积分和经典力学的创建。牛顿的成就，恩格斯中概括得最为完整：牛牛顿的成就，恩格斯中概括得最为完整：牛顿由于发明了万有引力定律而创立了科学的天文学，由于进行顿由于发明了万有引力定律而创立了科学的天文学，由于进行了光的分解而创立了科学的光学，由于创立了二项式定理和无了光的分解而创立了科学的

14、光学，由于创立了二项式定理和无限理论而创立了科学的数学，由于认识了力的本性而创立了科限理论而创立了科学的数学，由于认识了力的本性而创立了科学的力学学的力学。15伯努利（D.Bernoulli，17001782）瑞士科学家瑞士科学家 在在1738年出版的名著年出版的名著流体动力学流体动力学中，建立了中，建立了流体位势能、压强势能和动流体位势能、压强势能和动能之间的能量转换关系能之间的能量转换关系伯伯努利方程。努利方程。流体力学的发展简史流体力学的发展简史流体力学在西方流体力学在西方16流体力学的发展简史流体力学的发展简史流体力学在西方流体力学在西方欧 拉（L.Euler，17071783） 是经

15、典流体力学的奠基是经典流体力学的奠基人，人，1755年发表年发表流体运动的流体运动的一般原理一般原理，提出了流体的连，提出了流体的连续介质模型，建立了连续性微续介质模型，建立了连续性微分方程和理想流体的运动微分分方程和理想流体的运动微分方程，给出了不可压缩理想流方程，给出了不可压缩理想流体运动的一般解析方法。他提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出了研究流体运动的两种不同方法及速度势的概念，并论证方法及速度势的概念，并论证了速度势应当满足的运动条件了速度势应当满足的运动条件和方程。和方程。17流体力学的发展简史流体力学的发展简史流体力学在西方流体力学在西方达朗伯（J.le R

16、.dAlembert,17171783） 1744年提出了达朗伯疑题（又称达朗伯佯谬），即在理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。理想流体假定的局限性。拉格朗日（J.-L.Lagrange,17361813） 提出了新的流体动力学微分方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，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

17、定常的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和非定常的平面无旋运动开辟了道路。路。18流体力学的发展简史流体力学的发展简史流体力学在西方流体力学在西方弗劳德（W.Froude，1810-1879）对船舶阻力和摇摆的研究）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颇有贡献，他提出了船模试验的相似准则数-弗劳德数，建立弗劳德数，建立了现代船模试验技术的基础。了现代船模试验技术的基础。亥姆霍兹（H.von Helmholtz,1821-1894）和基尔霍夫）和基尔霍夫（G.R.Kirchhoff,1824-1887）对旋涡运动和分离流动进行了）对旋涡运动和分离

18、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。涡定理、带射流的物体绕流阻力等学术成就。(万能博士万能博士)19流体力学的发展简史流体力学的发展简史流体力学在西方流体力学在西方纳维纳维（C.-L.-M.-H.Navier）首先提出了不可压缩粘性流体的）首先提出了不可压缩粘性流体的运动微分方程组。运动微分方程组。斯托克斯斯托克斯（G.G.Stokes）严格地导出了这）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

19、由剪切所引起的变形运动。后来引用时，便统称该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方程为纳维-斯托克斯方程。斯托克斯方程。纳维（L.Navier，17851836，法国）斯托克斯（G.Stokes，18191903，英国）20流体力学的发展简史流体力学的发展简史流体力学在西方流体力学在西方谢 才（A.de Chzy法国法国 ）在）在1755年便总结出明渠均匀流公式年便总结出明渠均匀流公式-谢才公式，一直沿用至今。谢才公式，一直沿用至今。雷 诺（O.Reynolds，1842-1912）1883年用实验证实了粘性流体的年用实验证实了粘性流体的两种流动状态两种流动状态层流和

20、紊流的客层流和紊流的客观存在，找到了实验研究粘性流观存在，找到了实验研究粘性流体流动规律的相似准则数体流动规律的相似准则数雷诺雷诺数，以及判别层流和紊流的临界数，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雷诺数，为流动阻力的研究奠定了基础。了基础。21流体力学的发展简史流体力学的发展简史流体力学在西方流体力学在西方瑞 利（L.J.W.Reyleigh，1842-1919英国）在相似原理的基础英国）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上，提出了实验研究的量纲分析法中的一种方法-瑞利法。瑞利法。库 塔（M.W.KuttaM.W.Kutta，1867186719441

21、944）19021902年就曾提出过绕流物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。体上的升力理论，但没有在通行的刊物上发表。儒科夫斯基（.,1847.,184719211921）从）从19061906年起，发表了年起，发表了论依附涡流论依附涡流等论文，找到了翼型升力等论文，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叶剖面等。他的研究成果，对空气动

22、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。都有重要贡献，为近代高效能飞机设计奠定了基础。22流体力学的发展简史流体力学的发展简史流体力学在西方流体力学在西方普朗特（L.Prandtl，18751953） 建立了边界层理论，解释了阻力产生的机制。建立了边界层理论，解释了阻力产生的机制。以后又针对航空技术和其他工程技术中出现的以后又针对航空技术和其他工程技术中出现的紊流边界层，提出混合长度理论。紊流边界层，提出混合长度理论。1918-1919年间，论述了大展弦比的有限翼展机翼理论，年间，论述了大展弦比的有限翼展机翼理论，对现代航空工业的发展作出了重要的贡献。对现代航空工业的

23、发展作出了重要的贡献。卡 门（T.von Krmn，1881-1963）在）在1911-1912年连续发表的论文中，提出了分析带旋涡年连续发表的论文中，提出了分析带旋涡尾流及其所产生的阻力的理论，人们称这种尾尾流及其所产生的阻力的理论，人们称这种尾涡的排列为涡的排列为卡门涡街。在。在1930年年的论文中，提的论文中，提出了计算紊流粗糙管阻力系数的理论公式。嗣出了计算紊流粗糙管阻力系数的理论公式。嗣后，在紊流边界层理论、超声速空气动力学、后，在紊流边界层理论、超声速空气动力学、火箭及喷气技术等方面都有不少贡献火箭及喷气技术等方面都有不少贡献23流体力学的发展简史流体力学的发展简史流体力学在西方流体力学在西方布拉休斯布拉休斯（H.Blasius）在）在1913年发表的论文中，提出了计算紊年发表的论文中，提出了计算紊流光滑管阻力系数的经验公式。流光滑管阻力系数的经验公式。伯金汉伯金汉（E.Buckingham）在）在1914年发表的年发表的在物理的相似系统在物理的相似系统中量纲方