《流体力学》第1章绪论

1、1工程流体力学工程流体力学 2l你想知道你想知道高尔夫球高尔夫球飞得远应表面光滑还是粗糙吗？飞得远应表面光滑还是粗糙吗？l你想知道你想知道汽车阻力汽车阻力来至前部还是尾部吗？来至前部还是尾部吗？l你想知道你想知道机翼升力机翼升力来至下部还是上部吗？来至下部还是上部吗？l你想知道同一容器上同高同径孔口和管嘴泄流谁的你想知道同一容器上同高同径孔口和管嘴泄流谁的流速流速大、谁的大、谁的流量流量大吗？大吗？l3l工程流体力学工程流体力学是环境工程等专业的一门重要是环境工程等专业的一门重要的的专业基础课专业基础课，它为学好专业课和今后从事专业，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

2、的流体力学技术工作以及科学研究工作打下必要的流体力学基础。基础。4l课程安排课程安排n计划学时：计划学时：3232n周学时：周学时：2 2n课程性质：课程性质：必修必修n考试（考查）方式：考试（考查）方式：考试考试5l使用教材：使用教材：n孔珑孔珑主编主编流体力学流体力学，高等教育出版社，高等教育出版社l参考教材：参考教材： n黄卫星黄卫星主编主编工程流体力学工程流体力学，化学工业出版社，化学工业出版社n陈卓如陈卓如主编主编工程流体力学工程流体力学，高等教育出版社，高等教育出版社n张也影张也影主编主编流体力学流体力学，高等教育出版社，高等教育出版社n吴望一吴望一主编主编流体力学流体力学，北京大

3、学出版社，北京大学出版社6l本课程的内容本课程的内容n第第1 1章章 绪论绪论n第第2 2章章 流体静力学流体静力学n第第3 3章章 流体运动学和动力学基础流体运动学和动力学基础n第第4 4章章 相似原理和量纲分析相似原理和量纲分析n第第5 5章章 管流损失和水力计算管流损失和水力计算7l高尔夫球表面为什么有很多小凹坑？高尔夫球表面为什么有很多小凹坑？n最早的高尔夫球最早的高尔夫球n现在的高尔夫球现在的高尔夫球8l高尔夫球表面为什么有很多小凹坑？高尔夫球表面为什么有很多小凹坑？n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

4、远。得更远。n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。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。n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。阻力就越小。n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坑 。9l汽车阻力来自前部还是后部？汽车阻力来自前部还是后部？n汽车发明于汽车发明于1919世纪末，当时人们认为汽车的阻力主要来自前部对世纪末，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

5、箱型车，阻力空气的撞击，因此早期的汽车后部是陡峭的，称为箱型车，阻力系数系数C CD D很大，约为很大，约为0.80.8。10l汽车阻力来自前部还是后部？汽车阻力来自前部还是后部？n实际上汽车阻力主要来自后部形成的尾流，称为形状阻力。实际上汽车阻力主要来自后部形成的尾流，称为形状阻力。11l汽车阻力来自前部还是后部？汽车阻力来自前部还是后部？n2020世纪世纪3030年代起，人们开始运用流体力学原理改进汽车尾部形状，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，阻力系数降至出现甲壳虫型，阻力系数降至0.60.6。12l汽车阻力来自前部还是后部？汽车阻力来自前部还是后部？n20

6、20世纪世纪50506060年代改进为船型，阻力系数为年代改进为船型，阻力系数为0.450.45。13l汽车阻力来自前部还是后部？汽车阻力来自前部还是后部？n8080年代经过风洞实验系统研究后，又改进为鱼型，阻力系数为年代经过风洞实验系统研究后，又改进为鱼型，阻力系数为0.30.3。14l汽车阻力来自前部还是后部？汽车阻力来自前部还是后部？n以后进一步改进为楔型，阻力系数为以后进一步改进为楔型，阻力系数为0.20.2。15l汽车阻力来自前部还是后部？汽车阻力来自前部还是后部？n9090年代后，科研人员研制开发的未来型汽车，阻力系数仅为年代后，科研人员研制开发的未来型汽车，阻力系数仅为0.137

7、0.137。16l汽车阻力来自前部还是后部？汽车阻力来自前部还是后部？n经过近经过近8080年的研究改进，汽车阻力系数从年的研究改进，汽车阻力系数从0.80.8降至降至0.1370.137，阻力减，阻力减小为原来的小为原来的1/5 1/5 。n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。的外形使汽车具有更好的动力学性能和更低的耗油率。17l机翼升力来至下部还是上部？机翼升力来至下部还是上部？18第第 1 1 章章绪绪 论论19l本章内容本章内容n1.1 1.1 流体力学发展史简述

8、流体力学发展史简述n1.2 1.2 流体力学的研究内容、研究方法和应用流体力学的研究内容、研究方法和应用 n1.3 1.3 流体的定义和特征流体的定义和特征 连续介质模型连续介质模型 n1.4 1.4 作用在流体上的力作用在流体上的力 n1.5 1.5 流体的主要物理性质流体的主要物理性质201.1 1.1 流体力学发展史简述流体力学发展史简述21l流体力学在中国流体力学在中国n大禹治水大禹治水u40004000多年前的大禹治水，说明我国多年前的大禹治水，说明我国古代古代已有大规模的治河工程。已有大规模的治河工程。n ( (公元前公元前256-210256-210年年) )u秦代，在公元前秦代

9、，在公元前256-256-前前210210年间便修建了都江堰、郑国渠、灵渠三大水利工程，年间便修建了都江堰、郑国渠、灵渠三大水利工程，说明当时对说明当时对明槽水流和堰流流动明槽水流和堰流流动规律的认识已经达到相当水平。规律的认识已经达到相当水平。n龙首渠（公元前龙首渠（公元前156-156-前前8787）u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，创造性地采用了采用了井渠法井渠法，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，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。方。22l流体力学在中国

10、流体力学在中国n水利风力机械水利风力机械u在古代，在古代，以水为动力的简单机械以水为动力的简单机械也有也有了长足的发展，例如用水轮提水，或了长足的发展，例如用水轮提水，或通过简单的机械传动去碾米、磨面等。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（公元东汉杜诗任南阳太守时（公元3737年）年）曾创造水排（水力鼓风机），利用水曾创造水排（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，较西欧续开合，将空气送入冶金炉，较西欧约早了一千一百年。约早了一千一百年。23l流体力学在中国流体力学在中国n真州船闸真州船闸u北宋（北宋（

11、960 - 1126960 - 1126）时期，在运河上修建的真州）时期，在运河上修建的真州船闸船闸与十四世纪末荷兰的同与十四世纪末荷兰的同类船闸相比，约早三百多年。类船闸相比，约早三百多年。n潘季顺潘季顺u明朝的水利家潘季顺（明朝的水利家潘季顺（1521 - 15951521 - 1595）提出了）提出了“筑堤防溢，建坝减水，以堤束筑堤防溢，建坝减水，以堤束水，以水攻沙水，以水攻沙”和和“借清刷黄借清刷黄”的治黄原则，并著有的治黄原则，并著有两河管见两河管见、两河两河经略经略和和河防一揽河防一揽。n流量流量u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水

12、断面面积乘以断流量等于过水断面面积乘以断面平均流速的计算方法面平均流速的计算方法。24l流体力学在中国流体力学在中国n李冰（公元前李冰（公元前302-235302-235）25l流体力学在中国流体力学在中国n钱学森钱学森u浙江省杭州市人，浙江省杭州市人， 他在火箭、导弹、航天器的总体、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，为中国制和科技管理等领域的丰富知识，为中国火箭导弹和火箭导弹和航天事业航天事业的创建与发展作出了杰出的贡献。的创建与发展作出了杰出的贡献。19571957年获中国

13、科学院自然科学一等奖年获中国科学院自然科学一等奖19791979年获美国加州理工学院杰出校友奖年获美国加州理工学院杰出校友奖19851985年获国家科技进步奖特等奖年获国家科技进步奖特等奖19891989年获小罗克维尔奖章和世界级科学与工程名人称号年获小罗克维尔奖章和世界级科学与工程名人称号19911991年被国务院、中央军委授予年被国务院、中央军委授予“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26l流体力学在中国流体力学在中国n周培源（周培源（1902190219931993）u19021902年年8 8月月2828日出生，江苏宜兴人。理论学家、日出

14、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力论和流体力学中的湍流理论）湍流理论）的研究与教学，的研究与教学，并取得出色成果。并取得出色成果。27l流体力学在中国流体力学在中国n吴仲华（吴仲华（Wu ZhonghuaWu Zhonghua）u在在19521952年发表的年发表的在轴流式、在轴流式、 径流式和混流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式亚声速和超声速叶轮机械中的三元流普遍理论论和在和在19751975年发表的

15、年发表的使用非正交曲线坐标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的叶轮机械三元流动的基本方程及其解法两两篇论文中所建立的篇论文中所建立的叶轮机械叶轮机械三元流理论，至今三元流理论，至今仍是国内外许多优良叶轮机械设计计算的主要仍是国内外许多优良叶轮机械设计计算的主要依据。依据。28l流体力学的西方史流体力学的西方史n阿基米德（阿基米德（ArchimedesArchimedes，公元前，公元前287-212287-212）u古希腊数学家、力学家，静力学和流体古希腊数学家、力学家，静力学和流体静力学的奠基人静力学的奠基人u论浮体论浮体u历史上有记载的最早从事流体力学现象历史上有记载的

16、最早从事流体力学现象研究研究29l流体力学的西方史流体力学的西方史n列奥纳德列奥纳德. .达达. .芬奇芬奇 （Leonardo.da.Vinci,1452-1519Leonardo.da.Vinci,1452-1519）u著名物理学家和艺术家著名物理学家和艺术家 设计建造了一小设计建造了一小型水渠，系统地研究了物体的型水渠，系统地研究了物体的沉浮、孔口沉浮、孔口出流、物体的运动阻力以及管道、明渠中出流、物体的运动阻力以及管道、明渠中水流水流等问题。等问题。30l流体力学的西方史流体力学的西方史n伽利略（伽利略（Galileo,1564-1642Galileo,1564-1642）u在流体静力

17、学中应用了虚位移原理，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体介质密度的增大和速度的提高而增大。大。31l流体力学的西方史流体力学的西方史n托里析利（托里析利（E.Torricelli,1608-1647E.Torricelli,1608-1647）u论证了孔口出流的基本规律论证了孔口出流的基本规律32l流体力学的西方史流体力学的西方史n帕斯卡（帕斯卡（B.Pascal,1623-1662B.Pascal,1623-1662）u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-帕斯卡原理帕斯卡

18、原理。33l流体力学的西方史流体力学的西方史n牛顿（牛顿（1642-17271642-1727）u英国英国伟大的数学家、物理学家、天伟大的数学家、物理学家、天文学家和自然哲学家文学家和自然哲学家。u流体粘性流体粘性u牛顿内摩擦定律牛顿内摩擦定律34l流体力学的西方史流体力学的西方史n伯努利（伯努利（D.BernoulliD.Bernoulli，1700170017821782）u瑞士科学家，曾在俄国彼得堡科学瑞士科学家，曾在俄国彼得堡科学院任教。院任教。u在流体力学、气体动力学、微分方在流体力学、气体动力学、微分方程和概率论等方面都有重大贡献，程和概率论等方面都有重大贡献，是理论流体力学的创始

19、人。是理论流体力学的创始人。u伯努利方程伯努利方程35l流体力学的西方史流体力学的西方史n欧拉（欧拉（L.EulerL.Euler，1707170717831783）u瑞士数学家、力学家、天文学家、物理学瑞士数学家、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。者，理论流体力学的创始人。u连续介质模型连续介质模型u理想流体平衡微分方程理想流体平衡微分方程u理想流体运动微分方程理想流体运动微分方程36l流体力学的西方史流体力学的西方史n拉格朗日（拉格朗日（J.-L.Lagrange,1736J.-L.Lagrange,1

20、73618131813）u提出了新的流体动力学微分方程，使流体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。动力学的解析方法有了进一步发展。u严格地论证了严格地论证了速度势速度势的存在，并提出了的存在，并提出了流流函数函数的概念，为应用复变函数去解析流体的概念，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定常的和非定常的平面无旋运动开辟了道路。路。37l流体力学的西方史流体力学的西方史n纳维（纳维（C.L.M.H.NavierC.L.M.H.Navier，1785-18361785-1836） 斯托克斯（斯托克斯（G.G.Stokes,1819-1903G

21、.G.Stokes,1819-1903）u纳维纳维首先提出了不可压缩粘性流体的运动首先提出了不可压缩粘性流体的运动微分方程组。微分方程组。斯托克斯斯托克斯严格地导出了这些严格地导出了这些方程，并把流体质点的运动分解为平动、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，便统称该方程为变形运动。后来引用时，便统称该方程为纳维纳维- -斯托克斯方程斯托克斯方程。38l流体力学的西方史流体力学的西方史n雷诺（雷诺（O.ReynoldsO.Reynolds，1842-19121842-1912）u英国力学家、物理学家和工

22、程师，杰英国力学家、物理学家和工程师，杰出的实验科学家。出的实验科学家。u层流与紊流层流与紊流雷诺数雷诺数u雷诺应力雷诺应力39l流体力学的西方史流体力学的西方史n卡门卡门(T.von K(T.von K rmrm n n，1881-1963)1881-1963)u美国著名空气动力学家美国著名空气动力学家u卡门涡街卡门涡街u解释机翼张线的解释机翼张线的 线鸣线鸣 、水下螺旋桨、水下螺旋桨的的 嗡鸣嗡鸣 40l流体力学的西方史流体力学的西方史n普朗特（普朗特（L.PrandtlL.Prandtl，1875187519531953）u德国力学家，现代流体力学的创始人德国力学家，现代流体力学的创始人

23、之一。之一。u边界层理论、风洞实验技术、机翼理边界层理论、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。贡献，被称作空气动力学之父。41l流体力学的西方史流体力学的西方史n谢才（谢才（A.de ChA.de Ch zyzy法国）法国）u在在17551755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。42l流体力学的西方史流体力学的西方史n瑞利（瑞利（L.J.W.ReyleighL.J.W.Reyleigh，1842 - 19191842 - 1919）u在相似原理的基础上，提

24、出了实验研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究的量纲分析法中的一种方法-瑞利瑞利法法。43l流体力学的西方史流体力学的西方史n儒科夫斯基（儒科夫斯基（.,1847-1921.,1847-1921）u二维升力理论、螺旋桨的涡流理论以二维升力理论、螺旋桨的涡流理论以及低速翼型和螺旋桨桨叶剖面等。及低速翼型和螺旋桨桨叶剖面等。u对空气动力学的理论和实验研究都有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重要贡献，为近代高效能飞机设计奠定了基础。定了基础。44l流体力学的西方史流体力学的西方史n弗劳德（弗劳德（W.FroudeW.Froude，1810-18

25、791810-1879）u对船舶阻力和摇摆的研究颇有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贡献，他提出了船模试验的相似准则数似准则数弗劳德数弗劳德数，建立，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。45l流体力学的西方史流体力学的西方史n亥姆霍兹（亥姆霍兹（H.von Helmholtz,1821-1894H.von Helmholtz,1821-1894） 基尔霍夫（基尔霍夫（G.R.Kirchhoff,1824-1887G.R.Kirchhoff,1824-1887）u对对旋涡运动和分离流动旋涡运动和分离流动进行了进行了大量的理论分析和实验研究，大量的理论分析和

26、实验研究，提出了表征旋涡基本性质的旋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涡定理、带射流的物体绕流阻力等学术成就。力等学术成就。46l流体力学的西方史流体力学的西方史n斯蒂文（斯蒂文（S.Stevin,1548 - 1620S.Stevin,1548 - 1620）u将用于研究固体平衡的将用于研究固体平衡的凝结原理转用到流体凝结原理转用到流体上。上。n达朗伯（达朗伯（J.le R.dJ.le R.dAlembert,1717Alembert,171717831783）n17441744年提出了年提出了达朗伯疑题达朗伯疑题（又称达朗伯佯谬），即在理想流体中运动的（又称达朗伯佯谬），

27、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。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。n库塔（库塔（M.W.KuttaM.W.Kutta，1867 - 19441867 - 1944）u19021902年就曾提出过绕流物体上的年就曾提出过绕流物体上的升力理论升力理论，但没有在通行的刊物上发表。，但没有在通行的刊物上发表。47l流体力学的西方史流体力学的西方史n布拉休斯（布拉休斯（H.BlasiusH.Blasius）u在在19131913年发表的论文中，提出了计算年发表的论文中，提出了计算紊流光滑管阻力系数紊流光滑管阻力系数的经验公的经验公

28、式。式。n伯金汉（伯金汉（E.BuckinghamE.Buckingham）u在在19141914年发表的年发表的在物理的相似系统中量纲方程应用的说明在物理的相似系统中量纲方程应用的说明论文论文中，提出了著名的中，提出了著名的定理，进一步完善了量纲分析法。定理，进一步完善了量纲分析法。48l流体力学的西方史流体力学的西方史n尼古拉兹（尼古拉兹（J.NikuradzeJ.Nikuradze）u在在19331933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实测结果-尼古拉兹曲线尼古拉兹曲线，据此他还给紊流光滑管和紊流粗糙管的，据

29、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的系数。理论公式选定了应有的系数。49l流体力学的西方史流体力学的西方史n科勒布茹克（科勒布茹克（C.F.ColebrookC.F.Colebrook）u在在19391939年发表的论文中，提出了把紊流光滑管区和紊流粗糙管区联年发表的论文中，提出了把紊流光滑管区和紊流粗糙管区联系在一起的系在一起的过渡区阻力系数计算公式过渡区阻力系数计算公式。n莫迪（莫迪（L.F.MoodyL.F.Moody）u在在19441944年发表的论文中，给出了他绘制的实用管道的当量糙粒阻力年发表的论文中，给出了他绘制的实用管道的当量糙粒阻力系数图系数图-莫迪图。至此，

30、有压管流的水力计算已渐趋成熟。莫迪图。至此，有压管流的水力计算已渐趋成熟。50l 流体力学已派生出很多新的分支流体力学已派生出很多新的分支n电磁流体力学电磁流体力学n生物流体力学生物流体力学n化学流体力学化学流体力学n地球流体力学地球流体力学n高温气体动力学高温气体动力学n非牛顿流体力学非牛顿流体力学n爆炸力学爆炸力学n流变学流变学n计算流体力学计算流体力学511.2 1.2 流体力学的研究内容、流体力学的研究内容、研究方法和应用研究方法和应用52l流体力学是研究流体力学是研究流体平衡和宏观运动规律流体平衡和宏观运动规律的科学的科学n研究流体平衡的条件及其压强分布规律研究流体平衡的条件及其压强

31、分布规律n研究流体运动的基本规律研究流体运动的基本规律n研究流体绕流某物体或流过某流道时速度分布、压强研究流体绕流某物体或流过某流道时速度分布、压强分布、能量损失分布、能量损失n研究流体与固体间的相互作用研究流体与固体间的相互作用53l流体力学的研究方法流体力学的研究方法n理论分析方法理论分析方法n实验研究方法实验研究方法n数值计算方法数值计算方法54l流体力学的研究方法流体力学的研究方法理论分析方法理论分析方法n建立理论模型建立理论模型流体力学模型；流体力学模型；n对模型建立描写流体运动规律的封闭方程组以及与之相应的边界对模型建立描写流体运动规律的封闭方程组以及与之相应的边界条件和初始条件；

32、条件和初始条件；n求解方程组；求解方程组；n将结果与实际流动相比较，以确定解的精确度。将结果与实际流动相比较，以确定解的精确度。55l流体力学的研究方法流体力学的研究方法理论分析方法理论分析方法n推导严紧，答案精确；推导严紧，答案精确；n只局限于比较简单的理论模型；只局限于比较简单的理论模型；n忽略流动的次要影响因素，需要用实验的方法对结果进行修正；忽略流动的次要影响因素，需要用实验的方法对结果进行修正；n不能解决复杂的流体力学问题不能解决复杂的流体力学问题。56l流体力学的研究方法流体力学的研究方法实验研究方法实验研究方法n根据相似原理建立实验模型；根据相似原理建立实验模型；n通过实验测定有

33、关相似准则中的物理量；通过实验测定有关相似准则中的物理量；n将实验数据整理成相似准则数，并通过对实验数据的拟合找出准将实验数据整理成相似准则数，并通过对实验数据的拟合找出准则方程式。则方程式。57l流体力学的研究方法流体力学的研究方法实验研究方法实验研究方法n该方法更加接近实际，只要实验模型设计合理，测量无误，准则该方法更加接近实际，只要实验模型设计合理，测量无误，准则方程的拟合精度高，实验结果是可靠的；方程的拟合精度高，实验结果是可靠的；n设计模型时只能使主要相似准则数相等，实验结果只是近似的；设计模型时只能使主要相似准则数相等，实验结果只是近似的；n有些流体力学问题，无法在实验室内进行研究

34、。有些流体力学问题，无法在实验室内进行研究。58l流体力学的研究方法流体力学的研究方法数值计算方法数值计算方法n建立数学模型；建立数学模型；n合理选用计算方法；合理选用计算方法；n编制计算程序；编制计算程序；n上机计算，分析结果，以确定是否满足要求。上机计算，分析结果，以确定是否满足要求。59l流体力学的研究方法流体力学的研究方法数值计算方法数值计算方法n能解决许多用数学方法难以求解的问题，从一定意义上讲，这种方能解决许多用数学方法难以求解的问题，从一定意义上讲，这种方法是理论分析方法的延伸和拓宽；法是理论分析方法的延伸和拓宽；n在计算机上用数值计算的方法可以很好地模拟流体力学实验，节省在计算

35、机上用数值计算的方法可以很好地模拟流体力学实验，节省研究时间和经费；研究时间和经费；n数学模型的建立必须以理论分析和实验研究为基础，而且往往难以数学模型的建立必须以理论分析和实验研究为基础，而且往往难以包括实际流动的所有物理特性。包括实际流动的所有物理特性。60l流体力学的研究方法流体力学的研究方法n理论分析、实验研究和数值计算这三种方法各有利弊，理论分析、实验研究和数值计算这三种方法各有利弊，相辅相成相辅相成u理论指导实验研究和数值计算；理论指导实验研究和数值计算；u实验用来检验理论分析和数值计算结果的正确性；实验用来检验理论分析和数值计算结果的正确性；u数值计算可以弥补理论分析和实验研究的

36、不足，对复杂的流数值计算可以弥补理论分析和实验研究的不足，对复杂的流体力学问题进行既快又省的计算分析。体力学问题进行既快又省的计算分析。61l流体力学在许多工业技术中有着广泛的应用流体力学在许多工业技术中有着广泛的应用n采矿工业采矿工业n化学工业化学工业n石油工业石油工业n土木建筑工程土木建筑工程n人体循环人体循环n水利工程水利工程n造船工业造船工业n电力工业电力工业n机械工业机械工业n冶金工业冶金工业62l流体力学在工程中的应用流体力学在工程中的应用n由于空气动力学的发展，人类研制出由于空气动力学的发展，人类研制出3 3倍声速的战斗机。倍声速的战斗机。幻影幻影20002000F-15F-15

37、63l流体力学在工程中的应用流体力学在工程中的应用n使重量超过使重量超过3 3百吨，面积达半个足球场的大型民航客机，靠空气的百吨，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，创造了人类技术史上的奇迹。支托象鸟一样飞行成为可能，创造了人类技术史上的奇迹。64l流体力学在工程中的应用流体力学在工程中的应用n利用超高速气体动力学，物理化学流体力学和稀薄气体力学的研究成果，利用超高速气体动力学，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，实现了人类登月的梦想。人类制造出航天飞机，建立太空站，实现了人类登月的梦想。65l流体力学在工程中的应用流体力学在

38、工程中的应用n单价超过单价超过1010亿美元，能抵御大风浪的海上采油平台亿美元，能抵御大风浪的海上采油平台66l流体力学在工程中的应用流体力学在工程中的应用n排水量达排水量达5050万吨以上的超大型运输船万吨以上的超大型运输船67l流体力学在工程中的应用流体力学在工程中的应用n航速达航速达3030节，深潜达数百米的核动力潜艇节，深潜达数百米的核动力潜艇68l流体力学在工程中的应用流体力学在工程中的应用n时速达时速达200200公里的新型地效艇等，它们的设计都建立在水动力学，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。船舶流体力学的基础之上。69l流体力学在工程中的应

39、用流体力学在工程中的应用n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，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，为人类提供单机达百万千瓦的强大动力。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力。70l流体力学在工程中的应用流体力学在工程中的应用n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。不开水力学和风工程。71l流体力学在工程中的应用流体力学在工程中的应用n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大型水利枢纽工程，

40、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。不开水力学和风工程。72l流体力学在工程中的应用流体力学在工程中的应用n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。不开水力学和风工程。73l流体力学在工程中的应用流体力学在工程中的应用n2121世纪人类面临许多重大问题的解决，需要流体力学的进一步发世纪人类面临许多重大问题的解决，需要流体力学的进一步发展，它们涉及人类的生存和生活质量的提高。展，它们涉及人类的生存和生活质量的提高。全球气象预报全球气象预报（卫星云图）（卫星云图）74l流体力学在工程中

41、的应用流体力学在工程中的应用n环境与生态控制环境与生态控制75l流体力学在工程中的应用流体力学在工程中的应用n灾害预报与控制灾害预报与控制龙卷风龙卷风太平洋暴云太平洋暴云76l流体力学在工程中的应用流体力学在工程中的应用n火山与地震预报火山与地震预报77l流体力学在工程中的应用流体力学在工程中的应用n发展更快更安全更舒适的交通工具发展更快更安全更舒适的交通工具78l流体力学在工程中的应用流体力学在工程中的应用n各种工业装置的优化设计，降低能耗，减少污染等等。各种工业装置的优化设计，降低能耗，减少污染等等。79l流体力学在工程中的应用流体力学在工程中的应用n流体力学需要与其他学科交叉，如工程学、

42、地学、天文学、物理学、材料科学、流体力学需要与其他学科交叉，如工程学、地学、天文学、物理学、材料科学、生命科学等，在学科交叉中开拓新领域，建立新理论，创造新方法。生命科学等，在学科交叉中开拓新领域，建立新理论，创造新方法。星云星云80l流体力学在工程中的应用流体力学在工程中的应用n流体力学需要与其他学科交叉，如工程学、地学、天文学、物理学、材料科学、流体力学需要与其他学科交叉，如工程学、地学、天文学、物理学、材料科学、生命科学等，在学科交叉中开拓新领域，建立新理论，创造新方法。生命科学等，在学科交叉中开拓新领域，建立新理论，创造新方法。毛细血管流动毛细血管流动81l流体力学在工程中的应用流体力

43、学在工程中的应用n生物仿生学生物仿生学 82l流体力学在工程中的应用流体力学在工程中的应用n流体力学需要与其他学科交叉，如工程学、地学、天文学、物理学、材料科学、流体力学需要与其他学科交叉，如工程学、地学、天文学、物理学、材料科学、生命科学等，在学科交叉中开拓新领域，建立新理论，创造新方法。生命科学等，在学科交叉中开拓新领域，建立新理论，创造新方法。工程学工程学材料学材料学气象学气象学83l流体力学在工程中的应用流体力学在工程中的应用841.3 1.3 流体的定义、特征、流体的定义、特征、连续介质模型连续介质模型85l流体的定义流体的定义n能够能够流动流动的物质称为流体的物质称为流体n在任何微

44、小在任何微小切力切力的作用下都能够发生的作用下都能够发生连续变形连续变形的物质的物质n液体、气体统称为流体液体、气体统称为流体86有无固定的体有无固定的体积？积？能否形成能否形成自由表面？自由表面？是否容易是否容易被压缩？被压缩？流体流体气体气体无无否否易易液体液体有有能能不易不易呈现流动性？呈现流动性？ 流体流体固体固体 物质三态物质三态-液、气、固间的区别液、气、固间的区别87l固体和流体具有不同的特征固体和流体具有不同的特征n流体具有流体具有流动流动的特征。在给定的切力作用下，固体只产生一定量的特征。在给定的切力作用下，固体只产生一定量的变形，而流体将产生连续变形；当切力停止作用时，在弹

45、性极的变形，而流体将产生连续变形；当切力停止作用时，在弹性极限内固体可以恢复原来的形状，而流体只是停止变形。限内固体可以恢复原来的形状，而流体只是停止变形。n在静止状态下，固体能够同时承受在静止状态下，固体能够同时承受法向应力和切向应力法向应力和切向应力，而流体，而流体仅能够承受仅能够承受法向应力法向应力，只有在运动状态下才能够同时承受法向应，只有在运动状态下才能够同时承受法向应力和切向应力。力和切向应力。n固体有一定的固体有一定的形状形状，而流体则取其容器的形状。，而流体则取其容器的形状。88l固体和流体具有不同的特征固体和流体具有不同的特征n固体内的切应力由剪切变形量（位移）决定，而流体内

46、的切应力与变形固体内的切应力由剪切变形量（位移）决定，而流体内的切应力与变形量无关，由变形速度（切变率）决定。量无关，由变形速度（切变率）决定。n任意改变均质流体微元排列次序，不影响它的宏观物理性质；任意改变任意改变均质流体微元排列次序，不影响它的宏观物理性质；任意改变固体微元的排列无疑将它彻底破坏。固体微元的排列无疑将它彻底破坏。n固体表面之间的摩擦是滑动摩擦，摩擦力与固体表面状况有关；流体与固体表面之间的摩擦是滑动摩擦，摩擦力与固体表面状况有关；流体与固体表面可实现分子量级的接触，达到表面不滑移。固体表面可实现分子量级的接触，达到表面不滑移。89l液体和气体具有不同的特征液体和气体具有不同

47、的特征n气体易压缩气体易压缩n液体的流动性不如气体液体的流动性不如气体n一定质量的液体有一定的体积，气体能够充满所能到一定质量的液体有一定的体积，气体能够充满所能到达的全部空间。达的全部空间。90l流体质点流体质点n流体力学中研究流体运动时所取的流体力学中研究流体运动时所取的最小最小流体微元流体微元n体积体积无穷小无穷小而又包含而又包含大量大量分子的流体微团分子的流体微团u从宏观上看，和流动所涉及的物体的特征长度相比，该微团的尺从宏观上看，和流动所涉及的物体的特征长度相比，该微团的尺度无穷小，小到在数学上可以作为一个点来处理。度无穷小，小到在数学上可以作为一个点来处理。u从微观上看，和分子的平

48、均自由行程相比，该微团的尺度又充分从微观上看，和分子的平均自由行程相比，该微团的尺度又充分大，包含足够多的分子，使得这些分子的共同物理属性的统计平大，包含足够多的分子，使得这些分子的共同物理属性的统计平均值有意义。均值有意义。91l连续介质模型连续介质模型1755年欧拉提出年欧拉提出 n不必去研究流体的微观分子运动，而只研究描述流体运动的不必去研究流体的微观分子运动，而只研究描述流体运动的宏观宏观物理属性物理属性（如密度、压强、速度、温度、粘度、热力学能）。（如密度、压强、速度、温度、粘度、热力学能）。n可以不考虑分子间存在的间隙，而把流体视为有无数连续分布的可以不考虑分子间存在的间隙，而把流

49、体视为有无数连续分布的流体微团组成的流体微团组成的连续介质连续介质。n根据连续介质模型，流体的密度、压强、速度、温度等物理量一根据连续介质模型，流体的密度、压强、速度、温度等物理量一般在空间和时间上都是连续分布的，都应该是空间坐标和时间的般在空间和时间上都是连续分布的，都应该是空间坐标和时间的单值连续可微函数单值连续可微函数，便可用解析函数的诸多数学工具去研究流体，便可用解析函数的诸多数学工具去研究流体的平衡和运动规律，为流体连续的研究提供了很大的方便。的平衡和运动规律，为流体连续的研究提供了很大的方便。921.4 1.4 作用在流体上的力作用在流体上的力931.4.1 1.4.1 表面力表面

50、力l与周围流体或物体的相互作用力，分布于有限流体的与周围流体或物体的相互作用力，分布于有限流体的表面表面l又称近程力、接触力又称近程力、接触力94( , , , , )npf x y z n t 0limnAFpA 0limnnnnAFdFpAdA 0limttntAFdFpAdA 1.4.1 表面力表面力951.4.2 1.4.2 质量力质量力l作用在微团内均匀质量的质心上，由流体质量所引起。作用在微团内均匀质量的质心上，由流体质量所引起。n质量力的大小与流体的质量成正比质量力的大小与流体的质量成正比n质量通常和微团的体积成正比质量通常和微团的体积成正比n又称为体积力，是一种非接触力又称为体

51、积力，是一种非接触力n又称长程力又称长程力96 xyzff if jf k( , , , )ff x y z t VFf V VMfrV fgk zfg 仅受重力作用：仅受重力作用：f 单位质量质量力单位质量质量力1.4.2 质量力质量力97 1.5 1.5 流体的主要物理性质流体的主要物理性质98 1.5.1 1.5.1 流体的密度、相对密度、流体的密度、相对密度、 比体积、混合气体的密度比体积、混合气体的密度 99 1.流体的密度流体的密度l密度是流体的重要物理属性，表征流体的质量在空间的密度是流体的重要物理属性，表征流体的质量在空间的密集程度。密集程度。l密度的定义：单位体积流体所具有的

52、质量。密度的定义：单位体积流体所具有的质量。n均质流体均质流体n非均质流体非均质流体mV 0limVmdmVdV 100 1.流体的密度流体的密度n密度的单位密度的单位 kg/mkg/m3 3n密度与温度和压强有关密度与温度和压强有关n常见流体的密度常见流体的密度 表表1.5.1 1.5.1 表表.21012.流体的相对密度流体的相对密度l在共同的特定条件下某一流体的密度在共同的特定条件下某一流体的密度 与另一参考与另一参考流体的密度流体的密度 之比之比l参考流体选为相同条件的纯水（以往常选参考流体选为相同条件的纯水（以往常选44时的纯时的纯水）水）frfd f rf 1023

53、.流体的比体积流体的比体积l单位质量流体所占有的体积，即密度的倒数单位质量流体所占有的体积，即密度的倒数 l比体积的单位比体积的单位 m m3 3/kg/kg1Vvm 1034.混合流体的密度混合流体的密度l混合气体的密度混合气体的密度l混合液体的密度混合液体的密度 11221nnniii 121121nniiniwwww 104【例例1-11-1】锅炉烟气各组分气体所占体积的百分比锅炉烟气各组分气体所占体积的百分比: : 试求烟气的密度。试求烟气的密度。213.6%CO 20.4%SO 24.2%O 275.6%N 26.2%HO 105【例例】求求1515、质量浓度、质量浓度4040酒精的

54、密度。酒精的密度。 1061.5.2 1.5.2 流体的压缩性和膨胀性流体的压缩性和膨胀性 1071.流体的压缩性流体的压缩性l体积压缩率体积压缩率 ：在一定温度下单位压强增量引起的体：在一定温度下单位压强增量引起的体积变化率积变化率n也称为压缩性系数也称为压缩性系数n负号是由于负号是由于 和和 异号异号n单位：单位：PaPa-1-1或或m m2 2/N/Nnk k值大的流体容易压缩值大的流体容易压缩/V VVkpVp kp V 1081.流体的压缩性流体的压缩性l体积模量体积模量K K：压缩率的倒数：压缩率的倒数n单位：单位：PaPanK K值大的流体不容易被压缩值大的流体不容易被压缩n气体

55、的体积模量随气体的变化过程不同而不同气体的体积模量随气体的变化过程不同而不同u u等温过程等温过程 ；等熵过程；等熵过程1VpKkV Knp 1n n 1091.流体的压缩性流体的压缩性l液体和气体都具有压缩性，二者压缩性大小不同。液体和气体都具有压缩性，二者压缩性大小不同。l液体的压缩性小，通常视为密度不变的不可压缩流体。液体的压缩性小，通常视为密度不变的不可压缩流体。l气体的压缩性大，通常视为密度可变的可压缩流体。气体的压缩性大，通常视为密度可变的可压缩流体。l工程中是否考虑流体的压缩性，要根据具体情况确定：工程中是否考虑流体的压缩性，要根据具体情况确定：n水下爆炸：水也要时为可压缩流体。

56、水下爆炸：水也要时为可压缩流体。n当气体流速比较低时也可以视为不可压缩流体。当气体流速比较低时也可以视为不可压缩流体。110【例例1-21-2】求水在等温状态下，将体积缩小求水在等温状态下，将体积缩小5/10005/1000时所需要的压强增量。时所需要的压强增量。1112.流体的膨胀性流体的膨胀性l体膨胀系数体膨胀系数 ：在一定压强下单位温升引起的体积变：在一定压强下单位温升引起的体积变化率化率n单位：单位：1/1/或或1/K1/K n 值大的流体容易压缩值大的流体容易压缩n一般需要同时考虑温度和压强对气体体积和密度的影响一般需要同时考虑温度和压强对气体体积和密度的影响 /vV VVTV T

57、v v 1121.5.3 1.5.3 流体的粘性流体的粘性113n库仑把一块薄圆板用细金属丝平吊在库仑把一块薄圆板用细金属丝平吊在液体中，将圆板绕中心转过一角度后液体中，将圆板绕中心转过一角度后放开，靠金属丝的扭转作用，圆板开放开，靠金属丝的扭转作用，圆板开始往返摆动，由于液体的粘性作用，始往返摆动，由于液体的粘性作用，圆板摆动幅度逐渐衰减，直至静止。圆板摆动幅度逐渐衰减，直至静止。库仑分别测量了普通板、涂腊板和细库仑分别测量了普通板、涂腊板和细沙板，三种圆板的衰减时间。沙板，三种圆板的衰减时间。1.1. 流体的粘性流体的粘性 牛顿粘性应力公式牛顿粘性应力公式1141. 流体的粘性流体的粘性

58、牛顿粘性应力公式牛顿粘性应力公式l三种圆板的衰减时间均相等三种圆板的衰减时间均相等库仑得出结论库仑得出结论: :n衰减的原因，不是圆板与液体之间的相互摩擦衰减的原因，不是圆板与液体之间的相互摩擦 ，而是液体内，而是液体内部的摩擦部的摩擦 。1151. 流体的粘性流体的粘性 牛顿粘性应力公式牛顿粘性应力公式试验二试验二1161.1. 流体的粘性流体的粘性 牛顿粘性应力公式牛顿粘性应力公式l流体的粘性是指流体流动时产生流体的粘性是指流体流动时产生内摩擦力内摩擦力的性质的性质l粘性是流体的粘性是流体的固有固有物理属性物理属性l流体的粘性只有在流体的粘性只有在运动状态运动状态下才能显示出来下才能显示出

59、来l流体内摩擦的概念最早由牛顿流体内摩擦的概念最早由牛顿（I.Newton,1687I.Newton,1687）提提出。由库仑出。由库仑（C.A.Coulomb,1784C.A.Coulomb,1784）用实验得到证实。用实验得到证实。1171.1. 流体的粘性流体的粘性 牛顿粘性应力公式牛顿粘性应力公式l流体中水平运动平板的受力流体中水平运动平板的受力n牛顿平板实验牛顿平板实验n实验表明：实验表明：u与上平板接触的流体以与上平板接触的流体以U U的速度运动速度；的速度运动速度；u与下平板接触的流体静止不动；与下平板接触的流体静止不动；u中间流体速度均匀变化，各流体层之间有相对运动。中间流体速

60、度均匀变化，各流体层之间有相对运动。1181.1. 流体的粘性流体的粘性 牛顿粘性应力公式牛顿粘性应力公式l流体中水平运动平板的受力流体中水平运动平板的受力n牛顿平板实验牛顿平板实验n结论结论u平板、流体间产生与平板、流体间产生与F F大小相等而方向相反的的摩擦阻力大小相等而方向相反的的摩擦阻力F Fn分析分析uF F的大小与平板的面积的大小与平板的面积A A、平板的运动速度、平板的运动速度U U成正比，与两平板成正比，与两平板间的距离成反比间的距离成反比牛顿内摩擦定律牛顿内摩擦定律1191.1. 流体的粘性流体的粘性 牛顿粘性应力公式牛顿粘性应力公式n牛顿内摩擦定律牛顿内摩擦定律 引入比例系