大学物理课件第二章

1、第二章第二章 流体力学基础流体力学基础尚尚 亮亮物理工程学院光电信息教研室物理工程学院光电信息教研室Telmail： 问题：什么是流体？问题：什么是流体？ 答案：具有答案：具有流动性流动性的物体称为流体的物体称为流体 例如，水、空气、水蒸气、地下石油、含泥沙的江水、血例如，水、空气、水蒸气、地下石油、含泥沙的江水、血液、高温等离子体等等液、高温等离子体等等 理论基础：牛顿运动定律、质量守恒定律、热力理论基础：牛顿运动定律、质量守恒定律、热力学定律（分子运动理论）、宏观电动力学理论学定律（分子运动理论）、宏观电动力学理论 研究流体本身的静止状态和运动状态，研究流体本身

2、的静止状态和运动状态，以及流体与相邻固体界壁之间相互作用规以及流体与相邻固体界壁之间相互作用规律的学科。律的学科。流体力学建立的基础：流体力学建立的基础：r水动力学（水动力学（伯努利，伯努利，1738年）年）r空气动力学空气动力学 （1880年年）1935年以后，建立统一体系，即流体力学年以后，建立统一体系，即流体力学关于流体力学关于流体力学第一节第一节 流体力学简介流体力学简介液体平衡理论液体平衡理论 达达芬奇芬奇（1452145215191519年）年） 液体压力的概念，连通器原理液体压力的概念，连通器原理 阐明了阐明了液体压强的传递液体压强的传递 牛顿牛顿(1643-1727)(1643

3、-1727)是第一个研是第一个研究流体力学的人究流体力学的人 16871687年，年，自然哲学的数学自然哲学的数学原理原理中讨论了流体的阻力、中讨论了流体的阻力、波浪运动等内容，但没有建波浪运动等内容，但没有建立起流体动理学的理论基础立起流体动理学的理论基础 法国数学家、水利工程师法国数学家、水利工程师皮托皮托发明了测量发明了测量流速的皮托管流速的皮托管 达朗贝尔达朗贝尔为流体力学成为一门为流体力学成为一门学科奠定了基础学科奠定了基础 17521752年，第一次用微分方程表示场，提出年，第一次用微分方程表示场，提出了了“达朗贝尔原理达朗贝尔原理” 虽然存在一些问题，但他虽然存在一些问题，但他第

4、一次第一次提出了流提出了流体速度和加速度分量的概念，证实了阻力体速度和加速度分量的概念，证实了阻力同物体运动速度之间的平方关系同物体运动速度之间的平方关系 瑞士的瑞士的欧拉欧拉在其名著在其名著流体运动流体运动的一般原理的一般原理中，提出中，提出理想流体理想流体概念概念 把牛顿第二定律应用到无黏性流把牛顿第二定律应用到无黏性流体微团，体微团，建立了理想流体基本微建立了理想流体基本微分方程分方程-欧拉方程和连续方程欧拉方程和连续方程 同时提出了速度势的概念同时提出了速度势的概念 流体力学的流体力学的创始人创始人之一之一 瑞士数学家瑞士数学家丹尼尔丹尼尔- -伯努利伯努利在在其名著其名著流体动力学流

5、体动力学中中 用能量守恒定律解决了流体用能量守恒定律解决了流体的流动问题（以供水管道中的流动问题（以供水管道中流动的水为研究对象），得流动的水为研究对象），得到了描述流体定常运动下的到了描述流体定常运动下的流速、压力、管道高程之间流速、压力、管道高程之间关系的关系的伯努利方程伯努利方程（流体动（流体动力学的基本方程）力学的基本方程）“流体力学之父流体力学之父” 欧拉方程欧拉方程和和伯努利方程伯努利方程的建立，是流体动力的建立，是流体动力学作为一个分支学科建立的标志，从此开始了学作为一个分支学科建立的标志，从此开始了用微分方程和实验测量进行流体运动定量研究用微分方程和实验测量进行流体运动定量研究

6、的阶段。的阶段。 此后，法国的拉格朗日和德国的赫姆霍兹分此后，法国的拉格朗日和德国的赫姆霍兹分别进行了流体的无旋和涡旋运动研究。别进行了流体的无旋和涡旋运动研究。 但是，在以上研究中，流体的黏性并不起但是，在以上研究中，流体的黏性并不起重要作用，即只考虑的是无黏（非黏性）流体，重要作用，即只考虑的是无黏（非黏性）流体，以致无法阐明黏性流体中的各种效应。以致无法阐明黏性流体中的各种效应。 18221822年年, ,法国工程师法国工程师纳维纳维( (NavierNavier）建立了黏建立了黏性流体的基本运动方程性流体的基本运动方程 18451845年，英国数学家、物理学家年，英国数学家、物理学家斯

7、托克斯斯托克斯（StokesStokes）以更合理的基础导出了这个方程，以更合理的基础导出了这个方程，从而从而提出了著名的提出了著名的N-SN-S方程方程，奠定了流体动，奠定了流体动力学的理论基础力学的理论基础 1904-19211904-1921年，年，普朗特学派普朗特学派逐渐简化了逐渐简化了N-SN-S方程，建方程，建立了边界层理论，立了边界层理论，能实际计算简单情形下，边界层能实际计算简单情形下，边界层内流动状态和流体同固体间的黏性力。内流动状态和流体同固体间的黏性力。 随着飞机的出现对空气动力学发展的促进，以随着飞机的出现对空气动力学发展的促进，以儒儒科夫斯基、恰普雷金、普朗克科夫斯基

8、、恰普雷金、普朗克等为代表的科学家，等为代表的科学家，开创了以无黏不可压缩流体位势流理论为基础的开创了以无黏不可压缩流体位势流理论为基础的机翼理论机翼理论，阐明了机翼怎样会受到举力，从而空，阐明了机翼怎样会受到举力，从而空气能把很重的飞机托上天空。气能把很重的飞机托上天空。 v 机翼理论和边界层理论的建立和发展是流体力机翼理论和边界层理论的建立和发展是流体力学的一次重大进展，它使无黏流体理论同黏性流学的一次重大进展，它使无黏流体理论同黏性流体的边界层理论很好地结合起来。体的边界层理论很好地结合起来。 钱学森钱学森（1911-2009），），男，浙江省男，浙江省杭州市人。享誉海内外的杰出科学杭州

9、市人。享誉海内外的杰出科学家和中国航天事业的奠基人，中国家和中国航天事业的奠基人，中国两弹一星功勋奖章获得者之一；曾两弹一星功勋奖章获得者之一；曾任美国麻省理工学院教授、加州理任美国麻省理工学院教授、加州理工学院教授；被誉为工学院教授；被誉为“中国航天之中国航天之父父”、“中国导弹之父中国导弹之父”、“火箭火箭之王之王”、“中国自动化控制之父中国自动化控制之父”。 代表作：工程控制论、物理力学讲代表作：工程控制论、物理力学讲义、星际航行概论、论系统工程义、星际航行概论、论系统工程详细年表（部分）详细年表（部分）n 1935年年 留学美国，入麻省理工学院航空系学习留学美国，入麻省理工学院航空系学

10、习n 1936年年 获麻省理工学院航空工程硕士学位，后转入加州获麻省理工学院航空工程硕士学位，后转入加州理工学院航空系学习，师从理工学院航空系学习，师从冯冯卡门卡门教授教授n 1939年年 获美国加州理工学院航空、数学博士学位获美国加州理工学院航空、数学博士学位 n 1943年年 任加州理工学院助理教授任加州理工学院助理教授n 1945年年 任加州理工学院副教授任加州理工学院副教授n 1947年年 任麻省理工学院教授任麻省理工学院教授n 1949年年 任加州理工学院喷气推进中心主任、教授任加州理工学院喷气推进中心主任、教授n 1954年年 工程控制论工程控制论英文版出版，后有俄、德、中文英文版

11、出版，后有俄、德、中文版问世版问世n 1955年年 回国回国 一九五六年，参与筹备组建中国导弹航空科学研究领导机构航空工业委员会，受命负一九五六年，参与筹备组建中国导弹航空科学研究领导机构航空工业委员会，受命负责组建中国第一个火箭、导弹研究机构责组建中国第一个火箭、导弹研究机构国防部第五研究院，并兼任院长。国防部第五研究院，并兼任院长。一九五六年，设立空气动力研究室，组建了中国第一个空气动力学专业研究机构。一九五六年，设立空气动力研究室，组建了中国第一个空气动力学专业研究机构。一九六一九六年二月，指导设计的中国第一枚液体探空火箭发射成功。年二月，指导设计的中国第一枚液体探空火箭发射成功。一九六

12、一九六年十一月，协助聂荣臻成功组织了中国第一枚近程地地导弹发射试验。年十一月，协助聂荣臻成功组织了中国第一枚近程地地导弹发射试验。一九六四年六月，作为发射场最高技术负责人，同现场总指挥张爱萍一起组织指挥了一九六四年六月，作为发射场最高技术负责人，同现场总指挥张爱萍一起组织指挥了中国第一枚改进后的中近程地地导弹飞行试验。中国第一枚改进后的中近程地地导弹飞行试验。一九六六年十月，作为技术总负责人，协助聂荣臻组织实施了中国首次导弹与原子弹一九六六年十月，作为技术总负责人，协助聂荣臻组织实施了中国首次导弹与原子弹“两弹结合两弹结合”试验。试验。一九七一九七年四月，牵头组织实施了中国第一颗人造地球卫星发

13、射任务。年四月，牵头组织实施了中国第一颗人造地球卫星发射任务。一九七一年三月，组织完成一九七一年三月，组织完成“实践一号实践一号”卫星发射试验，首次获得中国空间环境探测卫星发射试验，首次获得中国空间环境探测数据，为中国研制应用卫星、通信卫星积累了经验。数据，为中国研制应用卫星、通信卫星积累了经验。一九七二年至一九七六年，领导设计制造了中国第一艘核动力潜艇，一九七二年至一九七六年，领导设计制造了中国第一艘核动力潜艇，一九七二年至一九七六年，指挥成功发射了中国第一颗返回式卫星。一九七二年至一九七六年，指挥成功发射了中国第一颗返回式卫星。一九八一九八年五月、一九八二年十月、一九八四年四月，参与组织领

14、导了中国洲际导弹年五月、一九八二年十月、一九八四年四月，参与组织领导了中国洲际导弹第一次全程飞行、潜艇水下发射导弹和地球静止轨道试验通信卫星发射任务。第一次全程飞行、潜艇水下发射导弹和地球静止轨道试验通信卫星发射任务。v 主要科学贡献主要科学贡献r 应用力学：应用力学：在应用力学的空气动力学方面和固在应用力学的空气动力学方面和固体力学方面都做过开拓性的工作；与体力学方面都做过开拓性的工作；与冯冯卡门卡门合合作进行的可压缩边界层的研究，揭示了这一领作进行的可压缩边界层的研究，揭示了这一领域的一些温度变化情况，创立了卡门域的一些温度变化情况，创立了卡门钱学森钱学森方法；与方法；与郭永怀郭永怀合作最

15、早在跨声速流动问题中合作最早在跨声速流动问题中引入上下临界马赫数的概念。引入上下临界马赫数的概念。 r 喷气推进（火箭）与航天技术：喷气推进（火箭）与航天技术：在在40年代提出并年代提出并实现了火箭助推起飞装置实现了火箭助推起飞装置(JATO)，使飞机跑道距，使飞机跑道距离缩短；在离缩短；在1949年提出了火箭旅客飞机概念和关年提出了火箭旅客飞机概念和关于核火箭的设想；在于核火箭的设想；在1953年研究了行星际飞行理年研究了行星际飞行理论的可能性；在论的可能性；在1962年出版的年出版的星际航行概论星际航行概论中，提出了用一架装有喷气发动机的大飞机作为中，提出了用一架装有喷气发动机的大飞机作为

16、第一级运载工具，用一架装有火箭发动机的飞机第一级运载工具，用一架装有火箭发动机的飞机作为第二级运载工具的天地往返运输系统概念。作为第二级运载工具的天地往返运输系统概念。 r 物理力学：物理力学：1946年将稀薄气体的物理、化学和力年将稀薄气体的物理、化学和力学特性结合起来的研究，是先驱性的工作。学特性结合起来的研究，是先驱性的工作。1953年，他正式提出物理力学概念，主张从物质的微年，他正式提出物理力学概念，主张从物质的微观规律确定其宏观力学特性，改变过去只靠实验观规律确定其宏观力学特性，改变过去只靠实验测定力学性质的方法，大大节约了人力物力，并测定力学性质的方法，大大节约了人力物力，并开拓了

17、高温高压的新领域。开拓了高温高压的新领域。1961年他编著的年他编著的物物理力学讲义理力学讲义正式出版。正式出版。 r 工程控制论工程控制论r 系统科学与工程系统科学与工程r 思维科学（人工智能）思维科学（人工智能） 我的事业在中国，我的成就在中国，我的归宿在中国。 难道搞科学的人只需要数据和公式吗？搞科学的人同样需要有灵感，而我的灵感，许多就是从艺术中悟出来的。 常常是最后一把钥匙打开了神殿门不要失去信心,只要坚持不懈,就终会有成果的。 正确的结果，是从大量错误中得出来的；没有大量错误作台阶，也就登不上最后正确结果的高座。 二十世纪五十年代起，随着电子计算机的应二十世纪五十年代起，随着电子计

18、算机的应用完善，各种数值计算方法越来越多地应用用完善，各种数值计算方法越来越多地应用到流体力学中，形成了计算流体力学这一新到流体力学中，形成了计算流体力学这一新的分支学科。的分支学科。 例如，有限元法、有限差分法等等例如，有限元法、有限差分法等等 二十世纪六十年代起，流体力学与其他学科互二十世纪六十年代起，流体力学与其他学科互相交叉渗透，形成新的交叉学科或边缘学科。相交叉渗透，形成新的交叉学科或边缘学科。 例如：物理例如：物理- -化学流体动力学、磁流体力学、化学流体动力学、磁流体力学、生物流变学等等生物流变学等等q 空气动力学和气体动力学空气动力学和气体动力学 航空航天事业航空航天事业 q

19、渗流力学渗流力学 石油和天然气的开采石油和天然气的开采 ； 地下水的开发利用；地下水的开发利用； 土壤盐碱化的防治；土壤盐碱化的防治； 化工中的浓缩、分离和多孔过滤等化工中的浓缩、分离和多孔过滤等 q 物理物理- -化学流体动力学化学流体动力学 有化学反应和热能变化的流体力学问题，如燃烧有化学反应和热能变化的流体力学问题，如燃烧 q 气体动力学形成的爆炸力学气体动力学形成的爆炸力学 爆炸波爆炸波q 多相流体力学多相流体力学 沙漠迁移、沙漠迁移、 河流泥沙运动、河流泥沙运动、 管道中煤粉输送、管道中煤粉输送、 化工中气体催化剂的运动等化工中气体催化剂的运动等q 等离子体动力学和电磁流体力学等离子

20、体动力学和电磁流体力学 受控热核反应、受控热核反应、 磁流体发电等磁流体发电等q 环境流体力学环境流体力学 风对建筑物、桥梁、电缆等的作用；风对建筑物、桥梁、电缆等的作用； 废气和废水的排放造成环境污染；废气和废水的排放造成环境污染； 河床冲刷迁移和海岸遭受侵蚀河床冲刷迁移和海岸遭受侵蚀 q 生物流变学生物流变学 人体或动、植物中有关的流体力学问题，例人体或动、植物中有关的流体力学问题，例如：血液在血管中的流动，如：血液在血管中的流动， 心、肺、肾中的生理流体运动和植物中营养心、肺、肾中的生理流体运动和植物中营养液的输送，液的输送， 鸟类在空中的飞翔，动物在水中的游动等。鸟类在空中的飞翔，动物

21、在水中的游动等。 对自然界固有的流动现象或已有工程的全尺寸流动对自然界固有的流动现象或已有工程的全尺寸流动现象，利用各种仪器进行系统观测，从而总结出流现象，利用各种仪器进行系统观测，从而总结出流体运动的规律，并借以预测流动现象的演变。如过体运动的规律，并借以预测流动现象的演变。如过去天气的观测和预报。去天气的观测和预报。 现场流动现象的发生往往不能控制，发生条件几现场流动现象的发生往往不能控制，发生条件几乎不可能完全重复出现，影响到对流动现象和规律乎不可能完全重复出现，影响到对流动现象和规律的研究；现场观测还要花费大量物力、财力和人力。的研究；现场观测还要花费大量物力、财力和人力。 根据理论指导，把研究对象的尺度改变根据理论指导，把研究对象的尺度改变( (放大或缩放大或缩小小) )以便能安排实验。有些流动现象难于靠理论计算以便能安排实验。有些流动现象难于靠理论计算解决，有的则不可能做原型实验解决，有的则不可能做原型实验( (成本太高或规模太成本太高或规模太大大) )。这时，根据模型实验所得的数据可以用像换算。这时，根据模型实验所得的数据可以用像换算单位制那样的简单算法求出原型的数据。单位制那样的简单算法求出原型的数据。 可以对还没有出