实验流体力学绪论

实验流体力学教学实验室地址：东校区A栋208风洞实验室：南校区222栋船池实验室：南校区215栋电话：84113292、39332792流体力学实验室实验分组东校区实验，全班共分成1-16组，每组3人南校区实验，由于设备数量的原因，分成2批，1-8组第一批，9-16组第二批实验从第10周开始实验室安全守则实验室安全紧急情况处理个人判断力个人安全用电安全其它注意实验室安全守则签名表学号姓名签名日期是否认同1

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参考书教材：实验力学尹协振等高等教育出版社2012参考教材：基础流体实验．徐有恒等．复旦大学出版社．1990实验流体力学基础西北工大出版社实验流体力学朱仁庆杨松林杨大明国防工业出版社 2005船舶原理盛振邦/刘应中上海交通大学出版社2007参考书实验指导教材：自编实验指导参考书：水力学实验賀五洲陈嘉范李春华清华大学出版社2004水力学实验张志昌编著机械工业出版社2006课程内容实验力学基础测量原理和仪器设备流体力学实验项目实验力学基础（4周）相似理论量纲分析Mathcad软件误差分析与数据处理流体力学显示技术和测试技术流体力学显示技术和测试技术（1周）流体力学实验设备流体力学实验设备（1周）船模实验水池风洞流体力学实验仪器测压测速测流量流体力学实验项目管道流动（2周）流态变化局部能量损失沿程能量损失孔口出流流体力学实验项目波浪拖曳水池试验船模快速性实验波浪演示实验风洞实验机翼压力分布测试风洞落差系数测试飞机模型升力、阻力测试实验安排东校区水力学实验室（3周）雷诺实验、沿程阻力、局部阻力、文丘里流量计、孔口出流、动量定律、静水压力南校区实验室（2周，分批）风洞实验室：船模阻力实验、螺旋桨敞水实验、风速仪检定船池实验室：风洞落差系数测定、机翼升力测定、流速仪检定第一章绪论实验流体力学发展简史实验研究的地位实验流体力学的内容实验流体力学的主要任务实验流体力学发展简史第一时期-----17世纪中以前----以现场原型实验为主第二时期-----17世纪中到20世纪初----现场和实验室实验并存第三时期-----20世纪初以后-----实验室实验为主

现场观测是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，从而总结出流体运动的规律，并借以预测流动现象的演变。过去对天气的观测和预报，基本上就是这样进行的。不过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的研究；现场观测还要花费大量物力、财力和人力。

现场观测Kelvin水波Kelvin水波

模型实验在流体力学中占有重要地位。根据因次分析和相似理论，把研究对象的尺度改变(放大或缩小)以便实验。有些流动现象难于进行理论计算解决，有的则不可能做原型实验(成本太高或规模太大)。这时，根据模型实验所得的数据可以用因次分析和相似变换方法像换算单位制那样的简单算法求出原型的数据。

模型实验实验设备：风洞、水槽、水池、水洞、激波管、测试管系等。实验流体力学(ExperimentalFluidDynamics,EFD)模型实验Kelvin水波实验流体力学发展简史第一时期-----17世纪中以前主要成就：（1）完整建立了流体静力学理论；（2）提出了流体与物体运动之间的相对性原理；（3）定性地研究了管流与某些无压流动；（4）发展了各种流体机械。人们主要依靠仔细的观察、粗略的测量与效益的比较等相当原始的实验方法去了解各种流动现象。实验流体力学发展简史阿基米德（287-213B.C）李冰302~235B.C李冰曾在都江堰安设石人水尺，这是中国早期的水位观测设施都江堰李冰修都江堰時，曾設立三個石人水則，以水位「竭不至足，盛不沒肩」來衡量水量足夠與否。圖中Q1所示者灌區最低需水量；Q2所示者保證灌區安全的最高引水量实验流体力学发展简史

对流体力学学科的形成作出第一个贡献的是古希腊的阿基米德(Archimedes,公元前287－212)，他建立了包括物理浮力定律和浮体稳定性在内的液体平衡理论，奠定了流体静力学的基础。在公元前250年发表学术论文《论浮体》，发现了物体在流体中所受浮力的基本原理──阿基米德原理。此后千余年间，流体力学没有重大发展。

实验流体力学发展简史

在科学研究中主张在实验观测基础上再进行理论推导。在水文和水力学理论方面他最先对旋涡的流速分布、突然扩大断面和尾流旋涡、波浪传播和水跃等进行探讨或描述，成就远超过前人。他又提出水的连续定律，认识到明渠流的边界阻力，还首先提出关于流线形物体、降落伞、风速表、离心泵等设想。达芬奇（1452-1519）

意大利艺术家、科学家和工程师，文艺复兴时代的代表人物实验流体力学发展简史静压强

托里拆利.（1608-1647）柏斯卡（1623-1662）斯蒂文（1586）容器底面静压与上方流体深度有关伽利略学生，提出托里拆利公式。发明水银压力计发现大气压随高度增加而减少。提出连通器原理和柏斯卡定理。17世纪，帕斯卡(B.Pascal,1623-1662)阐明了静止流体中压力的概念，提出了密闭流体能传递压强的原理－帕斯卡原理。

但流体力学尤其是流体动力学作为一门严密的科学，却是随着经典力学建立了速度、加速度、力、流场等概念，以及质量、动量、能量三个守恒定律的奠定之后才逐步形成的。实验流体力学发展简史管流

沈括（1031-1095）“漏壶”是古代的计时仪器，相当于现代的钟表。沈括浮漏是宋代著名的科学家沈括在前人成就的基础上创制的漏壶。随着社会生产的发展，漏壶的结构不断改进，计时性能也随之更加科学。到了宋代其结构由原来的单级壶，发展到二级甚至多级壶。沈括浮漏就是一组多级壶漏系统：最上层摆设的称为求壶，是专为下级壶供水用的水源壶；第二层摆了两只壶，高的叫负壶、低的叫废壶，负壶的作用是保持水流的稳定，并保证水位的指定高度，超水位的多余水则流入废壶。最下边的是建壶，由负壶滴落的稳压水，滴入建壶，并以容纳水量的多少，来显示时刻。实验流体力学发展简史流体机械方面：

风帆水车风车鼓风机第二时期-----17世纪中到20世纪初主要成就：（1）发展了基本实验设备和仪器；（2）发现了伯努利定律、达西定律、湍流、空化；（3）研究物体运动受到的力；（4）圆管层流；（5）提出动力相似理论实验流体力学发展简史开始发展实验室实验所需仪器、设备和技术；逐步开展实验研究。达西1.奠定比托管构型2.确定管流达西公式3.达西渗流定律4.求谢才系数35比托管1732年，法国皮托发明比托管达西发明了沿流动方向布置的静压管36达西公式1839年德国工程师哈根发表黄铜管（D<6cm,L<1m)的水流结果1840年生物学家泊肃叶发表玻璃毛细管的水流实验结果1845年德国数学家魏斯贝奇用量纲分析方法推导圆管沿程阻力公式，但其系数含糊不清，无法工程上使用1857年达西设计了各种材料，各种规格的管道D=1.2-50cm,L=100m,材质为玻璃，铸铁，生铁，铅管等等，总结水流阻力变化规律37渗流定律达西负责设计和建造第戎市公共泉水工程，系统研究了地下水流动和饮用水沙层过滤规律。设计了著名的柱状沙桶渗流试验装置38人工明渠流实验V=C*sqrt(R*J)谢才公式18世纪末水力工程师寻找了80年的C，但均未成功达西用系统化的实验方法解决450m长，底宽2m的木质棱柱明渠渠底可调坡度76m^2的引水池，其水源由4个闸门从运河入口处12个方形均匀孔导流流量计，深度仪，毕托管，浮子测速仪各种截面形状，各种壁面材料，历时7年39达西公式（1858年）渗流定律（1856年）实施明渠流实验（1855-1857）都是在去世前3年，身体虚弱的状态下完成的，令人肃然起敬1891年，曼宁根据达西助手巴赞的结果，总结出曼宁公式40实验流体力学发展简史阻力伽里略(1264-1642)1632年演示了运动物体在空气中受到阻力的实验。1638年用双摆研究阻力与速度的关系。结果不合理！惠更斯(1629-1695)1690年用更精确的方法得到正确的结果。牛顿(1642-1727)1687年用摆和落球在水和空气中得到与理论一致的结果。马里奥特(1620-1684)1686年测量水中平板的阻力；发明了测力天平。

牛顿(I.Newton，1642－1727)于1687年出版了《自然哲学的数学原理》。牛顿在科学上最卓越的贡献是微积分和经典力学的创建。牛顿研究了在流体中运动的物体所受到的阻力，得到阻力与流体密度、物体迎流截面积以及运动速度的平方成正比的关系。建立了流体内摩擦定律，为粘性流体力学初步奠定了理论基础。但是，牛顿还没有建立起流体动力学的理论基础，他提出的许多力学模型和结论同实际情形还有较大的差别。实验流体力学发展简史定理伯努利,D（子）1738年提出定常无粘不可压伯努利方程；伯努利,J（父）1742年完善推广到非定常伯努利方程；欧拉1757年推广到可压缩流，以及沿流线的伯努利方程；1856年达西用沙土做渗流实验，得出达西定律。1883年雷诺在不同管径管子中做实验，发现两种流态-----层流和湍流。1894年桑尼克罗夫特、巴纳比在船舶螺旋桨背面发现空泡现象。瑞士伯努利家族家族成就最大者《流体动力学》(1738年)，给出“伯努利定理”等流体动力学的基础理论；研究弹性弦的横向振动问题(1741～1743年)，提出声音在空气中的传播规律(1762年)悬链线问题（1690年），曲率半径公式（1694年），“伯努利双纽线”（1694年），“伯努利微分方程”（1695年），“等周问题”（1700年），“伯努利数”、“伯努利大数定理”等指数运算也是他发明的。例如解决悬链线问题（1691年），提出洛必塔法则（1694年）、最速降线（1696年）和测地线问题（1697年），给出求积分的变量替换法（1699年），研究弦振动问题（1727年），出版《积分学数学讲义》（1742年）伯努利（D.Bernoulli，1700－1782）在1738年出版了名著《Hydrodynamics》，从经典力学的能量守恒出发，研究供水管道中水的流动，精心地安排了实验并加以分析，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。柏林科学院院士，巴黎科学院院士，英国皇家学会会员哞~

流体力学发展过程雷诺(O.Reynolds，1842-1912)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。

实验流体力学发展简史管流泊肃叶1840年，哈根1829年同期一起通过管流实验发现流量和压降梯度与管径4次方成正比，称为泊肃叶-哈根公式。1860年哈根巴克做了端缘效应修正。1914年斯坦顿、潘内尔测量了管内速度分布。1860年哈根巴克用此方法确定了粘性，成为一种标准方法。实验流体力学发展简史仪器1732年毕托发明测量总压的毕托管；普朗特1905年发明风速管。1872年柯尼希发明微压计；1915年泰勒发明多管压力计。1929年范德林格齐南发明了五孔方向仪。1799年文丘利发现文丘利管现象；1888年赫谢尔将其用于测量流量。普朗特(L.Prandtl，1875－1953)从1904年到1921年逐步将N-S方程作了简化，从推理、数学论证和实验测量等各个角度，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，对现代航空工业的发展作出了重要的贡献。普朗特，冯卡门，钱学森实验流体力学发展简史水实验1756年拜德尔建成10米长水池；1775年达朗伯在水池中做了大量船舶实验；1852年雷什通过波浪实验，提出重力相似的雷什弗洛德数；1872年弗洛德主持建成85×14×4米水槽，开展了大量船舶实验和波阻实验1896年帕尔森斯建造第一座水洞。实验流体力学发展简史高速空气实验1742年罗宾斯用自制弹道摆测圆球阻力（M=1.05），发现高速时阻力比牛顿值大3倍。后来，赫顿、迪戴恩做了大量类似实验。1785年帕金森正确指出阻力增加是由于可压缩性影响。1865-1870巴什福恩用自制电准确记录了炮弹速度和阻力，这是第一个做高速实验的人，他的标准弹头阻力表直用到20世纪初。1899年维埃耶建造第一个激波管，用于研究矿井爆炸。实验流体力学发展简史流动显示铝粉（戴尔1843

）牛奶（海雷斯1911、艾尔顿

1908）烟（马赫

1899、马雷

1899）烟风洞（利皮希、布朗

1937）独立纹影法（特普勒

1864测火花、爆炸）阴影法（德沃夏克

1880；博伊斯1893测子弹）干涉法（1887马赫E(父)1889马赫L(子)

测得子弹超声速照片）1959年戈达德推广烟风洞到超声速风洞实验流体力学发展简史相似理论斯托克斯1851年从微分方程出发研究相似理论；赫姆霍兹1873年进一步发展理论；瑞利1892年和1904年用量纲分析求流动相似参数；白金汉1914年首次显式地叙述定理；布里奇曼

1922年完整地叙述并证明了定理，为流体力学实验奠定了理论基础。实验流体力学发展简史航空1871年韦纳姆设计并建造了第一座低速风