第01讲绪论流体力学发展史

工程流体力学过程装备与控制工程教研室李洪亮

1过程装备与控制工程教研室你想知道高尔夫球飞得远应表面光滑还是粗糙吗？你想知道汽车阻力来至前部还是尾部吗？你想知道机翼升力来至下部还是上部吗？你想知道同一容器上同高同径孔口和管嘴泄流谁的流速大、谁的流量大吗？………2过程装备与控制工程教研室《工程流体力学》是热能与动力工程等专业的一门重要的专业基础课，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的流体力学基础。3过程装备与控制工程教研室课程安排计划学时：64周学时：4课程性质：必修考试（考查）方式：考试4过程装备与控制工程教研室使用教材：孔珑主编《流体力学》，高等教育出版社参考教材：

黄卫星主编《工程流体力学》，化学工业出版社陈卓如主编《工程流体力学》，高等教育出版社张也影主编《流体力学》，高等教育出版社吴望一主编《流体力学》，北京大学出版社5过程装备与控制工程教研室本课程的内容第1章绪论第2章流体静力学第3章流体运动学和动力学基础第4章相似原理和量纲分析第5章管流损失和水力计算第6章气体的一维定常流动第7章理想流体多维流动基础第8章粘性流体多维流动基础6过程装备与控制工程教研室高尔夫球表面为什么有很多小凹坑？最早的高尔夫球现在的高尔夫球7过程装备与控制工程教研室高尔夫球表面为什么有很多小凹坑？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远。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。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。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。8过程装备与控制工程教研室汽车阻力来自前部还是后部？汽车发明于19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，称为箱型车，阻力系数CD很大，约为0.8。9过程装备与控制工程教研室汽车阻力来自前部还是后部？实际上汽车阻力主要来自后部形成的尾流，称为形状阻力。10过程装备与控制工程教研室汽车阻力来自前部还是后部？20世纪30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0.6。11过程装备与控制工程教研室汽车阻力来自前部还是后部？20世纪50－60年代改进为船型，阻力系数为0.45。12过程装备与控制工程教研室汽车阻力来自前部还是后部？80年代经过风洞实验系统研究后，又改进为鱼型，阻力系数为0.3。13过程装备与控制工程教研室汽车阻力来自前部还是后部？以后进一步改进为楔型，阻力系数为0.2。14过程装备与控制工程教研室汽车阻力来自前部还是后部？90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。15过程装备与控制工程教研室汽车阻力来自前部还是后部？经过近80年的研究改进，汽车阻力系数从0.8降至0.137，阻力减小为原来的1/5。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。16过程装备与控制工程教研室机翼升力来至下部还是上部？17过程装备与控制工程教研室第1章绪论18过程装备与控制工程教研室本章内容1.1流体力学发展史简述1.2流体力学的研究内容、研究方法和应用1.3流体的定义和特征连续介质模型1.4作用在流体上的力1.5流体的主要物理性质19过程装备与控制工程教研室1.1流体力学发展史简述20过程装备与控制工程教研室流体力学在中国大禹治水4000多年前的大禹治水，说明我国古代已有大规模的治河工程。

(公元前256-210年)秦代，在公元前256-前210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律的认识已经达到相当水平。龙首渠（公元前156-前87）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穿山隧洞，有效地防止了黄土的塌方。21过程装备与控制工程教研室流体力学在中国水利风力机械在古代，以水为动力的简单机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。22过程装备与控制工程教研室流体力学在中国真州船闸北宋（960-1126）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。潘季顺明朝的水利家潘季顺（1521-1595）提出了“筑堤防溢，建坝减水，以堤束水，以水攻沙”和“借清刷黄”的治黄原则，并著有《两河管见》、《两河经略》和《河防一揽》。流量清朝雍正年间，何梦瑶在《算迪》一书中提出流量等于过水断面面积乘以断面平均流速的计算方法。23过程装备与控制工程教研室流体力学在中国李冰（公元前302-235）24过程装备与控制工程教研室流体力学在中国钱学森浙江省杭州市人，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出了杰出的贡献。1957年获中国科学院自然科学一等奖1979年获美国加州理工学院杰出校友奖1985年获国家科技进步奖特等奖1989年获小罗克维尔奖章和世界级科学与工程名人称号1991年被国务院、中央军委授予“国家杰出贡献科学家”荣誉称号和一级英模奖章25过程装备与控制工程教研室流体力学在中国周培源（1902－1993）1902年8月28日出生，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）的研究与教学，并取得出色成果。26过程装备与控制工程教研室流体力学在中国吴仲华（WuZhonghua）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。27过程装备与控制工程教研室流体力学的西方史阿基米德（Archimedes，公元前287-212）古希腊数学家、力学家，静力学和流体静力学的奠基人《论浮体》历史上有记载的最早从事流体力学现象研究28过程装备与控制工程教研室流体力学的西方史列奥纳德.达.芬奇（Leonardo.da.Vinci,1452-1519）著名物理学家和艺术家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、物体的运动阻力以及管道、明渠中水流等问题。29过程装备与控制工程教研室流体力学的西方史伽利略（Galileo,1564-1642）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介质密度的增大和速度的提高而增大。30过程装备与控制工程教研室流体力学的西方史托里析利（E.Torricelli,1608-1647）论证了孔口出流的基本规律31过程装备与控制工程教研室流体力学的西方史帕斯卡（B.Pascal,1623-1662）提出了密闭流体能传递压强的原理--帕斯卡原理。32过程装备与控制工程教研室流体力学的西方史牛顿（1642-1727）英国伟大的数学家、物理学家、天文学家和自然哲学家。流体粘性牛顿内摩擦定律33过程装备与控制工程教研室流体力学的西方史伯努利（D.Bernoulli，1700－1782）瑞士科学家，曾在俄国彼得堡科学院任教。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，是理论流体力学的创始人。伯努利方程34过程装备与控制工程教研室流体力学的西方史欧拉（L.Euler，1707－1783）瑞士数学家、力学家、天文学家、物理学家，变分法的奠基人，复变函数论的先驱者，理论流体力学的创始人。连续介质模型理想流体平衡微分方程理想流体运动微分方程35过程装备与控制工程教研室流体力学的西方史拉格朗日（J.-L.Lagrange,1736－1813）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。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。36过程装备与控制工程教研室流体力学的西方史纳维（C.L.M.H.Navier，1785-1836）斯托克斯（G.G.Stokes,1819-1903）纳维首先提出了不可压缩粘性流体的运动微分方程组。斯托克斯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-斯托克斯方程。37过程装备与控制工程教研室流体力学的西方史雷诺（O.Reynolds，1842-1912）英国力学家、物理学家和工程师，杰出的实验科学家。层流与紊流——雷诺数雷诺应力38过程装备与控制工程教研室流体力学的西方史卡门(T.vonKármán，1881-1963)美国著名空气动力学家卡门涡街解释机翼张线的"线鸣"、水下螺旋桨的"嗡鸣"39过程装备与控制工程教研室流体力学的西方史普朗特（L.Prandtl，1875－1953）德国力学家，现代流体力学的创始人之一。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贡献，被称作空气动力学之父。40过程装备与控制工程教研室流体力学的西方史谢才（A.deChézy法国）在1755年便总结出明渠均匀流公式--谢才公式，一直沿用至今。41过程装备与控制工程教研室流体力学的西方史瑞利（L.J.W.Reyleigh，1842-1919）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。42过程装备与控制工程教研室流体力学的西方史儒科夫斯基（Н.Е.Жуковский,1847-1921）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。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。43过程装备与控制工程教研室流体力学的西方史弗劳德（W.Froude，1810-1879）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——弗劳德数，建立了现代船模试验技术的基础。44过程装备与控制工程教研室流体力学的西方史亥姆霍兹（H.vonHelmholtz,1821-1894）基尔霍夫（G.R.Kirchhoff,1824-1887）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。45过程装备与控制工程教研室流体力学的西方史斯蒂文（S.Stevin,1548-1620）将用于研究固体平衡的凝结原理转用到流体上。达朗伯（J.leR.d‘Alembert,1717－1783）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。库塔（M.W.Kutta，1867-1944）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。46过程装备与控制工程教研室流体力学的西方史布拉休斯（H.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。伯金汉（E.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π定理，进一步完善了量纲分析法。47过程装备与控制工程教研室流体力学的西方史尼古拉兹（J.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的系数。48过程装备与控制工程教研室流体力学的西方史科勒布茹克（C.F.Colebrook）在1939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过渡区阻力系数计算公式。莫迪（L.F.Moody）在1944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--莫迪图。至此，有压管流的水力计算已渐趋成熟。49过程装备与控制工程教研室

流体力学已派生出很多新的分支电磁流体力学生物流体力学化学流体力学地球流体力学高温气体动力学非牛顿流体力学爆炸力学流变学计算流体力学50过程装备与控制工程教研室1.2流体力学的研究内容、研究方法和应用51过程装备与控制工程教研室流体力学是研究流体平衡和宏观运动规律的科学研究流体平衡的条件及其压强分布规律研究流体运动的基本规律研究流体绕流某物体或流过某流道时速度分布、压强分布、能量损失研究流体与固体间的相互作用52过程装备与控制工程教研室流体力学的研究方法理论分析方法实验研究方法数值计算方法53过程装备与控制工程教研室流体力学的研究方法——理论分析方法建立理论模型——流体力学模型；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；求解方程组；将结果与实际流动相比较，以确定解的精确度。54过程装备与控制工程教研室流体力学的研究方法——理论分析方法推导严紧，答案精确；只局限于比较简单的理论模型；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；不能解决复杂的流体力学问题。55过程装备与控制工程教研室流体力学的研究方法——实验研究方法根据相似原理建立实验模型；通过实验测定有关相似准则中的物理量；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。56过程装备与控制工程教研室流体力学的研究方法——实验研究方法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；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；有些流体力学问题，无法在实验室内进行研究。57过程装备与控制工程教研室流体力学的研究方法——数值计算方法建立数学模型；合理选用计算方法；编制计算程序；上机计算，分析结果，以确定是否满足要求。58过程装备与控制工程教研室流体力学的研究方法——数值计算方法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；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，节省研究时间和经费；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。59过程装备与控制工程教研室流体力学的研究方法理论分析、实验研究和数值计算这三种方法各有利弊，相辅相成理论指导实验研究和数值计算；实验用来检验理论分析和数值计算结果的正确性；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。60过程装备与控制工程教研室流体力学在许多工业技术中有着广泛的应用采矿工业化学工业石油工业土木建筑工程人体循环水利工程造船工业电力工业机械工业冶金工业61过程装备与控制工程教研室流体力学在工程中的应用由于空气动力学的发展，人类研制出3倍声速的战斗机。幻影2000F-1562过程装备与控制工程教研室流体力学在工程中的应用使重量超过3百吨，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。63过程装备与控制工程教研室流体力学在工程中的应用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。64过程装备与控制工程教研室流体力学在工程中的应用单价超过10亿美元，能抵御大风浪的海上采油平台65过程装备与控制工程教研室流体力学在工程中的应用排水量达50万吨以上的超大型运输船66过程装备与控制工程教研室流体力学在工程中的应用航速达30节，深潜达数百米的核动力潜艇67过程装备与控制工程教研室流体力学在工程中的应用时速达200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。68过程装备与控制工程教研室流体力学在工程中的应用用翼栅及高温，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。69过程装备与控制工程教研室流体力学在工程中的应用大型水利枢纽工程，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。70过程装备与控制工程教研室