流体力学开场

流体力学

FluidMechanics1任课教师：罗冰Email：510120206@新学期，新使命！2课堂说明○不迟到，不早退，不逃课（特殊情况）；○鸟语花香，悦耳铃声；○前排就坐；○随时提问，积极回答；上课时间和地点

周三第一讲C-218；周三第四讲D-121；周五第一讲D-225；

本课程的有关说明：1、对上课的要求2、对作业的要求3、教材和参考书4、考核要求1、考试形式：闭卷2、作业10％、出勤20％、考试成绩70％。1、不迟到2、不讲话3、有事请假1、保质保量，独立完成。2、已知、求、解（Given、Find、Solution）。3、图形必须用直尺绘制。4、必须对结果作分析以及单位验算。教材:《流体力学》蔡增基参考书：《流体力学泵与风机》屠大燕任何考试后的举动都是徒劳的！

100不代表什么，但59代表一切！其他说明：学习流体力学，要注重对基本原理、基本概念和基本方法的理解和掌握，没有什么捷径可走，只有多听、多学、多练。

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流体力学是一门重要的专业基础课程，它是连接前期基础课程和后续专业课程的桥梁。课程的学习将有利于数理、力学基础知识的巩固与提高，培养分析、解决实际问题的能力，为专业课程的学习打下坚实基础。数理、力学基础建筑环境专业基础有关专业课程无时不在的流体力学人类的祖先在海洋里生活了40亿年。6无时不在的流体力学人类在空气里生活了700万年。7流体力学现象☞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？

………————请学习流体力学8熟鸡蛋放瓶子里视频9视频CASE1死水效应-发现过程1893年的一天，“弗拉姆”号考察船正穿行在北冰洋巨大的白色冰山之中，由于没有风，四周一片寂静，只有当船只驶过时，平滑的海面才泛起道道涟漪。船长弗里德约夫·南森正准备向北极点接近，寻找传说中的“北极陆地”。突然考察船似乎遇到了阻碍，速度明显慢了下来。船员们并没有偷懒，船也没有撞上冰山或浮冰，也没有遭遇到逆风，船就这样神秘地减速了。10接下来，南森还发现，他的船似乎被一种神秘的力量控制了，这种力量有时让船无法转向，有时会让船自动拐弯，在海面上划出一个大圆圈回到起点。在神秘力量的干扰下，考察船的航行速度比正常速度慢了1/4。许多船员对此感到非常恐惧，以为他们的航行惊动了北极地区神秘的水怪。好在这种力量似乎并不想让考察队永远地留在冰冷的海面，考察船还是能够克服神秘力量缓慢前行。过了一阵，当逃离那片古怪的水域后，船只的航行速度又正常了。11死水效应-形成原因研究显示，当一个水域是由2或3层盐度或密度不同的水层构成时，就会出现死水现象。例如，冰川融化产生的淡水在密度更大的海水上面形成相对较薄的一层。海水深处形成的波浪可放慢船的速度，这一过程肉眼很难觉察到。现在，法国科学家通过在实验室水槽内重新再现那个特定场景，已经发现这种现象的新细节，他们甚至把这种效应拍成了录像。这项研究将有助于科学家更好地了解死水和分层海洋区域的行为。视频12“奥林匹克号”与“豪克号”相撞事故—“船吸”1912年秋季的某一天,当时世界上最大的远洋轮船——“奥林匹克号”正航行在大海上,在离“奥林匹克号”100m的地方,有一比它小得多的铁甲巡洋舰“豪克号”与它平行疾驶着,这时却发生了一件意外的事情:小船好像被大船吸过去似的,完全失控,一个劲地向“奥林匹克号”冲去，最后,“豪克号”的船撞在“奥林匹克号”的船舷上,把“奥林匹克“号撞了个大洞。是什么原因造成这次事故呢?13“奥林匹克号”与“豪克号”相撞事故—“船吸”船吸现象：

当两船并行时，因两船间水的流速加快，压力降低，外舷的流速慢，水压力相对较高，左右舷形成压力差，推动船舶互相靠拢。另外，航行船舶的首尾高压区及船中部的低压区，也会引起并行船舶的靠拢和偏转，这些现象统称为船吸。

在船舶追越过程中，若两船长度相似且并行横距较小时，则易产生船吸现象而碰撞。当小船追越大船时，因大船首尾部为高压区，中部为低压区，易造成小船冲向大船中部，造成碰撞事故。所以，在两船并行航行的追越中，被追越船应降低航速，追越船在追越中应加大横距，以防止碰撞。“奥林匹克号”与“豪克号”相撞事故示意图15音障—超音速飞行1617181920音障的历史40年代中期，当一些飞机试图接近或超过音速时，突然像撞到一堵墙上似的，阻力陡增，升力突变，操纵失灵，机体抖振，甚至发生过飞机空中解体、机毁人亡的事。上述问题的出现，给人的印象是，飞机的速度要想达到或超过音速，所需的推力会大得不得了，且由于升力和力矩系数的激变，飞机也很难驾驶了。有的设计师甚至认为，对于飞机来说，音速是个难以愈越的障碍，于是便提出了“音障”的概念。1947年10月14日，美国试飞员耶格尔上尉驾驶着x—l研究机，在12800米的高空，首次突破“音障”，当时，该机的飞行速度达到了音速的1.013倍。从此，人类实现了超音速飞行，“音障”也成为了一个过时的旧词。21音障是一种物理现象，当物体（通常是航空器）的速度接近音速时，将会逐渐追上自己发出的声波。声波叠合累积的结果，会造成震波（ShockWave）的产生，进而对飞行器的加速产生障碍，而这种因为音速造成提升速度的障碍称为音障。

视频原因音障是一种物理现象，当物体（通常是航空器）的速度接近音速时，将会逐渐追上自己发出的声波。声波叠合累积的结果，会造成震波的产生，进而对飞行器的加速产生障碍。突破并进入超音速后，从航空器最前端起会产生一股圆锥形的音锥，在旁观者听来这股震波有如爆炸一般，故称为音爆或声爆。强烈的音爆不仅会对地面建筑物产生损害，对于飞行器本身伸出冲击面之外部分也会产生破坏。22原因当飞行器突破这一障碍后，整个世界都安静了，一切声音全被抛在了身后！由于在物体的速度快要接近音速时，周边的空气受到声波叠合而呈现非常高压的状态，因此一旦物体穿越音障后，周围压力将会陡降。在比较潮湿的天气，有时陡降的压力所造成的瞬间低温可能会让气温低于它的露点温度，使得水汽凝结变成微小的水珠，肉眼看来就像是云雾般的状态。但由于这个低压带会随著空气离机身的距离增加而恢复到常压，因此整体看来形状像是一个以物体为中心轴、向四周均匀扩散的圆锥状云团。23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。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。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。汽车阻力：来自前部还是后部？26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27高尔夫球表面为什么有很多小凹坑？一颗高速飞行的高尔夫球，其前方会有一高压区。空气流经球的前缘再流到后方时会与球体分离。同时，球的后方会有一个紊流尾流区，在此区域气流起伏扰动，导致后方的压力较低。尾流的范围会影响阻力的大小。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。小凹坑可使空气形成一层紧贴球表面的薄薄的紊流边界层，使得平滑的气流顺着球形多往后走一些，从而减小尾流的范围。因此，有凹坑的球所受的阻力大约只有平滑圆球的一半。28高尔夫球表面为什么有很多小凹坑？小凹坑也会影响高尔夫球的升力。一个表面不平滑的回旋球，会像飞机机翼般偏折气流以产生升力。球的自旋可使球下方的气压比上方高，这种不平衡可以产生往上的推力。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，它可以提供最佳的升力。大多数的高尔夫球有300～500个小凹坑，每个坑的平均深度约为0.025厘米。阻力及升力对凹坑的深度很敏感：即使只有0.0025厘米这么小的差异，也可以对轨迹和飞行距离造成很大的影响。小凹坑通常是圆形的，但其他的形状也可以有极佳的空气动力性能，例如某些公司生产的高尔夫球采用的是六角形.29两张纸中间吹气会有啥效果？30两张纸中间吹气会有啥效果？对着两张纸的中间吹气，两张纸中间的空气流速变大，压强变小，小于纸外侧的大气压，产生了一个向内的压强差，将纸压向中间．故答案为：相互靠近；两纸间的空气流速快，压强小，两边的大气压将两纸向中间压．3198年的香蕉球32流体力学在中国禹采用了“治水须顺水性，水性就下，导之入海。高处就凿通，低处就疏导”的治水思想。根据轻重缓急，定了一个治的顺序，先从首都附近地区开始，再扩展到其它各地。33流体力学在中国34流体力学在中国钱学森

钱学森（1911－2009）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。35流体力学的西方史阿基米德（Archimedes，公元前287－212）欧美诸国历史上有记载的最早从事流体力学现象研究的是古希腊学者阿基米德在公元前250年发表学术论文《论浮体》，第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本原理──阿基米德原理。

36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。

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。

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。

托里析利（E.Torricelli,1608-1647）论证了孔口出流的基本规律。

37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。牛顿

是英国伟大的数学家、物理学家、天文学家和自然哲学家。1642年12月25日生于英格兰林肯郡格兰瑟姆附近的沃尔索普村，1727年3月20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。牛顿的成就，恩格斯在《英国状况十八世纪》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"。38流体力学的西方史伯努利（D.Bernoulli，1700－1782）瑞士科学家

在1738年出版的名著《流体动力学》中，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。在此历史阶段，诸学者的工作奠定了流体静力学的基础，促进了流体动力学的发展。

39流体力学的西方史

欧拉（L.Euler，1707－1783）是经典流体力学的奠基人，1755年发表《流体运动的一般原理》，提出了流体的连续介质模型，建立了连续性微分方程和理想流体的运动微分方程，给出了不可压缩理想流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和方程。40流体力学的西方史达朗伯（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。

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。41流体力学的西方史纳维（C.-L.-M.-H.Navier）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（G.G.Stokes）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。纳维（L.Navier，1785－1836，法国）斯托克斯（G.Stokes，1819－1903，英国））42流体力学的西方史雷诺（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。43流体力学土建水利航空航天交通运输

环境

气象

石油化工

机械冶金

生物

流体是人类生活和生产中经常遇到的物质形式，因此许多科学技术部门都和流体力学有关；事实上，目前很难找到与流体力学无关的专业和学科。

给水排水、供热通风、供燃气、采暖、以及空气调节中，时时刻刻都离不开流体，都是以流体作为工作介质，通过流体的各种物理作用，对流体的流动有效地加以组织来实现的。能源流体力学在实际工程中的应用节能型建筑水库大坝水电站45流体力学在实际工程中的应用电厂冷却塔污水净化设备模型环境46土木建筑

流体力学在实际工程中的应用杨浦大桥南浦大桥47航空航天航海流体力学在实际工程中的应用船舶运动航空航天48交通运输流体力学在实际工程中的应用蒸汽机车货运汽车海上运输船49石油开采

流体力学在实际工程中的应用海底钻井平台

路上石油开采

50仿生学流体力学在实际工程中的应用51认识、规律自然现象；生活现象；工程现象；解释物理-化学流体动力学；磁流体力学；生物流变学等；未来流体力学的发展方向53引言

(INTRODUCTION)流体力学：宏观力学。FluidMechanics,FluidHydrodynamics，Hydrodynamics研究对象：√牛顿流体

液体——无形状，有一定的体积；不易压缩，存在自由（液）面。

非牛顿流体（泥浆、污水、油漆、高分子溶液等）

气体——既无形状，也无体积，易于压缩。流体：生、动……研究任务：研究流体所遵循的宏观运动规律（流体流动形式中的速度分布、压力分布、能量损失、流体平衡的条件）以及流体和周围物体之间的相互作用，及其在工程技术中的应用。流体静力学：研究流体的平衡规律。流体动力学：研究流体的运动规律（3种流动形式）。一是有压管流，如流体在管道中的流动；