工程流体力学绪论-

工程流体力学1.1流体力学的研究内容和方法1.2流体力学发展简史1.3流体的连续介质模型1.4量纲和单位工程实例绪论第1章

绪论教学提示：流体力学与固体力学相比，所研究对象的特性差异很大，在研究方法上也有较大的差异。本章的重点是流体质点和连续介质模型的基本概念。教学要求：掌握流体质点和连续介质模型的概念。1.1流体力学的研究内容和方法流体力学是以流体为研究对象的力学，是研究流体平衡和运动规律的一门科学，是力学的一个重要分支。流体包括液体和气体。流体力学的应用领域非常广泛，它是用来解释大气流动、河水流动、龙卷风等自然现象的科学，也是用来解决众多工程问题的科学。许多有趣的问题可以用比较简单的流体力学原理来阐释，比如：（1） 为什么将飞机的外表面做成光滑的流线形，而将高尔夫球的外表面做成粗糙的表面？（2） 汽车阻力来自前部还是尾部？（3） 在没有空气来产生反推力的外层空间，火箭是怎样产生推力的？（4） 如何根据从模型风机上获得的数据信息来制造实际飞机？1.2流体力学发展简史人类为了生存，因远古以来一直持续不断地与自然界进行着不懈的斗争。流体力学同其它自然科学一样，是在长期的生产实践和科学研究中逐渐被人们认识和总结，发展成为自然科学的一个重要的分支。正如典地利物理学家汉斯·蒂林格在《从牛顿到薛定谔的理论物理学之路》一书中写道：“每一门科学都是用世世代代研究者无数努力的代价建立起来的大厦。”古今中外许许多多从事流体力学问题的研究者，如同卓越的建筑师，用自己的聪明才智和辛勤劳动的汗水筑成了完整的流体力学“大厦”。人们最早有关流体知识的认识是从治水、灌溉、航行等方面开始的。1.流体力学在中国

我国人民对流动的认识可以追溯到4000多年前的大禹治水。大禹治水的记载说明我国古代已有大规模的治河工程。在秦代，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，说明我们的祖先当时对明槽水流和堰流流动规律的认识已经达到相当的水平。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。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。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》。2.流体力学的西方发展史在西方最早从事流体力学现象研究的学者是希腊哲学家阿基米德(Archimedes公元前287—公元前212)。他在公元前250年写成的《论浮体》一书中提出了流体静力学的基本定律，这是人类历史上最早的水力学著作。正是从这时起，流体流动才开始发展成为一门独立的学科。

在以后的一段较长的历史时期中，没有记载关于流体力学发展的有关资料。

直到15世纪末，著名的物理学家和艺术家列奥纳德·达·芬奇(LeonardoDaVinci，l452—1519)在米兰附近设计和建造了世界上第一个小型水渠。同时，他还比较系统地研究了沉浮问题、孔口出流、物体运动阻力、流体在管路和水渠中流动等问题，1.3流体的连续介质模型流体是指易于流动购物体、就其力学行为来讲，流体可以承受很大的压力，但往独几乎不能承受拉力。对于流体而言，在极小的剪力作用下都将产生无休止的变形，即流动，直到剪力停止为止。而固体则既能承受压力又能承受拉力和剪力。固体在外力作用下会产生变形，但在一定范围内，变形将随外力的消失而消失。由此可以看出，固体有一定的形状，而流体却没有，它取决于盛装流体容器的形状。

流体分为液体和气体。液体和气体的主要区别之一就是流动性的大小。由于气体远比液体具有更大的流动性，故它总是充满所存在的空间，而液体与气体接触时存在自由表面，只占据容器体积的一部分。1.4量纲和单位在流体力学中，我们需要描述和研究大量的流体或流动的特性，比如流体的密度、粘性，流动的速度、加速度等等，因此我们必须规定定性和定量描述流体或流动特性的量纲系统和单位制。量纲(dimensions)是流体或流动特性的定性表示，比如长度、质量、时间、速度等等，单位(units)则是某类特性的定量表示，即某类特性的大小，比如长度的大小、时间的长短、速度的快慢等等。量纲也称为因次，分为基本量纲(basic

dimensions)和导出量纲(derived

dimensions)。量纲用大写的英文字母表示。在流体力学中，常用的基本量纲有长度、时间和质量，分别用L、T和M来表示。导出量纲是由基本量纲导出的量纲，比如速度，用LT-1表示；力，用MLT-2表示；压强，用ML-1T-2表示；密度，用ML-3表示，等等。在国际单位制中，规定了7个基本单位(basic

units)，分别是长度、质量、时间、电流、物质的量、热力学温度和光强，它们的单位名称和符号见表1-1。其它物理量的单位可以通过基本单位推导得出，称为导出单位(derivedunits)。流体力学中常用的基本单位和导出单位见表1-2。每一种量纲对应着不同的单位，比如长度、速度、力等