工程流体力学 第2版 项目1 绪论

《流体力学》课程多媒体电子教案教材

教材工程流体力学机械工业出版社2018参考书李玉柱等流体力学高等教育出版社，2008主要参考书

黄卫星，陈文梅主编，《工程流体力学》，北京：化学工业出版社，2001

许贤良，陈庆光等编著.“十一五”高等学校（矿业）规划教材《流体力学》，北京：中国矿业大学出版社，2007

孔珑等主编，国家“九五”重点教材《流体力学》(I、II)，北京：高等教育出版社，2003.9

孔珑主编，普通高等教育“十一五”规划教材《工程流体力学》(第三版)，北京：中国电力出版社，2007.2

张兆顺，崔桂香编著，《流体力学》，北京：清华大学出版社，1999

景思睿，张鸣远编著，《流体力学》，西安：西安交通大学出版社，2001FrankM.White,FluidMechanics,5thed.,McGraw-Hill,NewYork,2003

主要参考书课时安排

授课学时36课程考核

该门课程属于专业基础课，必修课。考核：（1）基础知识（基本概念、基本原理、重要方程、应用）（2）知识的综合运用最终成绩=平时（考勤、作业、实验20%）+卷面（80%）联系方式电话：电子信箱：

QQ：办公室：

§一绪论§二流体力学的研究内容与学科性质§三

流体力学的发展史§四流体力学的研究方法§五

流体力学的研究领域与相关学科§六拓展提高

流体与人类的生产和生活密切相关。自然界中，从包围着整个地球的大气到江河湖海中的水，都是流体。可以说，人类生活在一个被流体包围着的世界里。它专门研究流体在静止和运动时的受力情况与运动规律，研究流体在静止和运动时的压强分布、流速变化、流量大小、能量损失以及与固体壁面之间的相互作用力等问题。随着科学和技术的发展，流体力学已经深入到科学技术的各个领域与国民经济的各个部门。一、绪论案例：塔科马大桥坍塌与卡门涡街

图1.1塔科马大桥通车当日的情形图1.2塔科马大桥轰然坠入普吉特湾瞬间1940年11月7日，刚刚建成通车四个月的塔科马海峡大桥在低风速中由于颤振而坍塌，震惊了世界桥梁界。位于美国华盛顿州的塔科马海峡大桥，横跨普吉特海湾，自1938年9月开始修建，于1940年7月1日通车（如图1.1所示）知名设计师和顾问工程师的莫伊塞夫（Moisseiff）建议采用2.4米深的浅支持梁，这不但降低了成本，而且也使桥梁构型更为优雅。然而在铺设桥面之后，人们很快发现该桥在风中会像波浪一样摆动，便给它起了一个诨名——舞动的格蒂。直至通车时，这一问题仍然存在，但多数人依旧坚信该桥具有足够的结构强度。仅仅四个月后，塔科马大桥在19米/秒的低速风中出人意料地发生了剧烈扭曲振动，并且振动幅度逐渐加大至惊人的9米，随后桥面倾斜至约45度，使吊杆逐一拉断并诱发桥面钢梁折断，轰然坠落于普吉特海湾之中（如图1.2所示）。钱学森先生的导师、著名的空气动力学家冯·卡门对塔科马海峡大桥的坍塌原因进行研究。冯·卡门找来一个塔科马大桥的模型，他将模型放于书桌上，并用电风扇吹风。他很快便发现，当振动频率达到模型的固有频率时，模型将会发生剧烈的共振他得出结论：正是卡门涡街导致了桥梁发生共振，从而引发了坍塌事故。图1.3卡门涡街示意图卡门涡街：在一定条件下，流体绕过某些物体时，会产生两排非对称的旋涡，它们相互交错排列，各个旋涡和对面两个旋涡的中间点对齐，如图1.3所示。例如，水流过桥墩、风吹过烟囱都会产生卡门涡街。【教学目标】1.了解流体的定义及流体力学的研究内容与学科性质；2.了解流体力学的发展史；3.明确流体力学的研究方法；4.了解流体力学的研究领域与相关学科。呈现流动性？

流体固体由于液体和气体都具有无固定形状、能够流动的共同特点，所以通常称为流体。自然界中的物质通常以三种状态存在：固体、液体和气体。二、流体力学研究内容与学科性质表1.1流体与固体的不同

固体流体液体气体有无固定的形状有无无有无固定的体积有有无能否形成自由表面能能否能否承受一定的拉力能否否能否承受一定的剪切力能否（静止时）否（静止时）能否承受一定的压力能能能但易于被压缩流体与固体的不同

1.流体在外力作用下，静止与运动的规律；

2.流体与边界(boundary)的相互作用。流体力学的主要研究内容

固定边界：水工建筑物、河床、管壁等；

运动边界：飞机、船只、风机叶轮等。课程地位

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、力学基础课程流体力学

专业基础课程机械工程学科有关专业课程

流体机械：通风机、水泵、压缩机、水轮机。

航空、航海、航天：飞机、轮船、潜艇、鱼雷、火箭发射。供水系统：开拓水渠；取水口布置；水的净化与消毒；水泵选择；水塔修建；管道设计。

公路桥梁：路基沉陷、崩塌、滑坡、排水；桥梁、涵洞修建。

土建施工：修建围堰、基坑排水、污水排放。流体力学问题举例流体力学流体力学三、流体力学的发展历史1、流体力学形成的萌芽阶段（16世纪以前）古时中国有大禹治水疏通江河的传说；改「堵」为「疏」，对洪水进行疏导。「三过家门而不入」三、流体力学的发展历史1、流体力学形成的萌芽阶段（16世纪以前）秦朝李冰父子带领劳动人民修建的都江堰，至今还在发挥着作用。

郑国渠、灵渠三、流体力学的发展历史1、流体力学形成的萌芽阶段（16世纪以前）

郑国渠是公元前237年，秦王政采纳韩国水利家郑国的建议开凿的。它西引泾水(陕西北面）东注洛水，长达300余里。灌溉面积达280万亩，成为我国古代最大的一条灌溉渠道。

陕西泾阳县，此大坝为世界上最早三、流体力学的发展历史1、流体力学形成的萌芽阶段（16世纪以前）南渠（至漓江）北渠（至湘江）铧嘴

海洋河30%70%防洪：灵渠从源头始每隔一段距离就有一个泄水涵，当渠中水位高至上限，自动地往北面湘江泄水；灵渠的上游还筑有一道漫水堤，大大提高了渠道的泄水能力。因此每年夏季的雷雨季节，河里经常发洪水，不管北面的湘江有多大的洪水，南面灵渠的水量还是基本保持在原来的水位。

交通运输：连接珠江（岭南）与长江水系（中原）唐后沿途设斗门，相当于现代的闸门，为世界最早。

农田灌溉:

大小天平铧嘴

始建于秦始皇时期（公元前223年～214年）

“七分湘水三分漓”三、流体力学的发展历史1、流体力学萌芽阶段赵州桥（公元591年至599年）南北大运河（隋朝公元587年至610年）——拱背的4个小拱，既减压主拱的负载，又可宣泄洪水三、流体力学的发展历史1、流体力学形成的萌芽阶段（16世纪以前）古罗马人建成了大规模的供水管道系统

三、流体力学的发展历史2、流体力学基础阶段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，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。此后千余年间，流体力学没有重大发展。阿基米德发现浮力三、流体力学的发展历史2、流体力学基础阶段15世纪，意大利达·芬奇的著作才谈到水波、管流、水力机械、鸟的飞翔原理等问题。达·芬奇自画像17世纪，帕斯卡阐明了静止流体中压力的概念。布莱士·帕斯卡17世纪，牛顿《自然科学的数学原理》一书后，流体力学作为一门严密的科学，随着经典力学建立了速度、加速度，力、流场等概念，确立了质量、动量、能量三个守恒定律最终形成。牛顿三、流体力学的发展历史2、流体力学基础阶段欧拉欧拉采用了连续介质的概念，把静力学中压力的概念推广到运动流体中，建立了欧拉方程，正确地用微分方程组描述了无粘流体的运动伯努利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，得到了流体定常运动下的流速、压力、管道高程之间的关系——伯努利方程

伯努利

三、流体力学的发展历史2、流体力学基础阶段谢才（法国）建立了渠道流量经验公式

弗鲁德（英国）建立了模型试验法则雷诺（爱尔兰）提出层流和紊流运动达朗贝尔(1717-1783)达朗贝尔对运河中船只的阻力进行了许多实验工作，证实了阻力同物体运动速度之间的平方关系数学分析、实验+数学分析、实验数学分析伯努利方程欧拉方程纳维－斯托克斯方程（N-S方程）雷诺方程实验+数学分析缺陷：复杂性、理想模型的局限性、难应用于实际工程谢才公式曼宁公式理论方法理论＋实践实用水力学古典水力学三、流体力学的发展历史3、流体力学飞跃发展阶段

数学分析、实验+数学分析、实验

计算机技术＋航空技术等(现代流体力学)普朗特PrandtlL.(1875-1953)冯﹒卡门(1881-1963)卡门涡街三、流体力学的发展历史边界层分离现象三、流体力学的发展历史

以周培源、钱学森为代表的中国科学家在湍流理论、空气动力学等许多领域中作出了基础性、开创性的贡献。周培源（1902－1993）钱学森（1911－2009）四、流体力学的研究方法

理论分析、实验研究和数值计算（模拟）相结合。三个方面是互相补充和验证，但又不能互相取代的关系。基本假设

数学模型

解析表达

理论分析数值计算

实验观测

数学模型

数值模型

数值解

模型试验

量测数据

换算到原型如图1.5所示，典型的流体力学实验有风洞实验、水洞实验、水池实验等类型。

(a)风洞实验

(b)水洞实验

(c)水池实验图1.5优势局限理论分析对流动机理解析表达，因果关系清晰。

受基本假设局限，少数情况下才有解析结果。

实验研究

（模型试验）

直接测量流动参数，找到经验性规律。

成本高，对量测技术要求高，不易改变工况，存在比尺效应。

数值计算扩大理论求解范围，成本低，易于改变工况，不受比尺限制。

受理论模型和数值模型局限，存在计算误差。

五、与流体力学相关的工程领域和学科海洋

土木水利航空航天交通运输

环境

气象

石油化工

机械冶金

生物

流体力学Engineeringfieldsanddisciplines排球足球网球游泳赛艇铁饼高尔夫球赛跑赛车标枪乒乓球羽毛球大部分竞技体育项目与流体力学有关

流体力学与相关的邻近学科相互渗透，形成了很多新的分支和交叉学科.主要分支学科

流动稳定性和湍流*

气体动力学水动力学*

地球流体力学环境流体力学*

生物流体力学磁流体力学

渗流*

多相流*

非牛顿流*

计算流体力学*

实验流体力学*

流变学量子流体力学电（子）流体力学1.超音速流的加速在水流流动的中速或低速、亚音速的气体流动中，流体在面积逐渐变小的通道中流动时，其流动将逐渐加速。（如消防龙头和灌溉用的喷头就是面积逐渐变小的通道。）在超音速流动时，只有在面积逐渐变大的通道中，流动才获得加速。对于亚声速变截面流动，截面积增加时，流速减小，压强增加，变化规律符合不可压缩流体的流动规律。亚声速气流做加速降压流动时，过流断面积一定是逐渐减小的。欲使气流加速，则必须使用渐缩管道，如图1.6所示。

超音速流的加速

在超声速流动的情况下，为可压缩流体，运动规律与亚声速变截面流动相反。当过流断面积增加时，流速增加，压强降低；反之，超声速气流作减速升压流动时，过流断面积一定是逐渐减小的。欲使气流加速，则必须采用渐扩管道，如图所示。

将气流从亚声速向超声速转变，或者从超声速向亚声速转变，用单纯的收缩管或单纯的扩张管都是无法实现的。亚声速与超声速的相互转换需要采用拉瓦尔喷管（如图所示）这种特殊装置来实现。拉瓦尔喷管由收缩段、喉部、及扩张段组成。这种先收敛后扩张的管道形状是从初始亚声速流获得超声速流的必要条件，称为拉伐尔喷管的几何条件。2.汽车阻力来自前部还是后部最开始人们认为汽车高速前进时的阻力主要来自车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0.8实际上，汽车阻力主要取决于后部形成的尾流，叫形状阻力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0.620世纪50－60年代改进为船型，阻力系数为0.4580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以后进一步改进为楔型，阻力系数为0.2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

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。3.高尔夫球：表面光滑还是粗糙？高尔夫球运动起源于15世纪的苏格兰，当时人们认为表面光滑的球飞行阻力小，因此用皮革制球。后来发现表面有很多划痕的旧球反而飞得更远，这个谜直到20世纪建立流体力学边界层理论后才解开。现在的高尔夫球表面有很多窝坑，在同样大小和重量下，飞行距离为光滑球的5倍。动画演示4.机翼升力的产生

当气流迎面流过机翼时，流线分布情况如图所示。原来是一股气流，由于机翼的插入，被分成上下两股。气流绕过机翼后，在后缘又汇合成一股