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1、1第1章 绪论（ Preface ）目的目的基本基本内容内容连续介质假设连续介质假设流体的流动性、粘性、可压缩性等物理性质流体的流动性、粘性、可压缩性等物理性质作用在流体上的力。作用在流体上的力。21.1 流体力学的研究对象及意义流体力学的研究对象及意义液体液体可以可以3 水动力学水动力学( (Hydrodynamics) ) 空气动力学空气动力学( (Aerodynamics) )41.1 流体力学的研究对象及意义流体力学的研究对象及意义水动力学基础水动力学基础势流理论势流理论( (波浪理论波浪理论) )、粘流理论、粘流理论、 边界层理论及机翼理论。边界层理论及机翼理论。课程体系课程体系静力
2、学、运动学、动力学（理想流、静力学、运动学、动力学（理想流、 粘流）。粘流）。力学意义力学意义流场中速度和压力分布及其变化规律、流场中速度和压力分布及其变化规律、 物体与流体相互作用物体与流体相互作用、流体对物体的作用力（矩）、流体对物体的作用力（矩） 及其产生的原因及影响因素。及其产生的原因及影响因素。 * 理论研究方法：通过对流体物理性质和流动特征的科学抽象（近似）抽出合理的理论模型。对这样的理论模型，根据机械运动的普遍规律，建立控制流体运动的闭合方程组，将原来的具体流动问题转化为数学问题，在相应边界条件和初始条件下求解。理论研究方法的关键在于提出理论模型，并能运用数学方法求出理论结果。由
3、于数学上的困难，许多实际问题还难以精确求解 。* 实验研究方法：将实际流动问题归结为相似的实验模型，根据实验过程和实验结果来推测实际问题结果 。* 数值研究方法：在计算机运用的基础上，采用各种离散方法（有限差分法，有限元法等），建立各种数值模型，通过计算机进行数值计算和数值实验，获得定量描述流动的数值解。近二三十年来这一方法得到很大发展，已形成专门的学科 。理论方法、实验方法、数值方法。理论方法、实验方法、数值方法。 流体力学的萌芽，是自距今约2200年希腊学者阿基米德的论浮体一文开始的。他对静止流体的性质作了第一次科学总结。 流体力学的主要发展，是从牛顿时代开始的，1687年牛顿的名著原理讨
4、论了流体的阻力、波浪运动等问题，使流体力学开始变为力学中的一个独立分支。此后，流体力学的发展主要经历了四个阶段：1、伯努利所提出的液体运动的能量估计及欧拉所提出的液体运动的解析方法，为研究液体运动的规律奠定了理论基础，在这一基础上形成了属于数学的古典“水动力学”（或古典流体力学）；2、在古典“水动力学”的基础上，Navier和stokes提出了著名的实际粘性流体的基本运动方程N-S方程。从而为流体力学的长远发展奠定了理论基础。但是由于古典流体力学在理论上的假设，如理想流体与实际不尽相符，或数学上求解方程的困难，不能满意地解决工程问题，故而形成了以实验方法来制定经验公式的“实验流体力学”；3、从
5、十九世纪末起，人们将理论分析方法和实验分析方法相结合以解决实际问题，“古典流体力学” 和“实验流体力学”的内容也不断更新。在此基础上，最终形成了理论与实际并重的现代流体力学；这期间，英国工程师、物理学家雷诺阐明了相似原理，流体流动有层流和湍流两种形态，判别准数雷诺数，雷诺方程。英国物理学家、数学家瑞利提出了量纲分析求流动相似准则。 4、二十世纪六十年代以后，由于计算机的发明与普及，出现了在理论分析和实验观察的基础上拟定计算方案，利用计算机编程求解数值解的流体力学研究方法，即“计算流体力学“。现代测量技术如激光测速仪等的应用和计算机在实验数据的监测、采集等中的应用，都促进了工程流体力学的发展。
6、* 四千多年前”大禹治水“的故事顺水之性，治水需引导和疏通。* 秦朝在公元前256210年，修建了我国历史上的三大水利工程（都江堰、国渠和灵渠） 明渠水流和堰流。* 古代的计时工具“铜壶滴漏” 孔口出流* 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。* 隋朝完成的南北大运河。* 隋朝工匠李春在（公元605617年）修建的赵洲石拱桥 拱背的4个小拱，既可减压主拱的负载，又可宣泄洪水。*中华人民共和国成立以来，根治了淮河工程，黄河的综合工程，长江综合利用、整治工程和几座大桥相继建成，长江三峡工程顺利建成。在水利建设中：如防洪、灌溉、航运、水力发电、河道整治等
7、； u 在航空航天中：如航天飞机、人造卫星等;u 在国民经济的其他技术部门中：如机械工程中的润滑、液压传动；船舶的行波阻力；市政工程中的通风、通水，高层建筑的受风作用；铁路、公路隧道中的压力波传播、汽车的外形与阻力的关系；血液在人体内的流动；污染物在大气中的扩散等。 1.1.3 1.1.3 工程应用工程应用 实际流体是由分子组成的，流体分子是有一定形状的，流体分子与分子之间存在间隙，每个分子不停地做无规则的热运动，从微观结构上来看，在空间和时间上都是不连续的，但是流体力学研究的是流体的宏观规律，一般不需要讨论流体分子的微观结构，客观上又是稳定和连续的。因此需要对流体的物理实体加以模型化。 17
8、53年瑞士自然科学家欧拉首先提出了为宏观的流体力学模型，即假定流体是由无数流体质点所组成，这些流体质点紧密接触,彼此没有间隙。*流体质点流体质点宏观上足够小, 以致于可以将其看成一个几何上没有维度的点；它的形状是任意的，因此流体质点之间可以紧密接触，彼此没有间隙。微观上足够大，它里面包含许许多多的流体分子，其行为已经表现出大量分子的统计学性质；*流体微团流体微团采用连续介质模型后，就可以把流体的一切物理性质如密度、压强、温度及宏观运动速度等表为空间和时间的连续可微函数，便于用数学分析工具来解决问题。！ 通常将流体中任意小的一个微元部分称作流体微团。当流体微团的体积无限缩小并以一个坐标点为极限时
9、，流体微团就成为位于该坐标点上的流体质点。12 合理性：合理性：在标准状态下（在标准状态下（ , 1atm, 1atm）1 1 空气中，具空气中，具有有2 2. .7 7 个分子，水具有个分子，水具有3 3.4.4 个分子，气体分子个分子，气体分子平均自由行程约为平均自由行程约为7 7 cm.cm.3mmC0016101910610意义：意义：可以应用数学方法描述流体的连续流动，亦即流体可以应用数学方法描述流体的连续流动，亦即流体的各种物理量应为空间和时间的单值连续可微函数的各种物理量应为空间和时间的单值连续可微函数。tzyxVmVmVVV,limlim0*一、易流动性一、易流动性静止流体不能
10、承受切应力，在切应力作用下流体能产生连续变形(流动)。141.3 流体的物理性质流体的物理性质 ( ) in the SI unit system3mkgVmVmVddlim0比容比容 (specific volume)：1vg3mN比重比重（specific gravity）：）： COHod4215U流体运动时，对相邻两层流体间相对运动，即相对滑流体运动时，对相邻两层流体间相对运动，即相对滑动速度具有动速度具有抵抗剪切（力）变形的性质抵抗剪切（力）变形的性质称为粘性或内称为粘性或内摩擦。摩擦。 16图1.3.1 yudyduhuAFx17）（T)m(1007. 126waters)m(10
11、0 .1526airsT空气 水181.3.2 粘性粘性(viscosity)4)4)理想流体与粘性流体理想流体与粘性流体理想流体：理想流体： 的流体（无粘的流体（无粘性流体）。性流体）。05)5)牛顿流体和非牛顿流体牛顿流体和非牛顿流体牛顿流体牛顿流体: : 剪应力和变形速率满足线性剪应力和变形速率满足线性关系。关系。非牛顿流体：非牛顿流体：剪切应力和变形速率之间剪切应力和变形速率之间不满足线性关系的流体。不满足线性关系的流体。m1图1.3.4牛顿流体和非牛顿流体Odndumdnduk191)1) 压缩性定义：压缩性定义：流体的密度或容积随压力或温度变化的性质。流体都是流体的密度或容积随压力
12、或温度变化的性质。流体都是可压缩的可压缩的压缩系数压缩系数 体积模量体积模量膨胀系数膨胀系数（体胀系数）：（体胀系数）：/1112NmpppVVvvpPavpvpVpVEVK/1TTVVv201.3.3压缩性（压缩性（compressibility） 不可压缩流体：不可压缩流体： 正压流体：正压流体： 斜压流体：斜压流体： 0dtd pf),(Tpf211.4 流体的界面现象和性质流体的界面现象和性质1. 互不掺混流体界面上存在表面张力互不掺混流体界面上存在表面张力 （surface tension）2. 流体与固壁界面表面张力流体与固壁界面表面张力 毛细现象：毛细现象：气、液、固三种界面之间
13、的浸润作用。气、液、固三种界面之间的浸润作用。3.流流-固界面上速度的连续性固界面上速度的连续性 粘性流体：粘性流体：界面上流体速度和固体运动速度相等。界面上流体速度和固体运动速度相等。 （无滑移条件）（无滑移条件） 理想流体：理想流体：界面上允许流体切向滑移，但不能穿透，即界面上界面上允许流体切向滑移，但不能穿透，即界面上流流-固速度的法向投影相等固速度的法向投影相等 （不可穿透条件）（不可穿透条件）bvv nvnvb22 1.5 作用在流体上的质量力和表面力作用在流体上的质量力和表面力1.5.1 质量力（体积力）质量力（体积力）：dVdVmzyxVmFFFf00lim1lim),(kjif
14、zyxfffdVtzyxV),(fF重力场中：重力场中：kgfg单位质量质量力：单位质量质量力：质量力的合力：质量力的合力：SFPnVSVnnpnptfm透过物质传递的力。分离体内任取一微元体积，其质量为透过物质传递的力。分离体内任取一微元体积，其质量为 ，有有 231.5.2. 表面力：表面力：dSdSSPPpn0limSdsnpPnp nnnptp nSFPnSVnnpnptf外界通过接触传递的力，用应力来表示。外界通过接触传递的力，用应力来表示。241.5.3 理想流体中一点处的应力理想流体中一点处的应力 Pascals law理想（静止）流体中没有切应力理想（静止）流体中没有切应力 ，只承受压，只承受压力力 ，不能承受拉力。表面力只有法向压应力，不能承受拉力。表面力只有法向压应力p p0nnpp npnpnnpnnpnnpnnpp 025),(tzyxppnpn C图1.5.2 理想流体中一点处的应力DxpzpypdxdydzxyoABznnpnnzzyyxxpppp26作业：作业：1-31-41-51-61-7