流体力学第1章绪论1

流体力学FluidMechanics教师介绍•聂宇宏,博士，教授••热能与动力工程教研室Address：船海楼418E-mail:[e-mail]第一章绪论1-2流体及其物理性质1-1课程简介及教学要求主要内容一、流体运动与流体力学二、流体力学与科学四、流体力学的研究方法三、流体力学与工程技术一、流体的定义和特征二、流体的主要物理性质三、作用在流体上的力流体力学与工程热力学、传热学一起构成了热能与动力工程专业学生的三门主要专业基础课。所有后续的专业课程，都是这三门课程的综合和实际的应用。学好这三门课程，对热能与动力工程专业学生，尤为重要。流体力学主要介绍流体的性质及其运动规律。学习这些知识，可以认识流体的平衡特性，流体的流动规律，流体的流动形态，流体流动的阻力特性等。这些知识都是生产实践中非常需要的。将会在后续课程中经常用到。1-1课程简介及教学要求流体力学在工业技术中有着广泛的应用，水利工程、造船工业、航空航天、土木建筑、冶金化工中都离不开流体力学，热能与动力工程中的许多实际问题，实际上就是流体力学问题。如锅炉中的气水循环，汽轮机的工作原理，水泵、风机的工作原理等都要用到流体力学的基本原理，因此学好流体力学就为将来从事热能工程的技术工作打下坚实的基础。总之，流体力学这门课非常重要，流体力学的知识今后会经常用到。大家一定要化力气扎扎实实地学好工程流体力学。一、流体运动与流体力学人类的祖先在海洋里生活了40亿年。人类在空气里也生活了700万年。虽然生活在流体环境中，人们对一些流体运动却缺乏认识，比如：1.：表面光滑还是粗糙？高尔夫球2.：来自前部还是后部？汽车阻力3.：来自下部还是上部？机翼升力高尔夫球运动起源于15世纪的苏格兰。起初，人们认为表面光滑的球飞行阻力小，因此当时用皮革制球。最早的高尔夫球（皮革已龟裂）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许多窝，在同样大小和重量下，飞行距离为光滑球的5倍。汽车阻力汽车发明于19世纪末。当时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，阻力系数很大，约0.8。20世纪30年代起，人们开始运用流体力学原理，改进了汽车的尾部形状，出现了甲壳虫型，阻力系数下降至0.6。实际上，汽车阻力主要取决于后部形成的尾流。50～60年代又改进为船型，阻力系数为0.45。80年代经风洞实验系统研究后，进一步改进为鱼型，阻力系数为0.3。后来又出现楔型，阻力系数为0.2。90年代以后，科研人员研制开发了气动性能更优良的未来型汽车，阻力系数仅为0.137。机翼升力人们的直观印象是空气从下面冲击着鸟的翅膀，把鸟托在空中。19世纪初流体力学环流理论彻底改变了人们的传统观念。脱体涡量与机翼环量大小相等方向相反足球运动的香蕉球现象可以帮助理解环流理论：旋转的球带动空气形成环流，一侧气流加速，另一侧减速，形成压差力，使足球拐弯，称为马格努斯效应。机翼的特殊形状使它不用旋转就能产生环流，上部流速加快形成吸力，下部流速减慢形成压力。测量和计算表明上部吸力的贡献比下部要大。NACA2412翼型在7.4度攻角时的压强分布人们之所以不能凭直觉来认识流体运动，是因为•空气看不见摸不着•水无色透明肉眼难以观察•流动形态变化太快肉眼无法辨认用特殊的技术可以让流动图像显现出来：高尔夫球和汽车的阻力同尾部漩涡流有关，用圆柱绕流流场显示和数值模拟可观察尾流图像。机翼升力也与后部的漩涡有关，同样可以用流场显示技术来观察。丰富多彩的流动图案背后隐藏着复杂的力学规律，有些动物具有巧妙运用这些规律的本领。地球表面水和空气的运动是气象、水文、水利、环保、农业、航空、航海、渔业、国防等部门研究的对象。船舶海洋航空航天大气环流水利枢纽石油勘探流体机械建筑桥梁仿生推进环境保护交通堵塞人体生命材料特性体育运动化工过程早在纪元前，人类研究流体运动就已经有了不少的成就。公元前2280年中国的大禹治水公元前4世纪古罗马供水系统公元前3世纪阿基米德浮力定律公元前3世纪中国四川都江堰水利工程二、流体力学与科学公元前2280年中国的大禹治水。公元前4世纪古罗马供水系统。公元前3世纪阿基米德浮力定律。阿基米德（Archimedes,287-212B.C.希腊）•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。公元前3世纪中国四川都江堰水利工程。18世纪，随着牛顿运动定理和微积分方法的建立，流体力学迈入理性研究和持续发展阶段。•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。一批著名数学家建立了描述无粘性流体运动的理论流体力学。欧拉（L.Euler,1707-1783,瑞士）•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。伯努利（D.Bernouli1700－1782，瑞士）一批著名数学家建立了描述无粘性流体运动的理论流体力学。•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。达朗贝尔（J.d’Alembert，1717－1783，法国）一批著名数学家建立了描述无粘性流体运动的理论流体力学。•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，意大利)一批著名数学家建立了描述无粘性流体运动的理论流体力学。•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。哈根（G.Hagen德国）和泊肃叶（J.Poiseuille法国）建立了圆管流量经验公式。谢才（A.Chezy法国）建立了渠道流量经验公式。谢才（A.Chezy，1718－1798，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。19世纪末，理论流体力学与实验流体力学开始结合，此期间的重大进展还有：弗劳德（W.Froude,1810－1879,英国）建立了模型试验法则。19世纪末，理论与实验流体力学开始结合，此期间的重大进展还有：瑞利（J.Rayleigh，1842－1919，英国）。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。19世纪末，理论与实验流体力学开始结合，此期间的重大进展还有：雷诺（O.Reynolds，1842－1912，爱尔兰）•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。19世纪末，理论与实验流体力学开始结合，此期间的重大进展还有：纳维（L.Navier）斯托克斯（G.Stokes）（1785－1836，法国）（1819－1903，英国）•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。现代意义上的流体力学形成于20世纪初。以普朗特（L.Prandtl，1875－1953，德国）边界层理论为标志。•建立了边界层理论，解释了阻力产生的机制。以后又针对航空技术和其他工程技术中出现的紊流边界层，提出混合长度理论。1918-1919年间，论述了大展弦比的有限翼展机翼理论，对现代航空工业的发展作出了重要的贡献。卡门、泰勒等众多科学家奠定了近代流体力学基础。卡门（V.Karman，1881－1963，美国）在1911-1912年连续发表的论文中，提出了分析带旋涡尾流及其所产生的阻力的理论，人们称这种尾涡的排列为卡门涡街。在1930年的论文中，提出了计算紊流粗糙管阻力系数的理论公式。嗣后，在紊流边界层理论、超声速空气动力学、火箭及喷气技术等方面都有不少贡献泰勒（G.Taylor，1886－1975，英国）卡门、泰勒等众多科学家奠定了近代流体力学基础。他阐明激波内部结构（1910）；对大气湍流和湍流扩散作了研究（1915，1921，1932）；得出同轴两转动圆轴间流动的失稳条件（1923），在研究原子弹爆炸中提出强爆炸的自模拟理论（1946，1950）；指出在液滴中起主要作用的是表面张力而不是粘性力（1959）等以周培源、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。钱学森（1911－2009）•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。周培源（1902－1993）•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。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。流体力学的一些重大发现和成果还推广到其他学科领域，有的已成为新科学的基石。20世纪最具代表性的有：1.普朗特边界层理论导致应用数学中渐进匹配法的形成德国流体力学家普朗特（L.Prandtle）创立的边界层理论：绕流区边界层外部无粘区（用放大坐标作内部展开）（对原变量作外部展开）匹配这一思想被演化为数学中渐近展开匹配法：2.流体力学孤立波理论成为光通信的基石1844年英国科学家罗素（J.Russell）在狭窄的运河河道中发现由船头推动的一个孤立波，以不变的波形沿河行进了3公里，敏锐的观察到一个新现象。20世纪发现，两个孤立波在相互作用后保持波形不变，由此建立孤立子理论，已广泛应用于光学、水波、声学、超导等领域。3.从流体力学Lorenz方程发现混沌1959年美国气象学家劳仑兹（E.Lorenz）在用流体力学方程求解大气热对流运动时发现混沌现象。热对流模型Lorenz方程代表无穷多种天气状态的混沌吸引子曲线外形酷似蝴蝶，被称为蝴蝶效应。混沌理论是非线性科学的重要基础，已成功地应用于分形学甚至用于解释生命和社会学现象。流体力学也是众多应用科学和工程技术的基础。由于空气动力学的发展，人类研制出3倍声速的战斗机。F-15三、流体力学与工程技术幻影2000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。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。排水量达50万吨以上的超大型运输船；航速达30节，深潜达数百米的核动力潜艇；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。用翼栅及高温，化学，多相流动理论设计制造成功