工程流體力學(xué)0前言2~1

1、1 工程流體力學(xué)工程流體力學(xué) 中國礦業(yè)大學(xué)中國礦業(yè)大學(xué) 電力學(xué)院動力系電力學(xué)院動力系 主講：陳更林主講：陳更林 副教授副教授 Email: Tel:0516-8388937713952201901 2 工程流體力學(xué)工程流體力學(xué)前言前言 一、工程流體力學(xué)的研究對象一、工程流體力學(xué)的研究對象 流體力學(xué)是以流體流體力學(xué)是以流體(包括液體和氣體包括液體和氣體)為對象，研究為對象，研究 其平衡和運動時宏觀基本規(guī)律的科學(xué)。主要研究流體在其平衡和運動時宏觀基本規(guī)律的科學(xué)。主要研究流體在 平衡和運動時的壓力分布、速度分布、與固體之間的相平衡和運動時的壓力分布、速度分布、與固體之間的相 互作用以及流動過程中的能

2、量轉(zhuǎn)換等。互作用以及流動過程中的能量轉(zhuǎn)換等。 流體力學(xué)在許多工程技術(shù)領(lǐng)域和國民經(jīng)濟各生產(chǎn)部流體力學(xué)在許多工程技術(shù)領(lǐng)域和國民經(jīng)濟各生產(chǎn)部 門有著廣泛的應(yīng)用。水利工程、采暖通風(fēng)、石油化工、門有著廣泛的應(yīng)用。水利工程、采暖通風(fēng)、石油化工、 航空航天等，都會涉及到流體的平衡和運動。因此，流航空航天等，都會涉及到流體的平衡和運動。因此，流 體力學(xué)是一門重要的技術(shù)基礎(chǔ)課程。體力學(xué)是一門重要的技術(shù)基礎(chǔ)課程。 3 研究方法研究方法: 理論分析理論分析: : 根據(jù)實際問題建立理論模型根據(jù)實際問題建立理論模型 涉及涉及 微分體積法微分體積法 速度勢法速度勢法 保角變換法保角變換法 實驗研究方法實驗研究方法: :

3、根據(jù)實際問題利用相似理論建根據(jù)實際問題利用相似理論建 立實驗?zāi)Ｐ土嶒災(zāi)Ｐ?選擇流動介質(zhì)選擇流動介質(zhì) 設(shè)備包括風(fēng)洞、水設(shè)備包括風(fēng)洞、水 槽、水洞、激波管、測試管系等槽、水洞、激波管、測試管系等 數(shù)值計算方法數(shù)值計算方法 ：根據(jù)理論分析的方法建立數(shù)：根據(jù)理論分析的方法建立數(shù) 學(xué)模型，選擇合適的計算方法，包括有限差分學(xué)模型，選擇合適的計算方法，包括有限差分 法、有限元法、邊界元法等，利用商業(yè)軟件和法、有限元法、邊界元法等，利用商業(yè)軟件和 自編程序計算，得出結(jié)果，用實驗方法加以驗自編程序計算，得出結(jié)果，用實驗方法加以驗 證。證。 流體力學(xué)流體力學(xué)前言前言 4 流體力學(xué)的發(fā)展簡史流體力學(xué)的發(fā)展簡史流體

4、力學(xué)在中國流體力學(xué)在中國 大禹治水大禹治水 40004000多年前的大禹治水，說明我國古代已有大規(guī)模的治多年前的大禹治水，說明我國古代已有大規(guī)模的治 河工程。河工程。 ( (公元前公元前256210256210年年) ) 秦代，在公元前秦代，在公元前256-256-前前210210年間便修建了都江堰、年間便修建了都江堰、鄭國鄭國 渠渠、靈渠三大水利工程，說明當(dāng)時對明槽水流和堰流流動規(guī)、靈渠三大水利工程，說明當(dāng)時對明槽水流和堰流流動規(guī) 律的認識已經(jīng)達到相當(dāng)水平。律的認識已經(jīng)達到相當(dāng)水平。 龍首渠龍首渠（公元前（公元前156-156-前前8787） 西漢武帝時期，為引洛水灌溉農(nóng)田，在黃土高原上修建

5、了西漢武帝時期，為引洛水灌溉農(nóng)田，在黃土高原上修建了 龍首渠，創(chuàng)造性地采用了井渠法，即用豎井溝通長十余里的龍首渠，創(chuàng)造性地采用了井渠法，即用豎井溝通長十余里的 穿山隧洞，有效地防止了黃土的塌方。穿山隧洞，有效地防止了黃土的塌方。 5 水利風(fēng)力機械 在古代，以水為動力的簡單機械也有了長足的發(fā)展，例如 用水輪提水，或通過簡單的機械傳動去碾米、磨面等。東漢 杜詩任南陽太守時（公元37年）曾創(chuàng)造水排水排（水力鼓風(fēng)機）， 利用水力，通過傳動機械，使皮制鼓風(fēng)囊連續(xù)開合，將空氣 送入冶金爐，較西歐約早了一千一百年。 流體力學(xué)的發(fā)展簡史流體力學(xué)的發(fā)展簡史流體力學(xué)在中國流體力學(xué)在中國 6 流體力學(xué)的發(fā)展簡史流體

6、力學(xué)的發(fā)展簡史流體力學(xué)在中國流體力學(xué)在中國 真州船閘真州船閘 北宋（北宋（960-1126960-1126）時期，在運河上修建的真州船閘與十四）時期，在運河上修建的真州船閘與十四 世紀末荷蘭的同類船閘相比，約早三百多年。世紀末荷蘭的同類船閘相比，約早三百多年。 潘季順潘季順 明朝的水利家潘季順（明朝的水利家潘季順（1521-15951521-1595）提出了）提出了“筑堤防溢，筑堤防溢， 建壩減水，以堤束水，以水攻沙建壩減水，以堤束水，以水攻沙”和和“借清刷黃借清刷黃”的的治黃原 則，并著有，并著有兩河管見兩河管見、兩河經(jīng)略兩河經(jīng)略和和河防一攬河防一攬。 流 量 清朝雍正年間，何夢瑤在清朝雍正

7、年間，何夢瑤在算迪算迪一書中提出一書中提出流量等于過等于過 水?dāng)嗝婷娣e乘以斷面平均流速的計算方法。水?dāng)嗝婷娣e乘以斷面平均流速的計算方法。 7 流體力學(xué)的發(fā)展簡史流體力學(xué)的發(fā)展簡史流體力學(xué)在中國流體力學(xué)在中國 錢學(xué)森錢學(xué)森 錢學(xué)森（錢學(xué)森（19111911）浙江省杭州市人，）浙江省杭州市人， 他在火箭、導(dǎo)彈、航天器的總體、動力、他在火箭、導(dǎo)彈、航天器的總體、動力、 制導(dǎo)、氣動力、結(jié)構(gòu)、材料、計算機、質(zhì)制導(dǎo)、氣動力、結(jié)構(gòu)、材料、計算機、質(zhì) 量控制和科技管理等領(lǐng)域的豐富知識，為量控制和科技管理等領(lǐng)域的豐富知識，為 中國火箭導(dǎo)彈和航天事業(yè)的創(chuàng)建與發(fā)展作中國火箭導(dǎo)彈和航天事業(yè)的創(chuàng)建與發(fā)展作 出了杰出的貢

8、獻。出了杰出的貢獻。19571957年獲中國科學(xué)院年獲中國科學(xué)院 自然科學(xué)一等獎，自然科學(xué)一等獎，19791979年獲美國加州理年獲美國加州理 工學(xué)院杰出校友獎，工學(xué)院杰出校友獎，19851985年獲國家科技年獲國家科技 進步獎特等獎。進步獎特等獎。19891989年獲小羅克維爾獎年獲小羅克維爾獎 章和世界級科學(xué)與工程名人稱號，章和世界級科學(xué)與工程名人稱號，19911991年被國務(wù)院、中央軍年被國務(wù)院、中央軍 委授予委授予“國家杰出貢獻科學(xué)家國家杰出貢獻科學(xué)家”榮譽稱號和一級英模獎?wù)隆s譽稱號和一級英模獎?wù)隆?8 流體力學(xué)的發(fā)展簡史流體力學(xué)的發(fā)展簡史流體力學(xué)在中國流體力學(xué)在中國 周培源周培源（

9、 190219021993)1993)。 19021902年年8 8月月2828日出生，江蘇宜興人。理論日出生，江蘇宜興人。理論 學(xué)家、流體力學(xué)家學(xué)家、流體力學(xué)家, ,主要從事物理學(xué)的基礎(chǔ)理主要從事物理學(xué)的基礎(chǔ)理 論中難度最大的兩個方面即愛因斯坦廣義相對論中難度最大的兩個方面即愛因斯坦廣義相對 論引力論和流體力學(xué)中的湍流理論的研究與教論引力論和流體力學(xué)中的湍流理論的研究與教 學(xué)并取得出色成果。學(xué)并取得出色成果。 吳仲華吳仲華（Wu Zhonghua）在1952年發(fā)表的 在軸流式、 徑流式和混流式亞聲速和超聲 速葉輪機械中的三元流普遍理論和在1975 年發(fā)表的使用非正交曲線坐標的葉輪機械 三元流

10、動的基本方程及其解法兩篇論文中 所建立的葉輪機械三元流理論，至今仍是國 內(nèi)外許多優(yōu)良葉輪機械設(shè)計計算的主要依據(jù)。 9 流體力學(xué)的發(fā)展簡史流體力學(xué)的發(fā)展簡史流體力學(xué)在西方流體力學(xué)在西方 阿基米德阿基米德（Archimedes，公元前，公元前 287212） 西方諸國歷史上有記載的最西方諸國歷史上有記載的最 早從事流體力學(xué)現(xiàn)象研究的是古早從事流體力學(xué)現(xiàn)象研究的是古 希臘學(xué)者阿基米德在公元前希臘學(xué)者阿基米德在公元前250 年發(fā)表學(xué)術(shù)論文年發(fā)表學(xué)術(shù)論文論浮體論浮體，第，第 一個闡明了相對密度的概念，發(fā)一個闡明了相對密度的概念，發(fā) 現(xiàn)了物體在流體中所受浮力的基現(xiàn)了物體在流體中所受浮力的基 本原理本原理阿

11、基米德原理。阿基米德原理。 10 流體力學(xué)的發(fā)展簡史流體力學(xué)的發(fā)展簡史流體力學(xué)在西方流體力學(xué)在西方 列列奧納德.達.芬奇（Leonardo.da.Vinci,1452 1519） 著名物理學(xué)家和藝術(shù)家著名物理學(xué)家和藝術(shù)家 設(shè)計建造了一小型水設(shè)計建造了一小型水 渠，系統(tǒng)地研究了物體的沉浮、孔口出流、物渠，系統(tǒng)地研究了物體的沉浮、孔口出流、物 體的運動阻力以及管道、明渠中水流等問題。體的運動阻力以及管道、明渠中水流等問題。 列列奧納德.達.芬奇（Leonardo.da.Vinci,1452 1519） 著名物理學(xué)家和藝術(shù)家著名物理學(xué)家和藝術(shù)家 設(shè)計建造了一小型水設(shè)計建造了一小型水 渠，系統(tǒng)地研究了

12、物體的沉浮、孔口出流、物渠，系統(tǒng)地研究了物體的沉浮、孔口出流、物 體的運動阻力以及管道、明渠中水流等問題。體的運動阻力以及管道、明渠中水流等問題。 帕斯卡（B.Pascal,1623-1662） 提出了密閉流體能傳遞壓強的原理提出了密閉流體能傳遞壓強的原理-帕斯卡帕斯卡 原理。原理。 11 流體力學(xué)的發(fā)展簡史流體力學(xué)的發(fā)展簡史流體力學(xué)在西方流體力學(xué)在西方 牛 頓 是英國偉大的數(shù)學(xué)家、物理學(xué)家、天文學(xué)是英國偉大的數(shù)學(xué)家、物理學(xué)家、天文學(xué) 家和自然哲學(xué)家。家和自然哲學(xué)家。1642年年12月月25日生于英格日生于英格 蘭林肯郡格蘭瑟姆附近的沃蘭林肯郡格蘭瑟姆附近的沃 爾爾 索索 普村，普村，17 2

13、7年年3月月20日在倫敦病逝。牛頓在科學(xué)上最日在倫敦病逝。牛頓在科學(xué)上最 卓越的貢獻是微積分和經(jīng)典力學(xué)的創(chuàng)建。卓越的貢獻是微積分和經(jīng)典力學(xué)的創(chuàng)建。 牛頓的成就，恩格斯中概括得最為完整：牛牛頓的成就，恩格斯中概括得最為完整：牛 頓由于發(fā)明了萬有引力定律而創(chuàng)立了科學(xué)的天文學(xué)，由于進行頓由于發(fā)明了萬有引力定律而創(chuàng)立了科學(xué)的天文學(xué)，由于進行 了光的分解而創(chuàng)立了科學(xué)的光學(xué)，由于創(chuàng)立了二項式定理和無了光的分解而創(chuàng)立了科學(xué)的光學(xué)，由于創(chuàng)立了二項式定理和無 限理論而創(chuàng)立了科學(xué)的數(shù)學(xué)，由于認識了力的本性而創(chuàng)立了科限理論而創(chuàng)立了科學(xué)的數(shù)學(xué)，由于認識了力的本性而創(chuàng)立了科 學(xué)的力學(xué)。學(xué)的力學(xué)。 12 伯努利（D.Be

14、rnoulli，1700 1782）瑞士科學(xué)家瑞士科學(xué)家 在在1738年出版的名著年出版的名著流流 體動力學(xué)體動力學(xué)中，建立了流體位勢中，建立了流體位勢 能、壓強勢能和動能之間的能量能、壓強勢能和動能之間的能量 轉(zhuǎn)換關(guān)系轉(zhuǎn)換關(guān)系伯努利方程。在此歷伯努利方程。在此歷 史階段，諸學(xué)者的工作奠定了流史階段，諸學(xué)者的工作奠定了流 體靜力學(xué)的基礎(chǔ)，促進了流體動體靜力學(xué)的基礎(chǔ)，促進了流體動 力學(xué)的發(fā)展。力學(xué)的發(fā)展。 流體力學(xué)的發(fā)展簡史流體力學(xué)的發(fā)展簡史流體力學(xué)在西方流體力學(xué)在西方 13 流體力學(xué)的發(fā)展簡史流體力學(xué)的發(fā)展簡史流體力學(xué)在西方流體力學(xué)在西方 歐 拉（L.Euler，1707 1783） 是經(jīng)典流

15、體力學(xué)的奠基是經(jīng)典流體力學(xué)的奠基 人，人，1755年發(fā)表年發(fā)表流體運動的流體運動的 一般原理一般原理，提出了流體的連，提出了流體的連 續(xù)介質(zhì)模型，建立了連續(xù)性微續(xù)介質(zhì)模型，建立了連續(xù)性微 分方程和理想流體的運動微分分方程和理想流體的運動微分 方程，給出了不可壓縮理想流方程，給出了不可壓縮理想流 體運動的一般解析方法。他提體運動的一般解析方法。他提 出了研究流體運動的兩種不同出了研究流體運動的兩種不同 方法及速度勢的概念，并論證方法及速度勢的概念，并論證 了速度勢應(yīng)當(dāng)滿足的運動條件了速度勢應(yīng)當(dāng)滿足的運動條件 和方程。和方程。 14 流體力學(xué)的發(fā)展簡史流體力學(xué)的發(fā)展簡史流體力學(xué)在西方流體力學(xué)在西方

16、 達朗伯（J.le R.dAlembert,17171783） 1744年提出了達朗伯疑題（又稱達朗伯佯謬），即在理年提出了達朗伯疑題（又稱達朗伯佯謬），即在理 想流體中運動的物體既沒有升力也沒有阻力。從反面說明了想流體中運動的物體既沒有升力也沒有阻力。從反面說明了 理想流體假定的局限性。理想流體假定的局限性。 拉格朗日（J.-L.Lagrange,1736 1813） 提出了新的流體動力學(xué)微分方提出了新的流體動力學(xué)微分方 程，使流體動力學(xué)的解析方法有了程，使流體動力學(xué)的解析方法有了 進一步發(fā)展。嚴格地論證了速度勢進一步發(fā)展。嚴格地論證了速度勢 的存在，并提出了流函數(shù)的概念，的存在，并提出了流

17、函數(shù)的概念， 為應(yīng)用復(fù)變函數(shù)去解析流體定常的為應(yīng)用復(fù)變函數(shù)去解析流體定常的 和非定常的平面無旋運動開辟了道和非定常的平面無旋運動開辟了道 路。路。 15 流體力學(xué)的發(fā)展簡史流體力學(xué)的發(fā)展簡史流體力學(xué)在西方流體力學(xué)在西方 弗勞德（W.Froude，1810-1879）對船舶阻力和搖擺的研究）對船舶阻力和搖擺的研究 頗有貢獻，他提出了船模試驗的相似準則數(shù)頗有貢獻，他提出了船模試驗的相似準則數(shù)-弗勞德數(shù)，建立弗勞德數(shù)，建立 了現(xiàn)代船模試驗技術(shù)的基礎(chǔ)。了現(xiàn)代船模試驗技術(shù)的基礎(chǔ)。 亥姆霍茲（H.von Helmholtz,1821-1894）和基爾霍夫）和基爾霍夫 （G.R.Kirchhoff,1824

18、-1887）對旋渦運動和分離流動進行了）對旋渦運動和分離流動進行了 大量的理論分析和實驗研究，提出了表征旋渦基本性質(zhì)的旋大量的理論分析和實驗研究，提出了表征旋渦基本性質(zhì)的旋 渦定理、帶射流的物體繞流阻力等學(xué)術(shù)成就。渦定理、帶射流的物體繞流阻力等學(xué)術(shù)成就。 16 流體力學(xué)的發(fā)展簡史流體力學(xué)的發(fā)展簡史流體力學(xué)在西方流體力學(xué)在西方 納維納維（C.-L.-M.-H.Navier）首先提出了不可壓縮粘性流體的）首先提出了不可壓縮粘性流體的 運動微分方程組。運動微分方程組。斯托克斯斯托克斯（G.G.Stokes）嚴格地導(dǎo)出了這）嚴格地導(dǎo)出了這 些方程，并把流體質(zhì)點的運動分解為平動、轉(zhuǎn)動、線變形、些方程，并

19、把流體質(zhì)點的運動分解為平動、轉(zhuǎn)動、線變形、 角變形。后來引用時，便統(tǒng)稱該方程為納維角變形。后來引用時，便統(tǒng)稱該方程為納維-斯托克斯方程。斯托克斯方程。 納維（L.Navier， 17851836，法國） 斯托克斯（G.Stokes， 18191903，英國） 17 流體力學(xué)的發(fā)展簡史流體力學(xué)的發(fā)展簡史流體力學(xué)在西方流體力學(xué)在西方 謝 才（A.de Chzy法國法國 ）在）在 1755年便總結(jié)出明渠均勻流公式年便總結(jié)出明渠均勻流公式- -謝才公式，一直沿用至今。謝才公式，一直沿用至今。 雷 諾（O.Reynolds，1842-1912） 1883年用實驗證實了粘性流體的年用實驗證實了粘性流體的

20、兩種流動狀態(tài)兩種流動狀態(tài)層流和紊流的客層流和紊流的客 觀存在，找到了實驗研究粘性流觀存在，找到了實驗研究粘性流 體流動規(guī)律的相似準則數(shù)體流動規(guī)律的相似準則數(shù)雷諾雷諾 數(shù)，以及判別層流和紊流的臨界數(shù)，以及判別層流和紊流的臨界 雷諾數(shù)，為流動阻力的研究奠定雷諾數(shù)，為流動阻力的研究奠定 了基礎(chǔ)。了基礎(chǔ)。 18 流體力學(xué)的發(fā)展簡史流體力學(xué)的發(fā)展簡史流體力學(xué)在西方流體力學(xué)在西方 瑞 利（L.J.W.Reyleigh，1842-1919英國）在相似原理的基礎(chǔ)英國）在相似原理的基礎(chǔ) 上，提出了實驗研究的量綱分析法中的一種方法上，提出了實驗研究的量綱分析法中的一種方法-瑞利法。瑞利法。 庫 塔（M.W.Kut

21、taM.W.Kutta，1867186719441944）19021902年就曾提出過繞流物年就曾提出過繞流物 體上的升力理論，但沒有在通行的刊物上發(fā)表。體上的升力理論，但沒有在通行的刊物上發(fā)表。 儒科夫斯基（.,1847.,184719211921）從）從 19061906年起，發(fā)表了年起，發(fā)表了論依附渦流論依附渦流等論文，找到了翼型升力等論文，找到了翼型升力 和繞翼型的環(huán)流之間的關(guān)系，建立了二維升力理論的數(shù)學(xué)基和繞翼型的環(huán)流之間的關(guān)系，建立了二維升力理論的數(shù)學(xué)基 礎(chǔ)。他還研究過螺旋槳的渦流理論以及低速翼型和螺旋槳槳礎(chǔ)。他還研究過螺旋槳的渦流理論以及低速翼型和螺旋槳槳 葉剖面等。他的研究成果

22、，對空氣動力學(xué)的理論和實驗研究葉剖面等。他的研究成果，對空氣動力學(xué)的理論和實驗研究 都有重要貢獻，為近代高效能飛機設(shè)計奠定了基礎(chǔ)。都有重要貢獻，為近代高效能飛機設(shè)計奠定了基礎(chǔ)。 19 流體力學(xué)的發(fā)展簡史流體力學(xué)的發(fā)展簡史流體力學(xué)在西方流體力學(xué)在西方 普朗特（L.Prandtl，18751953） 建立了邊界層理論，解釋了阻力產(chǎn)生的機制。建立了邊界層理論，解釋了阻力產(chǎn)生的機制。 以后又針對航空技術(shù)和其他工程技術(shù)中出現(xiàn)的以后又針對航空技術(shù)和其他工程技術(shù)中出現(xiàn)的 紊流邊界層，提出混合長度理論。紊流邊界層，提出混合長度理論。1918-1919 年間，論述了大展弦比的有限翼展機翼理論，年間，論述了大展弦

23、比的有限翼展機翼理論， 對現(xiàn)代航空工業(yè)的發(fā)展作出了重要的貢獻。對現(xiàn)代航空工業(yè)的發(fā)展作出了重要的貢獻。 卡 門（T.von Krmn，1881-1963）在）在1911- 1912年連續(xù)發(fā)表的論文中，提出了分析帶旋渦年連續(xù)發(fā)表的論文中，提出了分析帶旋渦 尾流及其所產(chǎn)生的阻力的理論，人們稱這種尾尾流及其所產(chǎn)生的阻力的理論，人們稱這種尾 渦的排列為渦的排列為卡門渦街。在在1930年年的論文中，提的論文中，提 出了計算紊流粗糙管阻力系數(shù)的理論公式。嗣出了計算紊流粗糙管阻力系數(shù)的理論公式。嗣 后，在紊流邊界層理論、超聲速空氣動力學(xué)、后，在紊流邊界層理論、超聲速空氣動力學(xué)、 火箭及噴氣技術(shù)等方面都有不少貢獻?；鸺皣姎饧夹g(shù)等方面都有不少貢獻。 20 流體力學(xué)的發(fā)展簡史流體力學(xué)的發(fā)展簡史流體力學(xué)在西方流體力學(xué)在西方 布拉休斯布拉休斯（H.Blasius）在）在1913年發(fā)表的論文中，提出了計算紊年發(fā)表的論文中，提出了計算紊 流光滑管阻力系數(shù)的經(jīng)驗公式。流光滑管阻力系數(shù)的經(jīng)驗公式。 伯金漢伯金漢（E.Buckingham）在）在1914年發(fā)表的年發(fā)表的在物理的相似系統(tǒng)在物理的相似系統(tǒng) 中量綱方程應(yīng)用的說明中量綱方程應(yīng)用的說明論文中，提出了著名的論文中，提出了著