實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)緒論

實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)教學(xué)實(shí)驗(yàn)室地址：東校區(qū)A棟208風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室：南校區(qū)222棟船池實(shí)驗(yàn)室：南校區(qū)215棟電話：84113292、39332792流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)分組東校區(qū)實(shí)驗(yàn)，全班共分成1-16組，每組3人南校區(qū)實(shí)驗(yàn)，由于設(shè)備數(shù)量的原因，分成2批，1-8組第一批，9-16組第二批實(shí)驗(yàn)從第10周開始實(shí)驗(yàn)室安全守則實(shí)驗(yàn)室安全緊急情況處理個(gè)人判斷力個(gè)人安全用電安全其它注意實(shí)驗(yàn)室安全守則簽名表學(xué)號(hào)姓名簽名日期是否認(rèn)同1

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參考書教材：實(shí)驗(yàn)力學(xué)尹協(xié)振等高等教育出版社2012參考教材：基礎(chǔ)流體實(shí)驗(yàn)．徐有恒等．復(fù)旦大學(xué)出版社．1990實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)基礎(chǔ)西北工大出版社實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)朱仁慶楊松林楊大明國(guó)防工業(yè)出版社 2005船舶原理盛振邦/劉應(yīng)中上海交通大學(xué)出版社2007參考書實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教材：自編實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)參考書：水力學(xué)實(shí)驗(yàn)賀五洲陳嘉范李春華清華大學(xué)出版社2004水力學(xué)實(shí)驗(yàn)張志昌編著機(jī)械工業(yè)出版社2006課程內(nèi)容實(shí)驗(yàn)力學(xué)基礎(chǔ)測(cè)量原理和儀器設(shè)備流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)力學(xué)基礎(chǔ)（4周）相似理論量綱分析Mathcad軟件誤差分析與數(shù)據(jù)處理流體力學(xué)顯示技術(shù)和測(cè)試技術(shù)流體力學(xué)顯示技術(shù)和測(cè)試技術(shù)（1周）流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備（1周）船模實(shí)驗(yàn)水池風(fēng)洞流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器測(cè)壓測(cè)速測(cè)流量流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目管道流動(dòng)（2周）流態(tài)變化局部能量損失沿程能量損失孔口出流流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目波浪拖曳水池試驗(yàn)船模快速性實(shí)驗(yàn)波浪演示實(shí)驗(yàn)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)機(jī)翼壓力分布測(cè)試風(fēng)洞落差系數(shù)測(cè)試飛機(jī)模型升力、阻力測(cè)試實(shí)驗(yàn)安排東校區(qū)水力學(xué)實(shí)驗(yàn)室（3周）雷諾實(shí)驗(yàn)、沿程阻力、局部阻力、文丘里流量計(jì)、孔口出流、動(dòng)量定律、靜水壓力南校區(qū)實(shí)驗(yàn)室（2周，分批）風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室：船模阻力實(shí)驗(yàn)、螺旋槳敞水實(shí)驗(yàn)、風(fēng)速儀檢定船池實(shí)驗(yàn)室：風(fēng)洞落差系數(shù)測(cè)定、機(jī)翼升力測(cè)定、流速儀檢定第一章緒論實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)發(fā)展簡(jiǎn)史實(shí)驗(yàn)研究的地位實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)的內(nèi)容實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)的主要任務(wù)實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)發(fā)展簡(jiǎn)史第一時(shí)期-----17世紀(jì)中以前----以現(xiàn)場(chǎng)原型實(shí)驗(yàn)為主第二時(shí)期-----17世紀(jì)中到20世紀(jì)初----現(xiàn)場(chǎng)和實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)并存第三時(shí)期-----20世紀(jì)初以后-----實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)為主

現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)是對(duì)自然界固有的流動(dòng)現(xiàn)象或已有工程的全尺寸流動(dòng)現(xiàn)象，利用各種儀器進(jìn)行系統(tǒng)觀測(cè)，從而總結(jié)出流體運(yùn)動(dòng)的規(guī)律，并借以預(yù)測(cè)流動(dòng)現(xiàn)象的演變。過(guò)去對(duì)天氣的觀測(cè)和預(yù)報(bào)，基本上就是這樣進(jìn)行的。不過(guò)現(xiàn)場(chǎng)流動(dòng)現(xiàn)象的發(fā)生往往不能控制，發(fā)生條件幾乎不可能完全重復(fù)出現(xiàn)，影響到對(duì)流動(dòng)現(xiàn)象和規(guī)律的研究；現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)還要花費(fèi)大量物力、財(cái)力和人力。

現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)Kelvin水波Kelvin水波

模型實(shí)驗(yàn)在流體力學(xué)中占有重要地位。根據(jù)因次分析和相似理論，把研究對(duì)象的尺度改變(放大或縮小)以便實(shí)驗(yàn)。有些流動(dòng)現(xiàn)象難于進(jìn)行理論計(jì)算解決，有的則不可能做原型實(shí)驗(yàn)(成本太高或規(guī)模太大)。這時(shí)，根據(jù)模型實(shí)驗(yàn)所得的數(shù)據(jù)可以用因次分析和相似變換方法像換算單位制那樣的簡(jiǎn)單算法求出原型的數(shù)據(jù)。

模型實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)設(shè)備：風(fēng)洞、水槽、水池、水洞、激波管、測(cè)試管系等。實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)(ExperimentalFluidDynamics,EFD)模型實(shí)驗(yàn)Kelvin水波實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)發(fā)展簡(jiǎn)史第一時(shí)期-----17世紀(jì)中以前主要成就：（1）完整建立了流體靜力學(xué)理論；（2）提出了流體與物體運(yùn)動(dòng)之間的相對(duì)性原理；（3）定性地研究了管流與某些無(wú)壓流動(dòng)；（4）發(fā)展了各種流體機(jī)械。人們主要依靠仔細(xì)的觀察、粗略的測(cè)量與效益的比較等相當(dāng)原始的實(shí)驗(yàn)方法去了解各種流動(dòng)現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)發(fā)展簡(jiǎn)史阿基米德（287-213B.C）李冰302~235B.C李冰曾在都江堰安設(shè)石人水尺，這是中國(guó)早期的水位觀測(cè)設(shè)施都江堰李冰修都江堰時(shí)，曾設(shè)立三個(gè)石人水則，以水位「竭不至足，盛不沒(méi)肩」來(lái)衡量水量足夠與否。圖中Q1所示者灌區(qū)最低需水量；Q2所示者保證灌區(qū)安全的最高引水量實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)發(fā)展簡(jiǎn)史

對(duì)流體力學(xué)學(xué)科的形成作出第一個(gè)貢獻(xiàn)的是古希臘的阿基米德(Archimedes,公元前287－212)，他建立了包括物理浮力定律和浮體穩(wěn)定性在內(nèi)的液體平衡理論，奠定了流體靜力學(xué)的基礎(chǔ)。在公元前250年發(fā)表學(xué)術(shù)論文《論浮體》，發(fā)現(xiàn)了物體在流體中所受浮力的基本原理──阿基米德原理。此后千余年間，流體力學(xué)沒(méi)有重大發(fā)展。

實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)發(fā)展簡(jiǎn)史

在科學(xué)研究中主張?jiān)趯?shí)驗(yàn)觀測(cè)基礎(chǔ)上再進(jìn)行理論推導(dǎo)。在水文和水力學(xué)理論方面他最先對(duì)旋渦的流速分布、突然擴(kuò)大斷面和尾流旋渦、波浪傳播和水躍等進(jìn)行探討或描述，成就遠(yuǎn)超過(guò)前人。他又提出水的連續(xù)定律，認(rèn)識(shí)到明渠流的邊界阻力，還首先提出關(guān)于流線形物體、降落傘、風(fēng)速表、離心泵等設(shè)想。達(dá)芬奇（1452-1519）

意大利藝術(shù)家、科學(xué)家和工程師，文藝復(fù)興時(shí)代的代表人物實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)發(fā)展簡(jiǎn)史靜壓強(qiáng)

托里拆利.（1608-1647）柏斯卡（1623-1662）斯蒂文（1586）容器底面靜壓與上方流體深度有關(guān)伽利略學(xué)生，提出托里拆利公式。發(fā)明水銀壓力計(jì)發(fā)現(xiàn)大氣壓隨高度增加而減少。提出連通器原理和柏斯卡定理。17世紀(jì)，帕斯卡(B.Pascal,1623-1662)闡明了靜止流體中壓力的概念，提出了密閉流體能傳遞壓強(qiáng)的原理－帕斯卡原理。

但流體力學(xué)尤其是流體動(dòng)力學(xué)作為一門嚴(yán)密的科學(xué)，卻是隨著經(jīng)典力學(xué)建立了速度、加速度、力、流場(chǎng)等概念，以及質(zhì)量、動(dòng)量、能量三個(gè)守恒定律的奠定之后才逐步形成的。實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)發(fā)展簡(jiǎn)史管流

沈括（1031-1095）“漏壺”是古代的計(jì)時(shí)儀器，相當(dāng)于現(xiàn)代的鐘表。沈括浮漏是宋代著名的科學(xué)家沈括在前人成就的基礎(chǔ)上創(chuàng)制的漏壺。隨著社會(huì)生產(chǎn)的發(fā)展，漏壺的結(jié)構(gòu)不斷改進(jìn)，計(jì)時(shí)性能也隨之更加科學(xué)。到了宋代其結(jié)構(gòu)由原來(lái)的單級(jí)壺，發(fā)展到二級(jí)甚至多級(jí)壺。沈括浮漏就是一組多級(jí)壺漏系統(tǒng)：最上層擺設(shè)的稱為求壺，是專為下級(jí)壺供水用的水源壺；第二層擺了兩只壺，高的叫負(fù)壺、低的叫廢壺，負(fù)壺的作用是保持水流的穩(wěn)定，并保證水位的指定高度，超水位的多余水則流入廢壺。最下邊的是建壺，由負(fù)壺滴落的穩(wěn)壓水，滴入建壺，并以容納水量的多少，來(lái)顯示時(shí)刻。實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)發(fā)展簡(jiǎn)史流體機(jī)械方面：

風(fēng)帆水車風(fēng)車鼓風(fēng)機(jī)第二時(shí)期-----17世紀(jì)中到20世紀(jì)初主要成就：（1）發(fā)展了基本實(shí)驗(yàn)設(shè)備和儀器；（2）發(fā)現(xiàn)了伯努利定律、達(dá)西定律、湍流、空化；（3）研究物體運(yùn)動(dòng)受到的力；（4）圓管層流；（5）提出動(dòng)力相似理論實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)發(fā)展簡(jiǎn)史開始發(fā)展實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)所需儀器、設(shè)備和技術(shù)；逐步開展實(shí)驗(yàn)研究。達(dá)西1.奠定比托管構(gòu)型2.確定管流達(dá)西公式3.達(dá)西滲流定律4.求謝才系數(shù)35比托管1732年，法國(guó)皮托發(fā)明比托管達(dá)西發(fā)明了沿流動(dòng)方向布置的靜壓管36達(dá)西公式1839年德國(guó)工程師哈根發(fā)表黃銅管（D<6cm,L<1m)的水流結(jié)果1840年生物學(xué)家泊肅葉發(fā)表玻璃毛細(xì)管的水流實(shí)驗(yàn)結(jié)果1845年德國(guó)數(shù)學(xué)家魏斯貝奇用量綱分析方法推導(dǎo)圓管沿程阻力公式，但其系數(shù)含糊不清，無(wú)法工程上使用1857年達(dá)西設(shè)計(jì)了各種材料，各種規(guī)格的管道D=1.2-50cm,L=100m,材質(zhì)為玻璃，鑄鐵，生鐵，鉛管等等，總結(jié)水流阻力變化規(guī)律37滲流定律達(dá)西負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)和建造第戎市公共泉水工程，系統(tǒng)研究了地下水流動(dòng)和飲用水沙層過(guò)濾規(guī)律。設(shè)計(jì)了著名的柱狀沙桶滲流試驗(yàn)裝置38人工明渠流實(shí)驗(yàn)V=C*sqrt(R*J)謝才公式18世紀(jì)末水力工程師尋找了80年的C，但均未成功達(dá)西用系統(tǒng)化的實(shí)驗(yàn)方法解決450m長(zhǎng)，底寬2m的木質(zhì)棱柱明渠渠底可調(diào)坡度76m^2的引水池，其水源由4個(gè)閘門從運(yùn)河入口處12個(gè)方形均勻孔導(dǎo)流流量計(jì)，深度儀，畢托管，浮子測(cè)速儀各種截面形狀，各種壁面材料，歷時(shí)7年39達(dá)西公式（1858年）滲流定律（1856年）實(shí)施明渠流實(shí)驗(yàn)（1855-1857）都是在去世前3年，身體虛弱的狀態(tài)下完成的，令人肅然起敬1891年，曼寧根據(jù)達(dá)西助手巴贊的結(jié)果，總結(jié)出曼寧公式40實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)發(fā)展簡(jiǎn)史阻力伽里略(1264-1642)1632年演示了運(yùn)動(dòng)物體在空氣中受到阻力的實(shí)驗(yàn)。1638年用雙擺研究阻力與速度的關(guān)系。結(jié)果不合理！惠更斯(1629-1695)1690年用更精確的方法得到正確的結(jié)果。牛頓(1642-1727)1687年用擺和落球在水和空氣中得到與理論一致的結(jié)果。馬里奧特(1620-1684)1686年測(cè)量水中平板的阻力；發(fā)明了測(cè)力天平。

牛頓(I.Newton，1642－1727)于1687年出版了《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》。牛頓在科學(xué)上最卓越的貢獻(xiàn)是微積分和經(jīng)典力學(xué)的創(chuàng)建。牛頓研究了在流體中運(yùn)動(dòng)的物體所受到的阻力，得到阻力與流體密度、物體迎流截面積以及運(yùn)動(dòng)速度的平方成正比的關(guān)系。建立了流體內(nèi)摩擦定律，為粘性流體力學(xué)初步奠定了理論基礎(chǔ)。但是，牛頓還沒(méi)有建立起流體動(dòng)力學(xué)的理論基礎(chǔ)，他提出的許多力學(xué)模型和結(jié)論同實(shí)際情形還有較大的差別。實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)發(fā)展簡(jiǎn)史定理伯努利,D（子）1738年提出定常無(wú)粘不可壓伯努利方程；伯努利,J（父）1742年完善推廣到非定常伯努利方程；歐拉1757年推廣到可壓縮流，以及沿流線的伯努利方程；1856年達(dá)西用沙土做滲流實(shí)驗(yàn)，得出達(dá)西定律。1883年雷諾在不同管徑管子中做實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)兩種流態(tài)-----層流和湍流。1894年桑尼克羅夫特、巴納比在船舶螺旋槳背面發(fā)現(xiàn)空泡現(xiàn)象。瑞士伯努利家族家族成就最大者《流體動(dòng)力學(xué)》(1738年)，給出“伯努利定理”等流體動(dòng)力學(xué)的基礎(chǔ)理論；研究彈性弦的橫向振動(dòng)問(wèn)題(1741～1743年)，提出聲音在空氣中的傳播規(guī)律(1762年)懸鏈線問(wèn)題（1690年），曲率半徑公式（1694年），“伯努利雙紐線”（1694年），“伯努利微分方程”（1695年），“等周問(wèn)題”（1700年），“伯努利數(shù)”、“伯努利大數(shù)定理”等指數(shù)運(yùn)算也是他發(fā)明的。例如解決懸鏈線問(wèn)題（1691年），提出洛必塔法則（1694年）、最速降線（1696年）和測(cè)地線問(wèn)題（1697年），給出求積分的變量替換法（1699年），研究弦振動(dòng)問(wèn)題（1727年），出版《積分學(xué)數(shù)學(xué)講義》（1742年）伯努利（D.Bernoulli，1700－1782）在1738年出版了名著《Hydrodynamics》，從經(jīng)典力學(xué)的能量守恒出發(fā)，研究供水管道中水的流動(dòng)，精心地安排了實(shí)驗(yàn)并加以分析，建立了流體位勢(shì)能、壓強(qiáng)勢(shì)能和動(dòng)能之間的能量轉(zhuǎn)換關(guān)系──伯努利方程。柏林科學(xué)院院士，巴黎科學(xué)院院士，英國(guó)皇家學(xué)會(huì)會(huì)員哞~

流體力學(xué)發(fā)展過(guò)程雷諾(O.Reynolds，1842-1912)1883年用實(shí)驗(yàn)證實(shí)了粘性流體的兩種流動(dòng)狀態(tài)──層流和紊流的客觀存在，找到了實(shí)驗(yàn)研究粘性流體流動(dòng)規(guī)律的相似準(zhǔn)則數(shù)──雷諾數(shù)，以及判別層流和紊流的臨界雷諾數(shù)，為流動(dòng)阻力的研究奠定了基礎(chǔ)。

實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)發(fā)展簡(jiǎn)史管流泊肅葉1840年，哈根1829年同期一起通過(guò)管流實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)流量和壓降梯度與管徑4次方成正比，稱為泊肅葉-哈根公式。1860年哈根巴克做了端緣效應(yīng)修正。1914年斯坦頓、潘內(nèi)爾測(cè)量了管內(nèi)速度分布。1860年哈根巴克用此方法確定了粘性，成為一種標(biāo)準(zhǔn)方法。實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)發(fā)展簡(jiǎn)史儀器1732年畢托發(fā)明測(cè)量總壓的畢托管；普朗特1905年發(fā)明風(fēng)速管。1872年柯尼希發(fā)明微壓計(jì)；1915年泰勒發(fā)明多管壓力計(jì)。1929年范德林格齊南發(fā)明了五孔方向儀。1799年文丘利發(fā)現(xiàn)文丘利管現(xiàn)象；1888年赫謝爾將其用于測(cè)量流量。普朗特(L.Prandtl，1875－1953)從1904年到1921年逐步將N-S方程作了簡(jiǎn)化，從推理、數(shù)學(xué)論證和實(shí)驗(yàn)測(cè)量等各個(gè)角度，建立了邊界層理論，解釋了阻力產(chǎn)生的機(jī)制。以后又針對(duì)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(zhǎng)度理論。1918-1919年間，論述了大展弦比的有限翼展機(jī)翼理論，對(duì)現(xiàn)代航空工業(yè)的發(fā)展作出了重要的貢獻(xiàn)。普朗特，馮卡門，錢學(xué)森實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)發(fā)展簡(jiǎn)史水實(shí)驗(yàn)1756年拜德爾建成10米長(zhǎng)水池；1775年達(dá)朗伯在水池中做了大量船舶實(shí)驗(yàn)；1852年雷什通過(guò)波浪實(shí)驗(yàn)，提出重力相似的雷什弗洛德數(shù)；1872年弗洛德主持建成85×14×4米水槽，開展了大量船舶實(shí)驗(yàn)和波阻實(shí)驗(yàn)1896年帕爾森斯建造第一座水洞。實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)發(fā)展簡(jiǎn)史高速空氣實(shí)驗(yàn)1742年羅賓斯用自制彈道擺測(cè)圓球阻力（M=1.05），發(fā)現(xiàn)高速時(shí)阻力比牛頓值大3倍。后來(lái)，赫頓、迪戴恩做了大量類似實(shí)驗(yàn)。1785年帕金森正確指出阻力增加是由于可壓縮性影響。1865-1870巴什福恩用自制電準(zhǔn)確記錄了炮彈速度和阻力，這是第一個(gè)做高速實(shí)驗(yàn)的人，他的標(biāo)準(zhǔn)彈頭阻力表直用到20世紀(jì)初。1899年維埃耶建造第一個(gè)激波管，用于研究礦井爆炸。實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)發(fā)展簡(jiǎn)史流動(dòng)顯示鋁粉（戴爾1843

）牛奶（海雷斯1911、艾爾頓

1908）煙（馬赫

1899、馬雷

1899）煙風(fēng)洞（利皮希、布朗

1937）獨(dú)立紋影法（特普勒

1864測(cè)火花、爆炸）陰影法（德沃夏克

1880；博伊斯1893測(cè)子彈）干涉法（1887馬赫E(父)1889馬赫L(子)

測(cè)得子彈超聲速照片）1959年戈達(dá)德推廣煙風(fēng)洞到超聲速風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)發(fā)展簡(jiǎn)史相似理論斯托克斯1851年從微分方程出發(fā)研究相似理論；赫姆霍茲1873年進(jìn)一步發(fā)展理論；瑞利1892年和1904年用量綱分析求流動(dòng)相似參數(shù)；白金漢1914年首次顯式地?cái)⑹龆ɡ?；布里奇?/p>

1922年完整地?cái)⑹霾⒆C明了定理，為流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)奠定了理論基礎(chǔ)。實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)發(fā)展簡(jiǎn)史航空1871年韋納姆設(shè)計(jì)并建造了第一座低速風(fēng)