工程流體力學(xué) 第2版 項(xiàng)目1 緒論

《流體力學(xué)》課程多媒體電子教案教材

教材工程流體力學(xué)機(jī)械工業(yè)出版社2018參考書李玉柱等流體力學(xué)高等教育出版社，2008主要參考書

黃衛(wèi)星，陳文梅主編，《工程流體力學(xué)》，北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2001

許賢良，陳慶光等編著.“十一五”高等學(xué)校（礦業(yè)）規(guī)劃教材《流體力學(xué)》，北京：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2007

孔瓏等主編，國家“九五”重點(diǎn)教材《流體力學(xué)》(I、II)，北京：高等教育出版社，2003.9

孔瓏主編，普通高等教育“十一五”規(guī)劃教材《工程流體力學(xué)》(第三版)，北京：中國電力出版社，2007.2

張兆順，崔桂香編著，《流體力學(xué)》，北京：清華大學(xué)出版社，1999

景思睿，張鳴遠(yuǎn)編著，《流體力學(xué)》，西安：西安交通大學(xué)出版社，2001FrankM.White,FluidMechanics,5thed.,McGraw-Hill,NewYork,2003

主要參考書課時(shí)安排

授課學(xué)時(shí)36課程考核

該門課程屬于專業(yè)基礎(chǔ)課，必修課。考核：（1）基礎(chǔ)知識(shí)（基本概念、基本原理、重要方程、應(yīng)用）（2）知識(shí)的綜合運(yùn)用最終成績=平時(shí)（考勤、作業(yè)、實(shí)驗(yàn)20%）+卷面（80%）聯(lián)系方式電話：電子信箱：

QQ：辦公室：

§一緒論§二流體力學(xué)的研究內(nèi)容與學(xué)科性質(zhì)§三

流體力學(xué)的發(fā)展史§四流體力學(xué)的研究方法§五

流體力學(xué)的研究領(lǐng)域與相關(guān)學(xué)科§六拓展提高

流體與人類的生產(chǎn)和生活密切相關(guān)。自然界中，從包圍著整個(gè)地球的大氣到江河湖海中的水，都是流體?？梢哉f，人類生活在一個(gè)被流體包圍著的世界里。它專門研究流體在靜止和運(yùn)動(dòng)時(shí)的受力情況與運(yùn)動(dòng)規(guī)律，研究流體在靜止和運(yùn)動(dòng)時(shí)的壓強(qiáng)分布、流速變化、流量大小、能量損失以及與固體壁面之間的相互作用力等問題。隨著科學(xué)和技術(shù)的發(fā)展，流體力學(xué)已經(jīng)深入到科學(xué)技術(shù)的各個(gè)領(lǐng)域與國民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)部門。一、緒論案例：塔科馬大橋坍塌與卡門渦街

圖1.1塔科馬大橋通車當(dāng)日的情形圖1.2塔科馬大橋轟然墜入普吉特灣瞬間1940年11月7日，剛剛建成通車四個(gè)月的塔科馬海峽大橋在低風(fēng)速中由于顫振而坍塌，震驚了世界橋梁界。位于美國華盛頓州的塔科馬海峽大橋，橫跨普吉特海灣，自1938年9月開始修建，于1940年7月1日通車（如圖1.1所示）知名設(shè)計(jì)師和顧問工程師的莫伊塞夫（Moisseiff）建議采用2.4米深的淺支持梁，這不但降低了成本，而且也使橋梁構(gòu)型更為優(yōu)雅。然而在鋪設(shè)橋面之后，人們很快發(fā)現(xiàn)該橋在風(fēng)中會(huì)像波浪一樣擺動(dòng)，便給它起了一個(gè)諢名——舞動(dòng)的格蒂。直至通車時(shí)，這一問題仍然存在，但多數(shù)人依舊堅(jiān)信該橋具有足夠的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。僅僅四個(gè)月后，塔科馬大橋在19米/秒的低速風(fēng)中出人意料地發(fā)生了劇烈扭曲振動(dòng)，并且振動(dòng)幅度逐漸加大至驚人的9米，隨后橋面傾斜至約45度，使吊桿逐一拉斷并誘發(fā)橋面鋼梁折斷，轟然墜落于普吉特海灣之中（如圖1.2所示）。錢學(xué)森先生的導(dǎo)師、著名的空氣動(dòng)力學(xué)家馮·卡門對塔科馬海峽大橋的坍塌原因進(jìn)行研究。馮·卡門找來一個(gè)塔科馬大橋的模型，他將模型放于書桌上，并用電風(fēng)扇吹風(fēng)。他很快便發(fā)現(xiàn)，當(dāng)振動(dòng)頻率達(dá)到模型的固有頻率時(shí)，模型將會(huì)發(fā)生劇烈的共振他得出結(jié)論：正是卡門渦街導(dǎo)致了橋梁發(fā)生共振，從而引發(fā)了坍塌事故。圖1.3卡門渦街示意圖卡門渦街：在一定條件下，流體繞過某些物體時(shí)，會(huì)產(chǎn)生兩排非對稱的旋渦，它們相互交錯(cuò)排列，各個(gè)旋渦和對面兩個(gè)旋渦的中間點(diǎn)對齊，如圖1.3所示。例如，水流過橋墩、風(fēng)吹過煙囪都會(huì)產(chǎn)生卡門渦街?！窘虒W(xué)目標(biāo)】1.了解流體的定義及流體力學(xué)的研究內(nèi)容與學(xué)科性質(zhì)；2.了解流體力學(xué)的發(fā)展史；3.明確流體力學(xué)的研究方法；4.了解流體力學(xué)的研究領(lǐng)域與相關(guān)學(xué)科。呈現(xiàn)流動(dòng)性？

流體固體由于液體和氣體都具有無固定形狀、能夠流動(dòng)的共同特點(diǎn)，所以通常稱為流體。自然界中的物質(zhì)通常以三種狀態(tài)存在：固體、液體和氣體。二、流體力學(xué)研究內(nèi)容與學(xué)科性質(zhì)表1.1流體與固體的不同

固體流體液體氣體有無固定的形狀有無無有無固定的體積有有無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（靜止時(shí)）否（靜止時(shí)）能否承受一定的壓力能能能但易于被壓縮流體與固體的不同

1.流體在外力作用下，靜止與運(yùn)動(dòng)的規(guī)律；

2.流體與邊界(boundary)的相互作用。流體力學(xué)的主要研究內(nèi)容

固定邊界：水工建筑物、河床、管壁等；

運(yùn)動(dòng)邊界：飛機(jī)、船只、風(fēng)機(jī)葉輪等。課程地位

流體力學(xué)是一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程，它是連接前期基礎(chǔ)課程和后續(xù)專業(yè)課程的橋梁。課程的學(xué)習(xí)將有利于數(shù)理、力學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)的鞏固與提高，培養(yǎng)分析、解決實(shí)際問題的能力，為專業(yè)課程的學(xué)習(xí)打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。數(shù)理、力學(xué)基礎(chǔ)課程流體力學(xué)

專業(yè)基礎(chǔ)課程機(jī)械工程學(xué)科有關(guān)專業(yè)課程

流體機(jī)械：通風(fēng)機(jī)、水泵、壓縮機(jī)、水輪機(jī)。

航空、航海、航天：飛機(jī)、輪船、潛艇、魚雷、火箭發(fā)射。供水系統(tǒng)：開拓水渠；取水口布置；水的凈化與消毒；水泵選擇；水塔修建；管道設(shè)計(jì)。

公路橋梁：路基沉陷、崩塌、滑坡、排水；橋梁、涵洞修建。

土建施工：修建圍堰、基坑排水、污水排放。流體力學(xué)問題舉例流體力學(xué)流體力學(xué)三、流體力學(xué)的發(fā)展歷史1、流體力學(xué)形成的萌芽階段（16世紀(jì)以前）古時(shí)中國有大禹治水疏通江河的傳說；改「堵」為「疏」，對洪水進(jìn)行疏導(dǎo)?！溉^家門而不入」三、流體力學(xué)的發(fā)展歷史1、流體力學(xué)形成的萌芽階段（16世紀(jì)以前）秦朝李冰父子帶領(lǐng)勞動(dòng)人民修建的都江堰，至今還在發(fā)揮著作用。

鄭國渠、靈渠三、流體力學(xué)的發(fā)展歷史1、流體力學(xué)形成的萌芽階段（16世紀(jì)以前）

鄭國渠是公元前237年，秦王政采納韓國水利家鄭國的建議開鑿的。它西引涇水(陜西北面）東注洛水，長達(dá)300余里。灌溉面積達(dá)280萬畝，成為我國古代最大的一條灌溉渠道。

陜西涇陽縣，此大壩為世界上最早三、流體力學(xué)的發(fā)展歷史1、流體力學(xué)形成的萌芽階段（16世紀(jì)以前）南渠（至漓江）北渠（至湘江）鏵嘴

海洋河30%70%防洪：靈渠從源頭始每隔一段距離就有一個(gè)泄水涵，當(dāng)渠中水位高至上限，自動(dòng)地往北面湘江泄水；靈渠的上游還筑有一道漫水堤，大大提高了渠道的泄水能力。因此每年夏季的雷雨季節(jié)，河里經(jīng)常發(fā)洪水，不管北面的湘江有多大的洪水，南面靈渠的水量還是基本保持在原來的水位。

交通運(yùn)輸：連接珠江（嶺南）與長江水系（中原）唐后沿途設(shè)斗門，相當(dāng)于現(xiàn)代的閘門，為世界最早。

農(nóng)田灌溉:

大小天平鏵嘴

始建于秦始皇時(shí)期（公元前223年～214年）

“七分湘水三分漓”三、流體力學(xué)的發(fā)展歷史1、流體力學(xué)萌芽階段趙州橋（公元591年至599年）南北大運(yùn)河（隋朝公元587年至610年）——拱背的4個(gè)小拱，既減壓主拱的負(fù)載，又可宣泄洪水三、流體力學(xué)的發(fā)展歷史1、流體力學(xué)形成的萌芽階段（16世紀(jì)以前）古羅馬人建成了大規(guī)模的供水管道系統(tǒng)

三、流體力學(xué)的發(fā)展歷史2、流體力學(xué)基礎(chǔ)階段對流體力學(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，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)。此后千余年間，流體力學(xué)沒有重大發(fā)展。阿基米德發(fā)現(xiàn)浮力三、流體力學(xué)的發(fā)展歷史2、流體力學(xué)基礎(chǔ)階段15世紀(jì)，意大利達(dá)·芬奇的著作才談到水波、管流、水力機(jī)械、鳥的飛翔原理等問題。達(dá)·芬奇自畫像17世紀(jì)，帕斯卡闡明了靜止流體中壓力的概念。布萊士·帕斯卡17世紀(jì)，牛頓《自然科學(xué)的數(shù)學(xué)原理》一書后，流體力學(xué)作為一門嚴(yán)密的科學(xué)，隨著經(jīng)典力學(xué)建立了速度、加速度，力、流場等概念，確立了質(zhì)量、動(dòng)量、能量三個(gè)守恒定律最終形成。牛頓三、流體力學(xué)的發(fā)展歷史2、流體力學(xué)基礎(chǔ)階段歐拉歐拉采用了連續(xù)介質(zhì)的概念，把靜力學(xué)中壓力的概念推廣到運(yùn)動(dòng)流體中，建立了歐拉方程，正確地用微分方程組描述了無粘流體的運(yùn)動(dòng)伯努利從經(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，得到了流體定常運(yùn)動(dòng)下的流速、壓力、管道高程之間的關(guān)系——伯努利方程

伯努利

三、流體力學(xué)的發(fā)展歷史2、流體力學(xué)基礎(chǔ)階段謝才（法國）建立了渠道流量經(jīng)驗(yàn)公式

弗魯?shù)拢ㄓ┙⒘四Ｐ驮囼?yàn)法則雷諾（愛爾蘭）提出層流和紊流運(yùn)動(dòng)達(dá)朗貝爾(1717-1783)達(dá)朗貝爾對運(yùn)河中船只的阻力進(jìn)行了許多實(shí)驗(yàn)工作，證實(shí)了阻力同物體運(yùn)動(dòng)速度之間的平方關(guān)系數(shù)學(xué)分析、實(shí)驗(yàn)+數(shù)學(xué)分析、實(shí)驗(yàn)數(shù)學(xué)分析伯努利方程歐拉方程納維－斯托克斯方程（N-S方程）雷諾方程實(shí)驗(yàn)+數(shù)學(xué)分析缺陷：復(fù)雜性、理想模型的局限性、難應(yīng)用于實(shí)際工程謝才公式曼寧公式理論方法理論＋實(shí)踐實(shí)用水力學(xué)古典水力學(xué)三、流體力學(xué)的發(fā)展歷史3、流體力學(xué)飛躍發(fā)展階段

數(shù)學(xué)分析、實(shí)驗(yàn)+數(shù)學(xué)分析、實(shí)驗(yàn)

計(jì)算機(jī)技術(shù)＋航空技術(shù)等(現(xiàn)代流體力學(xué))普朗特PrandtlL.(1875-1953)馮﹒卡門(1881-1963)卡門渦街三、流體力學(xué)的發(fā)展歷史邊界層分離現(xiàn)象三、流體力學(xué)的發(fā)展歷史

以周培源、錢學(xué)森為代表的中國科學(xué)家在湍流理論、空氣動(dòng)力學(xué)等許多領(lǐng)域中作出了基礎(chǔ)性、開創(chuàng)性的貢獻(xiàn)。周培源（1902－1993）錢學(xué)森（1911－2009）四、流體力學(xué)的研究方法

理論分析、實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值計(jì)算（模擬）相結(jié)合。三個(gè)方面是互相補(bǔ)充和驗(yàn)證，但又不能互相取代的關(guān)系?；炯僭O(shè)

數(shù)學(xué)模型

解析表達(dá)

理論分析數(shù)值計(jì)算

實(shí)驗(yàn)觀測

數(shù)學(xué)模型

數(shù)值模型

數(shù)值解

模型試驗(yàn)

量測數(shù)據(jù)

換算到原型如圖1.5所示，典型的流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)有風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)、水洞實(shí)驗(yàn)、水池實(shí)驗(yàn)等類型。

(a)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)

(b)水洞實(shí)驗(yàn)

(c)水池實(shí)驗(yàn)圖1.5優(yōu)勢局限理論分析對流動(dòng)機(jī)理解析表達(dá)，因果關(guān)系清晰。

受基本假設(shè)局限，少數(shù)情況下才有解析結(jié)果。

實(shí)驗(yàn)研究

（模型試驗(yàn)）

直接測量流動(dòng)參數(shù)，找到經(jīng)驗(yàn)性規(guī)律。

成本高，對量測技術(shù)要求高，不易改變工況，存在比尺效應(yīng)。

數(shù)值計(jì)算擴(kuò)大理論求解范圍，成本低，易于改變工況，不受比尺限制。

受理論模型和數(shù)值模型局限，存在計(jì)算誤差。

五、與流體力學(xué)相關(guān)的工程領(lǐng)域和學(xué)科海洋

土木水利航空航天交通運(yùn)輸

環(huán)境

氣象

石油化工

機(jī)械冶金

生物

流體力學(xué)Engineeringfieldsanddisciplines排球足球網(wǎng)球游泳賽艇鐵餅高爾夫球賽跑賽車標(biāo)槍乒乓球羽毛球大部分競技體育項(xiàng)目與流體力學(xué)有關(guān)

流體力學(xué)與相關(guān)的鄰近學(xué)科相互滲透，形成了很多新的分支和交叉學(xué)科.主要分支學(xué)科

流動(dòng)穩(wěn)定性和湍流*

氣體動(dòng)力學(xué)水動(dòng)力學(xué)*

地球流體力學(xué)環(huán)境流體力學(xué)*

生物流體力學(xué)磁流體力學(xué)

滲流*

多相流*

非牛頓流*

計(jì)算流體力學(xué)*

實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)*

流變學(xué)量子流體力學(xué)電（子）流體力學(xué)1.超音速流的加速在水流流動(dòng)的中速或低速、亞音速的氣體流動(dòng)中，流體在面積逐漸變小的通道中流動(dòng)時(shí)，其流動(dòng)將逐漸加速。（如消防龍頭和灌溉用的噴頭就是面積逐漸變小的通道。）在超音速流動(dòng)時(shí)，只有在面積逐漸變大的通道中，流動(dòng)才獲得加速。對于亞聲速變截面流動(dòng)，截面積增加時(shí)，流速減小，壓強(qiáng)增加，變化規(guī)律符合不可壓縮流體的流動(dòng)規(guī)律。亞聲速氣流做加速降壓流動(dòng)時(shí)，過流斷面積一定是逐漸減小的。欲使氣流加速，則必須使用漸縮管道，如圖1.6所示。

超音速流的加速

在超聲速流動(dòng)的情況下，為可壓縮流體，運(yùn)動(dòng)規(guī)律與亞聲速變截面流動(dòng)相反。當(dāng)過流斷面積增加時(shí)，流速增加，壓強(qiáng)降低；反之，超聲速氣流作減速升壓流動(dòng)時(shí)，過流斷面積一定是逐漸減小的。欲使氣流加速，則必須采用漸擴(kuò)管道，如圖所示。

將氣流從亞聲速向超聲速轉(zhuǎn)變，或者從超聲速向亞聲速轉(zhuǎn)變，用單純的收縮管或單純的擴(kuò)張管都是無法實(shí)現(xiàn)的。亞聲速與超聲速的相互轉(zhuǎn)換需要采用拉瓦爾噴管（如圖所示）這種特殊裝置來實(shí)現(xiàn)。拉瓦爾噴管由收縮段、喉部、及擴(kuò)張段組成。這種先收斂后擴(kuò)張的管道形狀是從初始亞聲速流獲得超聲速流的必要條件，稱為拉伐爾噴管的幾何條件。2.汽車阻力來自前部還是后部最開始人們認(rèn)為汽車高速前進(jìn)時(shí)的阻力主要來自車前部對空氣的撞擊因此早期的汽車后部是陡峭的，稱為箱型車，阻力系數(shù)CD很大，約0.8實(shí)際上，汽車阻力主要取決于后部形成的尾流，叫形狀阻力汽車阻力來自前部還是后部20世紀(jì)30年代起，人們開始運(yùn)用流體力學(xué)原理改進(jìn)汽車尾部形狀，出現(xiàn)甲殼蟲型，阻力系數(shù)降至0.620世紀(jì)50－60年代改進(jìn)為船型，阻力系數(shù)為0.4580年代經(jīng)過風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)研究后，又改進(jìn)為魚型，阻力系數(shù)為0.3以后進(jìn)一步改進(jìn)為楔型，阻力系數(shù)為0.2汽車阻力來自前部還是后部90年代后，科研人員研制開發(fā)的未來型汽車，阻力系數(shù)僅為0.137

經(jīng)過近80年的研究改進(jìn)，汽車阻力系數(shù)從0.8降至0.137，阻力減小為原來的1/5。目前，在汽車外形設(shè)計(jì)中流體力學(xué)性能研究已占主導(dǎo)地位，合理的外形使汽車具有更好的動(dòng)力學(xué)性能和更低的耗油率。3.高爾夫球：表面光滑還是粗糙？高爾夫球運(yùn)動(dòng)起源于15世紀(jì)的蘇格蘭，當(dāng)時(shí)人們認(rèn)為表面光滑的球飛行阻力小，因此用皮革制球。后來發(fā)現(xiàn)表面有很多劃痕的舊球反而飛得更遠(yuǎn)，這個(gè)謎直到20世紀(jì)建立流體力學(xué)邊界層理論后才解開。現(xiàn)在的高爾夫球表面有很多窩坑，在同樣大小和重量下，飛行距離為光滑球的5倍。動(dòng)畫演示4.機(jī)翼升力的產(chǎn)生

當(dāng)氣流迎面流過機(jī)翼時(shí)，流線分布情況如圖所示。原來是一股氣流，由于機(jī)翼的插入，被分成上下兩股。氣流繞過機(jī)翼后，在后緣又匯合成一股