流體力學(xué)孔瓏主編

1、 雖然生活在流體環(huán)境中，人們對(duì)一些雖然生活在流體環(huán)境中，人們對(duì)一些 流體運(yùn)動(dòng)卻缺乏認(rèn)識(shí)，比如：流體運(yùn)動(dòng)卻缺乏認(rèn)識(shí)，比如： 1. 高爾夫球高爾夫球 ：表面光滑還是粗糙？表面光滑還是粗糙？ 2. 汽車阻力：汽車阻力： 來自前部還是后部？來自前部還是后部？ 3. 機(jī)翼升力機(jī)翼升力 ：來自下部還是上部？來自下部還是上部？ 高爾夫球運(yùn)動(dòng)起源于15世紀(jì)的蘇格蘭。 最早的高爾夫球（皮革已龜裂） 起初，人們認(rèn)為表面光滑的球飛行阻力小，因此當(dāng)時(shí) 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)。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。世紀(jì)建立

2、流體力學(xué)邊界層理論后才解開。 光滑的球和非光滑球?qū)Ρ裙饣那蚝头枪饣驅(qū)Ρ?現(xiàn)在的高爾夫球表面有許多窩，在同樣大小和重量下，現(xiàn)在的高爾夫球表面有許多窩，在同樣大小和重量下， 飛行距離為光滑球的飛行距離為光滑球的5倍。倍。 汽車阻力汽車阻力 汽車發(fā)明于汽車發(fā)明于19世紀(jì)末。世紀(jì)末。 當(dāng)時(shí)人們認(rèn)為汽車高速前進(jìn)時(shí)的阻力主要來自車前部當(dāng)時(shí)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(duì)空氣的撞擊。對(duì)空氣的撞擊。 因此早期的汽車后部是陡峭的，稱為箱型車，阻力系因此早期的汽車后部是陡峭的，稱為箱型車，阻力系 數(shù)數(shù)CD很大，約很大，約0.8 實(shí)際上，汽車阻力主要取決于后部形成的尾流。實(shí)際上，汽車阻力主要取決于

3、后部形成的尾流。 20世紀(jì)世紀(jì)30年代起，人們開始運(yùn)用流體力學(xué)原理，改年代起，人們開始運(yùn)用流體力學(xué)原理，改 進(jìn)了汽車的尾部形狀，出現(xiàn)了甲殼蟲型，阻力系數(shù)進(jìn)了汽車的尾部形狀，出現(xiàn)了甲殼蟲型，阻力系數(shù) 下降至下降至0.6。 5060年代又改進(jìn)為船型，阻力系數(shù)為0.45。 80年代經(jīng)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)研究后，進(jìn)一步改進(jìn)為魚 型，阻力系數(shù)為0.3。 后來又出現(xiàn)楔型，阻力系數(shù)為0.2。 90年代以后，科研人員研制開發(fā)了氣動(dòng)性能更優(yōu) 良的未來型汽車，阻力系數(shù)僅為0.137。 90年代以后，科研人員研制開發(fā)了氣動(dòng)性能更優(yōu)良 的未來型汽車，阻力系數(shù)僅為0.137。 目前在汽車外形設(shè)計(jì)中，流體力學(xué)性能研究已目前在汽車

4、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)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。力學(xué)性能和更低的耗油率。 機(jī)翼升力機(jī)翼升力 人們的直觀印象是空氣從下面沖擊著人們的直觀印象是空氣從下面沖擊著 鳥的翅膀，把鳥托在空中。鳥的翅膀，把鳥托在空中。 19世紀(jì)初流體力學(xué)環(huán)流理論徹底改變了人們的傳 統(tǒng)觀念。 脫體渦量與機(jī)翼環(huán)量大小相等方向相反脫體渦量與機(jī)翼環(huán)量大小相等方向相反 足球運(yùn)動(dòng)的香蕉球現(xiàn)象可以幫助理解環(huán)流理論： 旋轉(zhuǎn)的足球帶動(dòng)空氣形成環(huán)流，一側(cè)氣流加旋轉(zhuǎn)的足球帶動(dòng)空氣形成環(huán)流，一側(cè)氣流加 速，另一側(cè)氣流減速，形成壓力差，促使足速，另一側(cè)氣流減

5、速，形成壓力差，促使足 球拐彎，稱為球拐彎，稱為馬格努斯效應(yīng)馬格努斯效應(yīng)。 機(jī)翼的特殊形狀使它不用旋轉(zhuǎn)就能產(chǎn)生 環(huán)流，上部流速加快形成吸力，下部流 速減慢形成壓力。 NACA2412翼型在翼型在7.4度攻角時(shí)的壓強(qiáng)分布度攻角時(shí)的壓強(qiáng)分布 豐富多彩的流動(dòng)圖案背后隱藏著復(fù)雜的力學(xué)規(guī)律，豐富多彩的流動(dòng)圖案背后隱藏著復(fù)雜的力學(xué)規(guī)律， 有些動(dòng)物具有巧妙運(yùn)用這些規(guī)律的本領(lǐng)。有些動(dòng)物具有巧妙運(yùn)用這些規(guī)律的本領(lǐng)。 地球表面水和空氣的運(yùn)動(dòng)是氣象、水文、水利、地球表面水和空氣的運(yùn)動(dòng)是氣象、水文、水利、 環(huán)保、農(nóng)業(yè)、航空、航海、漁業(yè)、國(guó)防等部門研環(huán)保、農(nóng)業(yè)、航空、航海、漁業(yè)、國(guó)防等部門研 究的對(duì)象。究的對(duì)象。 航空

6、、航天、造船、機(jī)械、動(dòng)力、冶金、化工、航空、航天、造船、機(jī)械、動(dòng)力、冶金、化工、 石油、建筑等部門設(shè)備中的工作介質(zhì)都是流體，石油、建筑等部門設(shè)備中的工作介質(zhì)都是流體， 改進(jìn)流程，提高效率，需要流體力學(xué)知識(shí)。改進(jìn)流程，提高效率，需要流體力學(xué)知識(shí)。 觀看錄像觀看錄像 流體力學(xué)也是眾多應(yīng)用科學(xué)和工程技術(shù)的基礎(chǔ)。由于流體力學(xué)也是眾多應(yīng)用科學(xué)和工程技術(shù)的基礎(chǔ)。由于 空氣動(dòng)力學(xué)的發(fā)展，人類研制出空氣動(dòng)力學(xué)的發(fā)展，人類研制出3倍聲速的戰(zhàn)斗機(jī)。倍聲速的戰(zhàn)斗機(jī)。 F-15 使重量超過使重量超過3百噸，面積達(dá)半個(gè)足球場(chǎng)的大型民航客機(jī)，百噸，面積達(dá)半個(gè)足球場(chǎng)的大型民航客機(jī)， 靠空氣的支托象鳥一樣飛行成為可能，創(chuàng)造了

7、人類技靠空氣的支托象鳥一樣飛行成為可能，創(chuàng)造了人類技 術(shù)史上的奇跡。術(shù)史上的奇跡。 利用超高速氣體動(dòng)力學(xué)，物理化學(xué)流體力學(xué)和稀薄氣體力利用超高速氣體動(dòng)力學(xué)，物理化學(xué)流體力學(xué)和稀薄氣體力 學(xué)的研究成果，人類制造出航天飛機(jī)，建立太空站，實(shí)現(xiàn)學(xué)的研究成果，人類制造出航天飛機(jī)，建立太空站，實(shí)現(xiàn) 了人類登月的夢(mèng)想。了人類登月的夢(mèng)想。 排水量達(dá)排水量達(dá)50萬噸以上的超大型運(yùn)輸船萬噸以上的超大型運(yùn)輸船 時(shí)速達(dá)時(shí)速達(dá)200公里的新型地效艇等，它們的設(shè)計(jì)公里的新型地效艇等，它們的設(shè)計(jì) 都建立在水動(dòng)力學(xué)，船舶流體力學(xué)的基礎(chǔ)之上。都建立在水動(dòng)力學(xué)，船舶流體力學(xué)的基礎(chǔ)之上。 用翼柵及高溫，化學(xué)，多相流動(dòng)理論設(shè)計(jì)制造成

8、功用翼柵及高溫，化學(xué)，多相流動(dòng)理論設(shè)計(jì)制造成功 大型氣輪機(jī)，水輪機(jī)，渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)等動(dòng)力機(jī)械，為大型氣輪機(jī)，水輪機(jī)，渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)等動(dòng)力機(jī)械，為 人類提供單機(jī)達(dá)百萬千瓦的強(qiáng)大動(dòng)力人類提供單機(jī)達(dá)百萬千瓦的強(qiáng)大動(dòng)力 。 氣輪機(jī)葉片 大型水利樞紐工程，超高層建筑，大跨度橋大型水利樞紐工程，超高層建筑，大跨度橋 梁等的設(shè)計(jì)和建造離不開水力學(xué)和風(fēng)工程。梁等的設(shè)計(jì)和建造離不開水力學(xué)和風(fēng)工程。 大型水利樞紐工程，超高層建筑，大跨度大型水利樞紐工程，超高層建筑，大跨度 橋梁等的設(shè)計(jì)和建造離不開水力學(xué)和風(fēng)工橋梁等的設(shè)計(jì)和建造離不開水力學(xué)和風(fēng)工 程。程。 楊浦大橋楊浦大橋 總之，沒有流體力學(xué)的發(fā)展，總之，沒有流體力學(xué)的發(fā)

9、展， 現(xiàn)代工業(yè)和高新技術(shù)的發(fā)展是不可現(xiàn)代工業(yè)和高新技術(shù)的發(fā)展是不可 能的。能的。 流體力學(xué)在推動(dòng)社會(huì)發(fā)展方面流體力學(xué)在推動(dòng)社會(huì)發(fā)展方面 做出過很大貢獻(xiàn)，今后仍將在科學(xué)做出過很大貢獻(xiàn)，今后仍將在科學(xué) 與技術(shù)各個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮更大的作用。與技術(shù)各個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮更大的作用。 第一章第一章 緒論緒論 一、流體力學(xué)研究的內(nèi)容一、流體力學(xué)研究的內(nèi)容 流體力學(xué)是力學(xué)的一個(gè)獨(dú)立分支，是一流體力學(xué)是力學(xué)的一個(gè)獨(dú)立分支，是一 門研究流體的平衡和流體機(jī)械運(yùn)動(dòng)規(guī)律及門研究流體的平衡和流體機(jī)械運(yùn)動(dòng)規(guī)律及 其實(shí)際應(yīng)用的技術(shù)科學(xué)。其實(shí)際應(yīng)用的技術(shù)科學(xué)。 流體力學(xué)所研究的基本規(guī)律，有兩大流體力學(xué)所研究的基本規(guī)律，有兩大 組成部分：組成

10、部分： .流體動(dòng)力學(xué)：流體動(dòng)力學(xué)：它研究流體在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)，作用于流它研究流體在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)，作用于流 體上的力與運(yùn)動(dòng)要素之間的關(guān)系，以及流體的運(yùn)動(dòng)特體上的力與運(yùn)動(dòng)要素之間的關(guān)系，以及流體的運(yùn)動(dòng)特 征與能量轉(zhuǎn)換等，這一部分稱為流體動(dòng)力學(xué)。征與能量轉(zhuǎn)換等，這一部分稱為流體動(dòng)力學(xué)。 .流體靜力學(xué)：流體靜力學(xué)：它研究流體處于靜止（或相對(duì)平衡）它研究流體處于靜止（或相對(duì)平衡） 狀態(tài)時(shí)，作用于流體上的各種力之間的關(guān)系。狀態(tài)時(shí)，作用于流體上的各種力之間的關(guān)系。 流體力學(xué)在研究流體平衡和機(jī)械運(yùn)動(dòng)規(guī)律時(shí)，流體力學(xué)在研究流體平衡和機(jī)械運(yùn)動(dòng)規(guī)律時(shí)， 要應(yīng)用物理學(xué)及理論力學(xué)中有關(guān)物理平衡及運(yùn)動(dòng)要應(yīng)用物理學(xué)及理論力學(xué)中有

11、關(guān)物理平衡及運(yùn)動(dòng) 規(guī)律的規(guī)律的原理原理，如力系平衡定理、動(dòng)量定理、動(dòng)能，如力系平衡定理、動(dòng)量定理、動(dòng)能 定理等等。因?yàn)榱黧w在平衡或運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下，也同定理等等。因?yàn)榱黧w在平衡或運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下，也同 樣遵循這些普遍的原理。所以物理學(xué)和理論力學(xué)樣遵循這些普遍的原理。所以物理學(xué)和理論力學(xué) 的知識(shí)是學(xué)習(xí)流體力學(xué)課程必要的基礎(chǔ)。的知識(shí)是學(xué)習(xí)流體力學(xué)課程必要的基礎(chǔ)。 目前，根據(jù)流體力學(xué)在各個(gè)工程領(lǐng)域的應(yīng)用，流體目前，根據(jù)流體力學(xué)在各個(gè)工程領(lǐng)域的應(yīng)用，流體 力學(xué)可分為以下三類：力學(xué)可分為以下三類： u水利類流體力學(xué)：水利類流體力學(xué)：面向水工、水動(dòng)、海洋等；面向水工、水動(dòng)、海洋等； u機(jī)械類流體力學(xué)：機(jī)械類流體力學(xué)：

12、面向機(jī)械、冶金、化工、水機(jī)面向機(jī)械、冶金、化工、水機(jī) 等；等； u 土木類流體力學(xué)：土木類流體力學(xué)：面向市政、工民建、道橋、城市防面向市政、工民建、道橋、城市防 洪等。洪等。 u 大氣類流體力學(xué)：大氣類流體力學(xué)：飛機(jī)、飛行器外行的設(shè)計(jì)，天氣預(yù)飛機(jī)、飛行器外行的設(shè)計(jì)，天氣預(yù) 報(bào)，環(huán)境污染預(yù)報(bào)等。報(bào)，環(huán)境污染預(yù)報(bào)等。 流體力學(xué)的萌芽，是自距今約流體力學(xué)的萌芽，是自距今約2200年以前，年以前， 西西里島的希臘學(xué)者阿基米德寫的西西里島的希臘學(xué)者阿基米德寫的“論浮體論浮體”一一 文開始的。文開始的。 他對(duì)靜止時(shí)的液體力學(xué)性質(zhì)作了第一他對(duì)靜止時(shí)的液體力學(xué)性質(zhì)作了第一 次科學(xué)總結(jié)。次科學(xué)總結(jié)。 流體力學(xué)的

13、主要發(fā)展是從牛頓時(shí)代開始的，流體力學(xué)的主要發(fā)展是從牛頓時(shí)代開始的， 1687年牛頓在名著年牛頓在名著自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理中討中討 論了流體的阻力、波浪運(yùn)動(dòng)，等內(nèi)容，使流體力論了流體的阻力、波浪運(yùn)動(dòng)，等內(nèi)容，使流體力 學(xué)開始成為力學(xué)中的一個(gè)獨(dú)立分支。學(xué)開始成為力學(xué)中的一個(gè)獨(dú)立分支。 此后，流體力學(xué)的發(fā)展主要經(jīng)歷了此后，流體力學(xué)的發(fā)展主要經(jīng)歷了三個(gè)階段： .伯努利所提出的液體運(yùn)動(dòng)的能量估計(jì)及歐拉所提出的液體運(yùn)動(dòng)的能量估計(jì)及歐拉 所提出的液體運(yùn)動(dòng)的解析方法，為研究液體運(yùn)所提出的液體運(yùn)動(dòng)的解析方法，為研究液體運(yùn) 動(dòng)的規(guī)律奠定了理論基礎(chǔ)，從而在此基礎(chǔ)上形動(dòng)的規(guī)律奠定了理論基礎(chǔ)，從而在此基

14、礎(chǔ)上形 成了一門屬于數(shù)學(xué)的古典成了一門屬于數(shù)學(xué)的古典“水動(dòng)力學(xué)水動(dòng)力學(xué)”（或古（或古 典典“流體力學(xué)流體力學(xué)”）。）。 2. 在古典在古典“水動(dòng)力學(xué)水動(dòng)力學(xué)”的基礎(chǔ)上納維和斯托克斯的基礎(chǔ)上納維和斯托克斯 提出了著名的實(shí)際粘性流體的基本運(yùn)動(dòng)方程提出了著名的實(shí)際粘性流體的基本運(yùn)動(dòng)方程納納 維維-斯托克思方程斯托克思方程(N-S方程方程)。從而為流體力學(xué)的長(zhǎng)。從而為流體力學(xué)的長(zhǎng) 遠(yuǎn)發(fā)展奠定了理論基礎(chǔ)。但由于其所用數(shù)學(xué)的復(fù)雜遠(yuǎn)發(fā)展奠定了理論基礎(chǔ)。但由于其所用數(shù)學(xué)的復(fù)雜 性和理想流體模模型的局限性，不能滿意地解決工性和理想流體模模型的局限性，不能滿意地解決工 程問題，故形成了以實(shí)驗(yàn)方法來制定經(jīng)驗(yàn)公式的程

15、問題，故形成了以實(shí)驗(yàn)方法來制定經(jīng)驗(yàn)公式的 “實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)” 。但由于有些經(jīng)驗(yàn)公式缺乏理但由于有些經(jīng)驗(yàn)公式缺乏理 論基礎(chǔ)，使其應(yīng)用范圍狹窄，且無法繼續(xù)發(fā)展。論基礎(chǔ)，使其應(yīng)用范圍狹窄，且無法繼續(xù)發(fā)展。 3 . 從從19世紀(jì)末起，人們將理論分析方法和實(shí)驗(yàn)分析方法世紀(jì)末起，人們將理論分析方法和實(shí)驗(yàn)分析方法 相結(jié)合，以解決實(shí)際問題，同時(shí)古典流體力學(xué)和實(shí)驗(yàn)流體相結(jié)合，以解決實(shí)際問題，同時(shí)古典流體力學(xué)和實(shí)驗(yàn)流體 力學(xué)的內(nèi)容也不斷更新變化，如提出了相似理論和量綱分力學(xué)的內(nèi)容也不斷更新變化，如提出了相似理論和量綱分 析，邊界層理論和紊流理論等，在此基礎(chǔ)上，最終形成了析，邊界層理論和紊流理論等，在此基

16、礎(chǔ)上，最終形成了 理論與實(shí)踐并重的研究實(shí)際流體模型的現(xiàn)代流體力學(xué)。在理論與實(shí)踐并重的研究實(shí)際流體模型的現(xiàn)代流體力學(xué)。在 20世紀(jì)世紀(jì)60年代以后，由于計(jì)算機(jī)的發(fā)展與普及，流體力年代以后，由于計(jì)算機(jī)的發(fā)展與普及，流體力 學(xué)的應(yīng)用更是日益廣泛。學(xué)的應(yīng)用更是日益廣泛。 u阿基米德（Archimedes， 公元前287212） 歐美諸國(guó)歷史上有記載的最早 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250年發(fā)表 學(xué)術(shù)論文論浮體，第一個(gè)闡明 了相對(duì)密度的概念，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。 流體力學(xué)在西方 u列奧納德列奧納德. .達(dá)達(dá). .芬奇（芬奇（Leonardo.d

17、a.Vinci,1452Leonardo.da.Vinci,1452 15191519） 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(jì)建造了一小型設(shè)計(jì)建造了一小型 水渠，系統(tǒng)地研究了物體的沉浮、孔口出流、水渠，系統(tǒng)地研究了物體的沉浮、孔口出流、 物體的運(yùn)動(dòng)阻力以及管道、明渠中水流等問物體的運(yùn)動(dòng)阻力以及管道、明渠中水流等問 題。題。 u斯蒂文（斯蒂文（S.Stevin,1548-1620S.Stevin,1548-1620）將用于研究固體平衡的凝將用于研究固體平衡的凝 結(jié)原理轉(zhuǎn)用到流體上。結(jié)原理轉(zhuǎn)用到流體上。 u 伽利略（伽利略（Galileo,1564-1642Galileo,1564-16

18、42） 在流體靜力學(xué)中應(yīng)用了虛在流體靜力學(xué)中應(yīng)用了虛 位移原理，并首先提出，運(yùn)動(dòng)物體的阻力隨著流體介質(zhì)密度位移原理，并首先提出，運(yùn)動(dòng)物體的阻力隨著流體介質(zhì)密度 的增大和速度的提高而增大。的增大和速度的提高而增大。 u托里析利（E.Torricelli,1608-1647）論證了孔口出流的基論證了孔口出流的基 本規(guī)律。本規(guī)律。 u帕斯卡（帕斯卡（B.Pascal,1623-1662B.Pascal,1623-1662） 提出了密閉流體能傳遞壓強(qiáng)的原理提出了密閉流體能傳遞壓強(qiáng)的原理- -帕帕 斯卡原理。斯卡原理。 u牛牛 頓頓 英國(guó)偉大的數(shù)學(xué)家、物理學(xué)家、天文學(xué)家和自英國(guó)偉大的數(shù)學(xué)家、物理學(xué)家、天

19、文學(xué)家和自 然哲學(xué)家。然哲學(xué)家。16421642年年1212月月2525日生于英格蘭林肯郡格蘭日生于英格蘭林肯郡格蘭 瑟姆附近的沃爾索普村，瑟姆附近的沃爾索普村，17271727年年3 3月月2020日在倫敦病日在倫敦病 逝。牛頓在科學(xué)上最卓越的貢獻(xiàn)是微積分和經(jīng)典力逝。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。牛頓的成就，恩格斯在學(xué)的創(chuàng)建。牛頓的成就，恩格斯在英國(guó)狀況十八英國(guó)狀況十八 世紀(jì)世紀(jì)中概括得最為完整：中概括得最為完整： 牛頓由于發(fā)明了萬有引牛頓由于發(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(jìn)行了光的分力定律而創(chuàng)立了科學(xué)的天文學(xué)，由于進(jìn)行了光的分 解而創(chuàng)立了科學(xué)的光學(xué)，由

20、于創(chuàng)立了二項(xiàng)式定理和解而創(chuàng)立了科學(xué)的光學(xué)，由于創(chuàng)立了二項(xiàng)式定理和 無限理論而創(chuàng)立了科學(xué)的數(shù)學(xué)，由于認(rèn)識(shí)了力的本無限理論而創(chuàng)立了科學(xué)的數(shù)學(xué)，由于認(rèn)識(shí)了力的本 性而創(chuàng)立了科學(xué)的力學(xué)性而創(chuàng)立了科學(xué)的力學(xué) 。 u伯努利（伯努利（D.BernoulliD.Bernoulli，17001700 17821782）瑞士科學(xué)家）瑞士科學(xué)家 在在17381738年出版的名著年出版的名著流體流體 動(dòng)力學(xué)動(dòng)力學(xué)中，建立了流體位勢(shì)中，建立了流體位勢(shì) 能、壓強(qiáng)勢(shì)能和動(dòng)能之間的能能、壓強(qiáng)勢(shì)能和動(dòng)能之間的能 量轉(zhuǎn)換關(guān)系量轉(zhuǎn)換關(guān)系伯努利方程。伯努利方程。 在此歷史階段，諸學(xué)者的工作在此歷史階段，諸學(xué)者的工作 奠定了流體靜力學(xué)

21、的基礎(chǔ)，促奠定了流體靜力學(xué)的基礎(chǔ)，促 進(jìn)了流體動(dòng)力學(xué)的發(fā)展。進(jìn)了流體動(dòng)力學(xué)的發(fā)展。 u歐歐 拉（拉（L.EulerL.Euler，1707170717831783） 經(jīng)典流體力學(xué)的奠基人，1755 年發(fā)表流體運(yùn)動(dòng)的一般原理， 提出了流體的連續(xù)介質(zhì)模型，建 立了連續(xù)性微分方程和理想流體 的運(yùn)動(dòng)微分方程，給出了不可壓 縮理想流體運(yùn)動(dòng)的一般解析方法。 他提出了研究流體運(yùn)動(dòng)的兩種不 同方法及速度勢(shì)的概念，并論證 了速度勢(shì)應(yīng)當(dāng)滿足的運(yùn)動(dòng)條件和 方程。 u弗勞德（弗勞德（W.FroudeW.Froude，1810-18791810-1879）對(duì)船舶阻力和對(duì)船舶阻力和 搖擺的研究頗有貢獻(xiàn)，他提出了船模試驗(yàn)的

22、相似準(zhǔn)則數(shù)搖擺的研究頗有貢獻(xiàn)，他提出了船模試驗(yàn)的相似準(zhǔn)則數(shù)-弗勞弗勞 德數(shù)，建立了現(xiàn)代船模試驗(yàn)技術(shù)的基礎(chǔ)。德數(shù)，建立了現(xiàn)代船模試驗(yàn)技術(shù)的基礎(chǔ)。 u亥姆霍茲（亥姆霍茲（H.von Helmholtz,1821-1894H.von Helmholtz,1821-1894）和）和 基爾霍夫（基爾霍夫（G.R.Kirchhoff,1824-1887G.R.Kirchhoff,1824-1887）對(duì)旋渦運(yùn)對(duì)旋渦運(yùn) 動(dòng)和分離流動(dòng)進(jìn)行了大量的理論分析和實(shí)驗(yàn)研究，提出了表動(dòng)和分離流動(dòng)進(jìn)行了大量的理論分析和實(shí)驗(yàn)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)征旋渦基本性質(zhì)的旋渦定理、帶射流的

23、物體繞流阻力等學(xué)術(shù) 成就。成就。 u 納維（納維（C.-L.-M.-H.NavierC.-L.-M.-H.Navier）首先提出了不可壓縮粘性流體 的運(yùn)動(dòng)微分方程組。斯托克斯（G.G.Stokes）嚴(yán)格地 導(dǎo)出了這些方程，并把流體質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)分解為平動(dòng)、 轉(zhuǎn)動(dòng)、均勻膨脹或壓縮及由剪切所引起的變形運(yùn)動(dòng)。 后來引用時(shí)，便統(tǒng)稱該方程為納維-斯托克斯方程。 納維（納維（L.NavierL.Navier，17851785 18361836，法國(guó)，法國(guó)） 斯托克斯（斯托克斯（G.StokesG.Stokes，18191819 19031903，英國(guó)，英國(guó)） u謝謝 才（才（A.de ChA.de Chzyz

24、y法國(guó)法國(guó) ） 在1755年便總結(jié)出明渠均勻流 公式-謝才公式，一直沿用至今。 u雷雷 諾（諾（O.ReynoldsO.Reynolds，1842-1842- 19121912）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)。 u 瑞瑞 利（利（L.J.W.ReyleighL.J.W.Reyleigh，1842-19191842-1919英國(guó)）英國(guó)）在相似原 理的基礎(chǔ)上，提出了實(shí)驗(yàn)研究的量綱分析法 中的一種方法-瑞利法。 u 庫庫 塔（塔（M.W.Kutt

25、aM.W.Kutta，1867186719441944）1902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。 u 儒科夫斯基（儒科夫斯基（.,1847.,184719211921） 從1906年起，發(fā)表了論依附渦流等論文， 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，對(duì)空氣動(dòng)力學(xué) 的理論和實(shí)驗(yàn)研究都有重要貢獻(xiàn)，為近代高 效能飛機(jī)設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。 u 普朗特（普朗特（L.PrandtlL.Prandtl，1875187519531953）建立了邊界層 理論，解釋了阻力產(chǎn)生的

26、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)。 u 卡卡 門（門（T.von KT.von Krmrmn n，1881-19631881-1963）在1911- 1912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 種尾渦的排列為卡門渦街卡門渦街。在1930年的論文 中，提出了計(jì)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(dòng)力學(xué)、火箭及噴氣技術(shù)等方面都有不少 貢獻(xiàn)。 流體力學(xué)在中國(guó) u錢學(xué)森 錢學(xué)森（191

27、1）浙江省杭州市人， 他在 火箭、導(dǎo)彈、航天器的總體、動(dòng)力、制導(dǎo)、 氣動(dòng)力、結(jié)構(gòu)、材料、計(jì)算機(jī)、質(zhì)量控制 和科技管理等領(lǐng)域的豐富知識(shí)，為中國(guó)火 箭導(dǎo)彈和航天事業(yè)的創(chuàng)建與發(fā)展作出了杰 出的貢獻(xiàn)。1957年獲中國(guó)科學(xué)院自然科學(xué) 一等獎(jiǎng)，1979年獲美國(guó)加州理工學(xué)院杰出 校友獎(jiǎng)，1985年獲國(guó)家科技進(jìn)步獎(jiǎng)特等獎(jiǎng)。 1989年獲小羅克維爾獎(jiǎng)?wù)潞褪澜缂?jí)科學(xué)與 工程名人稱號(hào)，1991年被國(guó)務(wù)院、中央軍 委授予“國(guó)家杰出貢獻(xiàn)科學(xué)家”榮譽(yù)稱號(hào) 和一級(jí)英模獎(jiǎng)?wù)隆?u周培源（ 19021993) 1902年8月28日出生，江 蘇宜興人。理論學(xué)家、流體 力學(xué)家主要從事物理學(xué)的基 礎(chǔ)理論中難度最大的兩個(gè)方 面即愛因斯

28、坦廣義相對(duì)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。 u布拉休斯（布拉休斯（H.BlasiusH.Blasius）在1913年發(fā)表的論文中，提出了計(jì) 算紊流光滑管阻力系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式。 u伯金漢（伯金漢（E.BuckinghamE.Buckingham）在1914年發(fā)表的在物理的相似 系統(tǒng)中量綱方程應(yīng)用的說明論文中，提出了著名的定理， 進(jìn)一步完善了量綱分析法。 u尼古拉茲（尼古拉茲（J.NikuradzeJ.Nikuradze）在1933年發(fā)表的論文中，公布了 他對(duì)砂粒粗糙管內(nèi)水流阻力系數(shù)的實(shí)測(cè)結(jié)果-尼古拉茲曲線， 據(jù)此他還給紊流光滑管和紊流粗糙管的理論公式選定了應(yīng)有 的系

29、數(shù)。 u科勒布茹克（科勒布茹克（C.F.ColebrookC.F.Colebrook）在1939年 發(fā)表的論文中，提出了把紊流光滑管區(qū)和 紊流粗糙管區(qū)聯(lián)系在一起的過渡區(qū)阻力系 數(shù)計(jì)算公式。 u莫迪（莫迪（L.F.MoodyL.F.Moody）在1944年發(fā)表的論文 中，給出了他繪制的實(shí)用管道的當(dāng)量糙粒 阻力系數(shù)圖-莫迪圖。至此，有壓管流的 水力計(jì)算已漸趨成熟。 三、流體力學(xué)的研究方法三、流體力學(xué)的研究方法 流體力學(xué)研究方法分三個(gè)方面，它們相互配合，流體力學(xué)研究方法分三個(gè)方面，它們相互配合， 互為補(bǔ)充?；檠a(bǔ)充。 65 研究方法研究方法 理論分析方法理論分析方法 實(shí)驗(yàn)方法實(shí)驗(yàn)方法 數(shù)值分析方法數(shù)

30、值分析方法 理論分析過程一般是：理論分析過程一般是：建立力學(xué)模型，用物理建立力學(xué)模型，用物理 學(xué)基本定律推導(dǎo)流體力學(xué)控制方程，用數(shù)學(xué)方學(xué)基本定律推導(dǎo)流體力學(xué)控制方程，用數(shù)學(xué)方 法求解方程，檢驗(yàn)和解釋求解結(jié)果。法求解方程，檢驗(yàn)和解釋求解結(jié)果。 建立模型建立模型推導(dǎo)方程推導(dǎo)方程 求解方程求解方程解釋結(jié)果解釋結(jié)果 目前流體力學(xué)理論研究主攻方向是：目前流體力學(xué)理論研究主攻方向是： u 湍流湍流 u 渦運(yùn)動(dòng)渦運(yùn)動(dòng) u 水動(dòng)力學(xué)水動(dòng)力學(xué) u 多相流多相流 實(shí)驗(yàn)方法實(shí)驗(yàn)方法 在相似理論指導(dǎo)下，建立模擬實(shí)驗(yàn)裝在相似理論指導(dǎo)下，建立模擬實(shí)驗(yàn)裝 置，用流體測(cè)量技術(shù)測(cè)量流動(dòng)參數(shù)，處理分析置，用流體測(cè)量技術(shù)測(cè)量流動(dòng)參

31、數(shù)，處理分析 數(shù)據(jù)可獲得反映流動(dòng)規(guī)律的特定關(guān)系，發(fā)現(xiàn)新數(shù)據(jù)可獲得反映流動(dòng)規(guī)律的特定關(guān)系，發(fā)現(xiàn)新 現(xiàn)象，檢驗(yàn)理論結(jié)果?，F(xiàn)象，檢驗(yàn)理論結(jié)果。 相似理論相似理論模型試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮囼?yàn) 測(cè)量測(cè)量數(shù)據(jù)分析數(shù)據(jù)分析 風(fēng)洞試驗(yàn)：上海虹口足球場(chǎng)風(fēng)載模擬試驗(yàn)風(fēng)洞試驗(yàn)：上海虹口足球場(chǎng)風(fēng)載模擬試驗(yàn) 水洞實(shí)驗(yàn)：水洞實(shí)驗(yàn)： 螺旋槳空泡螺旋槳空泡 水池實(shí)驗(yàn)：水池實(shí)驗(yàn)： 船模拖曳實(shí)驗(yàn)船模拖曳實(shí)驗(yàn) 測(cè)量技術(shù)有：測(cè)量技術(shù)有：熱線，激光測(cè)速；粒子圖象，跡熱線，激光測(cè)速；粒子圖象，跡 線測(cè)速；高速攝影；全息照相；壓力密度溫度線測(cè)速；高速攝影；全息照相；壓力密度溫度 測(cè)量等。測(cè)量等。 激波條紋激波條紋 現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)在計(jì)算機(jī)，光學(xué)和圖象技術(shù)

32、配合現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)在計(jì)算機(jī)，光學(xué)和圖象技術(shù)配合 下在提高空間分辨律和實(shí)時(shí)測(cè)量方面已取得長(zhǎng)下在提高空間分辨律和實(shí)時(shí)測(cè)量方面已取得長(zhǎng) 足進(jìn)展。足進(jìn)展。 數(shù)值分析方法數(shù)值分析方法 隨著技算機(jī)技術(shù)的突飛猛進(jìn)，隨著技算機(jī)技術(shù)的突飛猛進(jìn)， 過去無法求解的流體力學(xué)偏微分方程可以用計(jì)過去無法求解的流體力學(xué)偏微分方程可以用計(jì) 算機(jī)數(shù)值方法求解。算機(jī)數(shù)值方法求解。 74 計(jì)算流體力學(xué)計(jì)算流體力學(xué) 有限差分法有限差分法有限元法有限元法邊界元法邊界元法譜分析等譜分析等 如飛行器、汽車、河道、橋梁、渦輪機(jī)流場(chǎng)計(jì)算；如飛行器、汽車、河道、橋梁、渦輪機(jī)流場(chǎng)計(jì)算； 湍流、流動(dòng)穩(wěn)定性、非線性流動(dòng)中的數(shù)值模擬；湍流、流動(dòng)穩(wěn)定性、非線性流動(dòng)中的數(shù)值模擬； 大型工程計(jì)算軟件是研究工程流動(dòng)問題的有力武大型工程計(jì)算軟件是研究工程流動(dòng)問題的有力武 器。器。 日本名古屋矢田川橋抗風(fēng)性能數(shù)值模擬日本名古屋矢田川橋抗風(fēng)性能數(shù)值模擬 壓強(qiáng)分布?jí)簭?qiáng)分布 速度分布速度分布 渦輪機(jī)葉片流線和總壓分布數(shù)值模擬。渦輪機(jī)葉片流線和總壓分布數(shù)值模擬。 （日本：國(guó)家空間實(shí)驗(yàn)室）（日本：國(guó)家空間實(shí)驗(yàn)室） 流體力學(xué)不僅有深厚的理論基礎(chǔ)，而流體力學(xué)不僅有深厚的理論