流體力學(xué)概述

1、工程流體力學(xué)工程流體力學(xué) 概概 述述 動力與能源工程學(xué)院動力與能源工程學(xué)院 20112011級級 工程流體力學(xué)工程流體力學(xué) Engineering Fluid Mechanics 概概 述述 流體力學(xué)流體力學(xué)（Fluid Mechanics） 力學(xué)的一個分支。主要研究在各種力的作用下，流體本身的 狀態(tài)，以及流體和固體壁面、流體和流體間、流體與其他運動形 態(tài)之間的相互作用。工程流體力學(xué)即流體力學(xué)應(yīng)用于工程領(lǐng)域。 從流體作用力的角度，流體力學(xué)可分為 流體靜力學(xué)； 流體運動學(xué)； 流體動力學(xué)。 從對不同“力學(xué)模型”的研究來分，則有 理想流體動力學(xué)； 粘性流體動力學(xué)； 不可壓縮流體動力學(xué)； 可壓縮流體動

2、力學(xué)； 非牛頓流體力學(xué)等。 概概 述述 1 工程流體力學(xué)工程流體力學(xué) Engineering Fluid Mechanics 流體力學(xué)簡史流體力學(xué)簡史 古希臘古希臘的阿基米德（Archimedes,287?B.C.212B.C.，古希臘數(shù)學(xué)家、物理學(xué)家、發(fā)明家）建立 了包括物體浮力定理和浮體穩(wěn)定性的液體平衡理論，奠定了流體 靜力學(xué)的基礎(chǔ)。 17世紀(jì)世紀(jì) 牛頓（Sir Isaac Newton,1642.12.251727.3.20，英國數(shù)學(xué)家、物理學(xué)家、天文學(xué)家和自然哲學(xué)家）研究了運 動物體在流體中受到的阻力，得到阻力與流體密度、物體迎流截 面積和運動速度的平方成正比的關(guān)系。他還提出粘性流體運

3、動時 的內(nèi)摩擦力公式，即牛頓粘性定律。 概概 述述 2 阿基米德阿基米德牛頓牛頓 工程流體力學(xué)工程流體力學(xué) Engineering Fluid Mechanics 18世紀(jì)世紀(jì) 伯努利（Daniel Bernoulli,1700.2.81782.3.17，瑞士物理學(xué)家、數(shù)學(xué)家、醫(yī)學(xué)家)建立了聯(lián)系壓力、 高度和流速的伯努利方程。 皮托（Henri Pitot,1695.5.31771.12.27，法國數(shù)學(xué)家、水利工程師、發(fā)明家）發(fā)明了測量流速的 皮托管。 歐拉（Leonhard Euler,1707.4.151783.9.18，瑞士數(shù)學(xué)家和物理學(xué)家）在忽略流體粘性的假設(shè) 下，建立了描述理想流體運

4、動的基本方程，即歐拉方程。 拉格朗日（Joseph Louis Lagrange,1736.1.251813.4.10，法國數(shù)學(xué)家、物理學(xué)家）對無旋運動， 而后亥姆霍茲（Hermannvon Helmholtz,1821.10.311894.9.8，德國物理學(xué)家、生理學(xué)家、生物物理學(xué)家）對旋 渦運動作了不少研究。 概概 述述 3 伯努利伯努利歐拉歐拉拉格朗日拉格朗日 工程流體力學(xué)工程流體力學(xué) Engineering Fluid Mechanics 19世紀(jì)世紀(jì) 納維（Claude-Louis-Marie-Henri Navier,1785.2.101836.8.21，法國力學(xué)家、工程師）和斯托

5、克斯（George Gabriel stokes,1819.8.131903.2.1，英國力學(xué)家、數(shù)學(xué)家）分別建立了描述粘性流體運動的基 本方程，即納維-斯托克斯方程，它是流體動力學(xué)的理論基礎(chǔ)。與 流體動力學(xué)平行發(fā)展的是水力學(xué)。 概概 述述 4 納維納維斯托克斯斯托克斯 工程流體力學(xué)工程流體力學(xué) Engineering Fluid Mechanics 20世紀(jì)世紀(jì) 1904年普朗特（Ludwig Prandtl,1875.2.41953.8.15，德國力學(xué)家、近代航空流體力學(xué)的奠基人)創(chuàng)立 邊界層理論，它既明確了理想流體的適用范圍，又能計算在流體 中運動的物體所受到的摩擦阻力。 20世紀(jì)初，飛

6、機(jī)的出現(xiàn)促進(jìn)空氣動力學(xué)的發(fā)展。 40年后，由于噴氣推進(jìn)和火箭技術(shù)的應(yīng)用，使氣體高 速流動的研究進(jìn)展迅速，形成了氣體動力學(xué)。 從20世紀(jì)50年代起，電子計算機(jī)不斷完善，使原來用分析方 法難以進(jìn)行研究的課題，可用數(shù)值計算方法進(jìn)行，出現(xiàn)了計算流 體力學(xué)新分支。與其同時，由于民用和軍用生產(chǎn)的需要，水動力 學(xué)等學(xué)科也有很大進(jìn)展。 從20世紀(jì)60年代起，流體力學(xué)和其他學(xué)科逐漸互相交叉滲透， 形成一些新的交叉學(xué)科，如物理-化學(xué)流體力學(xué)、磁流體力學(xué)等； 原來基本上只是定性描述的問題逐步得到定量研究，生物流變學(xué) 就是一個例子。 概概 述述 5 普朗特普朗特 工程流體力學(xué)工程流體力學(xué) Engineering Fl

7、uid Mechanics 流體力學(xué)研究內(nèi)容流體力學(xué)研究內(nèi)容 從研究對象劃分，它主要有以下分支學(xué)科： 地球流體力學(xué)：地球流體力學(xué)：研究大氣、海水以及地球深處熔漿的運動。 水力學(xué)和水動力學(xué)：水力學(xué)和水動力學(xué)：研究水在海洋、江河、渠道、管道和水 力機(jī)械中的運動，船舶運動和阻力，高速水流中的空化，等等。 空氣動力學(xué)：空氣動力學(xué)：研究空氣的特性（如粘性、壓縮性、擴(kuò)散和波 動特性等），飛行器的氣動力特性和氣動加熱現(xiàn)象，飛行器外形 設(shè)計等。 環(huán)境流體力學(xué)和工業(yè)流體力學(xué)：環(huán)境流體力學(xué)和工業(yè)流體力學(xué)：研究大氣污染 、建筑物的風(fēng) 載風(fēng)振問題、風(fēng)能利用、沙漠遷移、河流泥沙運動、液力和氣力 輸送，等等。 生物流體力

8、學(xué)：生物流體力學(xué)：研究人和其他生物體內(nèi)的流體運動規(guī)律。 其他還有滲流力學(xué)滲流力學(xué)、磁流體力學(xué)磁流體力學(xué)、物理物理-化學(xué)流體力學(xué)化學(xué)流體力學(xué)、爆爆 炸力學(xué)炸力學(xué)等。 概概 述述 6 工程流體力學(xué)工程流體力學(xué) Engineering Fluid Mechanics 流體力學(xué)研究方法流體力學(xué)研究方法 流體力學(xué)的研究方法有現(xiàn)場觀測、實驗室模擬、理論分析和 數(shù)值計算，它們是相輔相成的。 現(xiàn)場觀測現(xiàn)場觀測 利用儀器對流動現(xiàn)象進(jìn)行實際全尺寸觀測。 實驗室模擬實驗室模擬 由于現(xiàn)場流動現(xiàn)象的發(fā)生不能人為控制，且要花費大量資金 和人力，因此人們建立實驗室，使流動現(xiàn)象能在控制條件下出現(xiàn)， 以便于觀察和研究。要使實驗

9、數(shù)據(jù)與現(xiàn)場觀測結(jié)果相符，必須滿 足流動相似律。 理論分析理論分析 根據(jù)流體運動的普遍規(guī)律如質(zhì)量守恒、動量守恒、能量守恒 等，利用數(shù)學(xué)分析手段研究流體運動規(guī)律。 數(shù)值計算數(shù)值計算 利用電子計算機(jī)求解復(fù)雜的流體力學(xué)基本方程組，它可部分 或全部代替某些實驗，因此發(fā)展很快。 概概 述述 7 工程流體力學(xué)工程流體力學(xué) Engineering Fluid Mechanics 流流 體體 Fluid 流體是液體和氣體的總稱。 水和空氣是兩種最常見的流 體。 靜止流體內(nèi)部任意質(zhì)點，其 表面只承受沿內(nèi)法線方向的應(yīng)力， 即壓力，不承受剪應(yīng)力。 流體無論受到多么小的剪應(yīng) 力，都會連續(xù)地發(fā)生剪切變形， 因而流體具有流

10、動性，很容易改 變形狀。 外力只影響變形速率的大小， 而不能確定變形量。 流體具有壓縮性，其密度隨 壓力增加而增大。流體密度也會 因溫度升高而減小，稱為熱脹性， 即熱脹冷縮。液體的壓縮性可用 體積壓縮系數(shù)表示，即 式中dp為壓力增量，d/為密度 變化率，其意義是單位壓力增量 所引起的密度變化率。 體積壓縮系數(shù)的倒數(shù)為彈性 模量E，表示增加單位密度變化 率所需要的壓力增量。 流流 體體 8 1 d dp 返回 dp E d 工程流體力學(xué)工程流體力學(xué) Engineering Fluid Mechanics 液體的彈性模量一般很大， 如在15和標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，水的 E值為2.15109Pa，欲使水密度

11、 增加1，需施加約210個標(biāo)準(zhǔn)大 氣壓，可見液體是不易被壓縮的。 彈性模量隨溫度和壓力增大而增 大。 氣體具有明顯的壓縮性。完 全氣體密度、壓力和溫度之間的 關(guān)系由狀態(tài)方程pRT確定。 式中p、T分別為壓力、密度、 溫度、R為氣體常量，與氣體種 類有關(guān)，空氣的R287 kJ/kgm3。 氣體密度隨壓力的變化關(guān)系與過 程有關(guān)，如等熵過程Ep，等 溫過程Ep等。 氣體的密度很容易隨壓力和 溫度而變化。根據(jù)壓力和密度的 關(guān)系，流體可區(qū)分為正壓流體和 斜壓流體。若流體壓力只是密度 的函數(shù)，即存在函數(shù)pp()， 為正壓流體；若壓力不僅是密度 而且也是其他熱力學(xué)參數(shù)的函數(shù)， 則為斜壓流體。 流體都具有粘性

12、。在同樣的 剪切力作用下，不同流體的變形 速率不同，即表現(xiàn)出粘性不同。 粘性是流體的一種屬性，粘性大 小可由粘度度量。當(dāng)相鄰兩流體 層具有相對速度時，粘性就表現(xiàn) 內(nèi)摩擦的作用，產(chǎn)生抵抗相對運 動的相互作用力。 流流 體體 9返回 工程流體力學(xué)工程流體力學(xué) Engineering Fluid Mechanics 氣體的粘性來自于分子熱運 動引起的動量交換，液體則來自 于分子引力。 溫度增加會引起氣體粘性增 大而液體粘性減小。 由于水、空氣等常見流體的 粘性作用很小，很多情況下可近 似認(rèn)為其無粘性，這樣的流體稱 為理想流體；反之，粘性作用不 能忽略時則稱為粘性流體（或真 實流體）。 粘性流動中，凡

13、粘性力與相 對速度的法向梯度成正比即滿足 牛頓粘性定律的稱為牛頓流體， 否則為非牛頓流體。 粘性會引起流體機(jī)械能量的 耗散，若無外界能量的補充，流 動將因粘性而逐漸停止。 流流 體體 10返回 工程流體力學(xué)工程流體力學(xué) Engineering Fluid Mechanics 粘粘 度度 Viscosity 度量流體粘性大小的物理量。 又稱粘性系數(shù)、動力粘度，記為 。牛頓粘性定律指出，在純剪 切流動中相鄰兩流體層之間的剪 應(yīng)力（或粘性摩擦應(yīng)力）為 式中dv/dy為垂直流動方向的法 向速度梯度。粘度數(shù)值上等于單 位速度梯度下流體所受的剪應(yīng)力。 速度梯度也表示流體運動中的角 變形率，故粘度也表示剪應(yīng)

14、力與 角變形率之間比值關(guān)系。 按國際單位制，粘度的單位 為Pas（帕秒）。粘度是流體 的一種屬性，不同流體的粘度數(shù) 值不同。同種流體的粘度顯著地 與溫度有關(guān)，而與壓強(qiáng)幾乎無關(guān)。 氣體的粘度隨溫度升高而增 大 ， 液 體 反 之 。 在 溫 度 T 2 0 0 0 K 時 ， 氣 體 粘 度 可 用 Sutherland或冪次公式計算： 粘粘 度度 11返回 dv dy 3 2 0 00 TBT TTB = 00 n T T = 工程流體力學(xué)工程流體力學(xué) Engineering Fluid Mechanics 式中T0、0為參考溫度及相應(yīng)粘 度；B為與氣體種類有關(guān)的常數(shù)， 空氣的B110.4K；

15、指數(shù)n隨氣 體種類和溫度而變，對于空氣， 在90KT300K范圍可取為8/。 水的粘度可按下式計算： 0.01779/(10.03368t0.0002210t2) 式中t為攝氏溫度。粘度也可通 過實驗求得，如用粘度計測量。 在流體力學(xué)的許多公式中，粘度 常與密度以/的組合形式出現(xiàn)， 故定義v/，由于v的單位m2/s 中只有運動學(xué)單位，故稱運動粘 度。 粘粘 度度 12返回 工程流體力學(xué)工程流體力學(xué) Engineering Fluid Mechanics 力學(xué)力學(xué) Mechanics 研究物質(zhì)機(jī)械運動規(guī)律的科 學(xué)。自然界物質(zhì)有多種層次，從 宇觀的宇宙體系，宏觀的天體和 常規(guī)物體，細(xì)觀的顆粒、纖維

16、、 晶體，到微觀的分子、原子、基 本粒子。通常理解的力學(xué)以研究 天然的或人工的宏觀對象為主。 但由于學(xué)科的互相滲透，有時也 涉及宇觀或細(xì)觀甚至微觀各層次 中的對象以及有關(guān)的規(guī)律。機(jī)械 運動亦即力學(xué)運動是物質(zhì)在時間、 空間中的位置變化，包括移動、 轉(zhuǎn)動、流動、變形、振動、波動、 擴(kuò)散等，而平衡或靜止，則是其 中的一種特殊情況。機(jī)械運動是 物質(zhì)運動的最基本的形式。物質(zhì) 運動的其他形式還有熱運動、電 磁運動、原子及其內(nèi)部的運動和 化學(xué)運動等。 機(jī)械運動常與其他運動形式 共同存在，只是在研究力學(xué)問題 時突出地考慮機(jī)械運動這種形式 罷了；如果其他運動形式對機(jī)械 運動有較大影響，或者需要考慮 它們之間的相

17、互作用，便會在力 學(xué)同其他學(xué)科之間形成交叉學(xué)科 或邊緣學(xué)科。 力力 學(xué)學(xué) 13返回 工程流體力學(xué)工程流體力學(xué) Engineering Fluid Mechanics 力是物質(zhì)間的一種相互作用， 機(jī)械運動狀態(tài)的變化是由這種相 互作用引起的。靜止和運動狀態(tài) 不變，都意味著各作用力在某種 意義上的平衡。力學(xué)，可以說是 力和（機(jī)械）運動的科學(xué)。力學(xué) 在漢語中的意思是力的科學(xué)。漢 語“力”字最初表示的是手臂使 勁，后來雖又含有他義，但都同 機(jī)械或運動無直接聯(lián)系?！傲W(xué)” 一詞譯自英語mechanics（源于 希臘語機(jī)械），在19 世紀(jì)50年代作為研究力的作用的 學(xué)科名詞傳入中國時，譯作重學(xué)， 后來改譯作

18、力學(xué)。 力學(xué)發(fā)展簡史力學(xué)發(fā)展簡史 力學(xué)知識最早起源于對自然 現(xiàn)象的觀察和在生產(chǎn)勞動中的經(jīng) 驗。人們在建筑、灌溉等勞動中 使用杠桿、斜面、汲水器具，逐 漸積累起對平衡物體受力情況的 認(rèn)識。古希臘的阿基米德對杠桿 平衡、物體重心位置、物體在水 中受到的浮力等作了系統(tǒng)研究， 確定它們的基本規(guī)律，初步奠定 了靜力學(xué)即平衡理論的基礎(chǔ)。古 代人還從對日、月運行的觀察和 弓箭、車輪等的使用中了解一些 簡單的運動規(guī)律，如勻速的移動 和轉(zhuǎn)動。 力力 學(xué)學(xué) 14返回 工程流體力學(xué)工程流體力學(xué) Engineering Fluid Mechanics 但是對力和運動之間的關(guān)系， 只是在歐洲文藝復(fù)興時期以后才 逐漸有了

19、正確的認(rèn)識。伽利略在 實驗研究和理論分析的基礎(chǔ)上， 最早闡明自由落體運動的規(guī)律， 提出加速度的概念。牛頓繼承和 發(fā)展前人的研究成果（特別是開 普勒的行星運動三定律），提出 物體運動三定律。 伽利略、牛頓奠定了動力學(xué) 的基礎(chǔ)。牛頓運動定律的建立標(biāo) 志著力學(xué)開始成為一門科學(xué)。此 后力學(xué)的進(jìn)展在于它所考慮的對 象由單個的自由質(zhì)點轉(zhuǎn)向受約束 的質(zhì)點和受約束的質(zhì)點系；這方 面的標(biāo)志是達(dá)朗貝爾提出的達(dá)朗 貝爾原理和拉格朗日建立的分析 力學(xué)。歐拉又進(jìn)一步把牛頓運動 定律推廣用于剛體和理想流體的 運動方程。歐拉建立理想流體的 力學(xué)方程可看作是連續(xù)介質(zhì)力學(xué) 的肇端。在此以前，有關(guān)固體的 彈性、流體的粘性、氣體的

20、可壓 縮性等的物質(zhì)屬性方程已經(jīng)陸續(xù) 建立。運動定律和物性定律這兩 者的結(jié)合，促使彈性固體力學(xué)基 本理論和粘性流體力學(xué)基本理論 孿生于世，在這方面作出貢獻(xiàn)的 是納維、柯西、泊松、斯托克斯 等人。彈性力學(xué)和流體力學(xué)基本 方程的建立，使得力學(xué)逐漸脫離 物理學(xué)而成為獨立學(xué)科。 力力 學(xué)學(xué) 15返回 工程流體力學(xué)工程流體力學(xué) Engineering Fluid Mechanics 另一方面，從拉格朗日分析 力學(xué)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的哈密頓體 系，繼續(xù)在物理學(xué)中起作用。從 牛頓到哈密頓的理論體系組成物 理學(xué)中的經(jīng)典力學(xué)或牛頓力學(xué)。 在彈性和流體基本方程建立后， 所給出的方程一時難于求解，工 程技術(shù)中許多應(yīng)用力學(xué)

21、問題還須 依靠經(jīng)驗或半經(jīng)驗的方法解決。 這使得19世紀(jì)后半葉在材料力學(xué)、 結(jié)構(gòu)力學(xué)同彈性力學(xué)之間，水力 學(xué)和水動力學(xué)之間一直存在著風(fēng) 格上的顯著差別。到20世紀(jì)初， 在流體力學(xué)和固體力學(xué)中，實際 應(yīng)用同數(shù)學(xué)理論的上述兩個方面 開始結(jié)合，此后力學(xué)便蓬勃發(fā)展 起來，創(chuàng)立了許多新的理論，同 時也解決了工程技術(shù)中大量的關(guān) 鍵性問題，如航空工程中的聲障 問題和航天工程中的熱障問題。 這種理論和實際密切結(jié)合的力學(xué) 的先導(dǎo)者是普朗特和馮卡門。 他們在力學(xué)研究工作中善于從復(fù) 雜的現(xiàn)象中洞察事物本質(zhì)，又能 尋找合適的解決問題的數(shù)學(xué)途徑， 逐漸形成一套特有的方法。 從20世紀(jì)60年代起，電子計 算機(jī)應(yīng)用日廣，力學(xué)

22、無論在應(yīng)用 上或理論上都有了新的進(jìn)展。力 學(xué)繼承它過去同航空和航天工程 技術(shù)結(jié)合的傳統(tǒng)，在同其他各種 工程技術(shù)以及同自然科學(xué)的其他 力力 學(xué)學(xué) 16返回 工程流體力學(xué)工程流體力學(xué) Engineering Fluid Mechanics 學(xué)科的結(jié)合中，開拓自己新的應(yīng) 用領(lǐng)域。70年代以來混沌理論方 面的進(jìn)展，說明確定性動力學(xué)系 統(tǒng)中廣泛存在長期不可預(yù)測性， 使人們對于以牛頓運動定律為基 礎(chǔ)的經(jīng)典力學(xué)有了新的認(rèn)識。 力學(xué)在中國的發(fā)展經(jīng)歷了一 個特殊的過程。與古希臘幾乎同 時，中國古代對平衡和簡單的運 動形式就已具備相當(dāng)水平的力學(xué) 知識，所不同的是未建立起像阿 基米德那樣的理論系統(tǒng)。在文藝 復(fù)興前的

23、約1000年時間內(nèi)，整個 歐洲的科學(xué)技術(shù)進(jìn)展緩慢，而中 國科學(xué)技術(shù)的綜合性成果卓著， 有些居于世界領(lǐng)先地位。這些成 果反映出豐富的力學(xué)知識，但終 未形成系統(tǒng)的力學(xué)理論。 明末清初，中國科學(xué)技術(shù)已 顯著落后于歐洲。經(jīng)過曲折的過 程，到19世紀(jì)中葉，牛頓力學(xué)才 由歐洲傳入中國。以后，中國力 學(xué)的發(fā)展便隨同世界潮流前進(jìn)。 力學(xué)學(xué)科性質(zhì)力學(xué)學(xué)科性質(zhì) 力學(xué)原是物理學(xué)的一個分支。 物理科學(xué)的建立則是從力學(xué)開始 的。在物理科學(xué)中，人們曾用純 粹力學(xué)理論解釋機(jī)械運動以外的 各種形式的運動，如熱、電磁、 光、分子和原子內(nèi)的運動等。當(dāng) 物理學(xué)擺脫了這種機(jī)械（力學(xué)） 力力 學(xué)學(xué) 17返回 工程流體力學(xué)工程流體力學(xué)

24、Engineering Fluid Mechanics 的自然觀而獲得健康發(fā)展時，力 學(xué)則在工程技術(shù)的推動下按自身 邏輯進(jìn)一步演化，逐漸從物理學(xué) 中獨立出來。20世紀(jì)初，相對論 指出牛頓力學(xué)不適用于速度接近 光速或者宇宙尺度內(nèi)的物體運動； 20年代，量子論指出牛頓力學(xué)不 適用于微觀世界。這反映人們對 力學(xué)認(rèn)識的深化，即認(rèn)識到物質(zhì) 在不同層次上的機(jī)械運動規(guī)律是 不同的。 通常理解的力學(xué)只以研究宏 觀的機(jī)械運動為主，因而有許多 帶“力學(xué)”名稱的學(xué)科如熱力學(xué)、 統(tǒng)計力學(xué)、相對論力學(xué)、電動力 學(xué)、量子力學(xué)等在習(xí)慣上被認(rèn)為 是物理學(xué)的分支，而不屬于 力學(xué)的范圍。但由于歷史上的原 因，力學(xué)和物理學(xué)仍有著特

25、殊的 親緣關(guān)系，特別是在以上各力學(xué) 分支和牛頓力學(xué)之間，許多概念、 方法、理論都有不少相似之處。 力學(xué)與數(shù)學(xué)在發(fā)展中始終相 互推動，相互促進(jìn)。一種力學(xué)理 論往往和相應(yīng)的一個數(shù)學(xué)分支相 伴產(chǎn)生，如運動基本定律和微積 分，運動方程的求解和常微分方 程，彈性力學(xué)及流體力學(xué)的基本 方程和數(shù)學(xué)分析理論，天體力學(xué) 中運動穩(wěn)定性和微分方程定性理 論等。有人甚至認(rèn)為力學(xué)是一門 應(yīng)用數(shù)學(xué)。但是力學(xué)和物理學(xué)一 力力 學(xué)學(xué) 18返回 工程流體力學(xué)工程流體力學(xué) Engineering Fluid Mechanics 樣，還有需要實驗基礎(chǔ)的一面， 而數(shù)學(xué)尋求的是比力學(xué)更帶普遍 性的數(shù)學(xué)關(guān)系，兩者有各自的研 究對象。 力

26、學(xué)同物理學(xué)、數(shù)學(xué)等學(xué)科 一樣，是一門基礎(chǔ)科學(xué)，它所闡 明的規(guī)律帶有普遍的性質(zhì)。 力學(xué)又是一門技術(shù)科學(xué)，它 是許多工程技術(shù)的理論基礎(chǔ)，又 在廣泛的應(yīng)用過程中不斷得到發(fā) 展。當(dāng)工程學(xué)還只分民用工程學(xué) （即土木工程學(xué)）和軍事工程學(xué) 兩大分支時，力學(xué)在這兩個分支 中已起著舉足輕重的作用。工程 學(xué)越分越細(xì)，各個分支中許多關(guān) 鍵性的進(jìn)展都有賴于力學(xué)中有關(guān) 運動規(guī)律、強(qiáng)度、剛度等問題的 解決。力學(xué)和工程學(xué)的結(jié)合促使 工程力學(xué)各個分支的形成和發(fā)展。 無論是歷史較久的土木工程、建 筑工程、水利工程、機(jī)械工程、 船舶工程等，還是后起的航空工 程、航天工程、核技術(shù)工程、生 物醫(yī)學(xué)工程等，都或多或少有工 程力學(xué)的活動

27、場地。力學(xué)作為一 門技術(shù)科學(xué)，并不能代替工程學(xué)， 只指出工程技術(shù)中解決力學(xué)問題 的途徑，而工程學(xué)則從更綜合的 角度考慮具體任務(wù)的完成。同樣 地，工程力學(xué)也不能代替力學(xué)， 因為力學(xué)還有探索自然界一般規(guī) 律的任務(wù)。 力力 學(xué)學(xué) 19返回 工程流體力學(xué)工程流體力學(xué) Engineering Fluid Mechanics 力力 學(xué)學(xué) 20 交錯排列管道群中的流場 返回 工程流體力學(xué)工程流體力學(xué) Engineering Fluid Mechanics 力學(xué)既是基礎(chǔ)科學(xué)又是技術(shù) 科學(xué)這種二重性，有時難免會引 起側(cè)重基礎(chǔ)研究一面和側(cè)重應(yīng)用 研究一面的力學(xué)家之間的不同看 法。這種二重性使力學(xué)家為溝通 人類認(rèn)識

28、自然和改造自然兩個方 面作出了貢獻(xiàn)。 力學(xué)研究方法力學(xué)研究方法 力學(xué)研究方法遵循認(rèn)識論的 基本法則：實踐理論實踐。 力學(xué)作為基礎(chǔ)科學(xué)和作為技術(shù)科 學(xué)從不同側(cè)面反映這個法則。力 學(xué)家們根據(jù)對自然現(xiàn)象的觀察， 特別是定量觀測的結(jié)果，根據(jù)生 產(chǎn)過程中積累的經(jīng)驗和數(shù)據(jù)，或 者根據(jù)為特定目的而設(shè)計的科學(xué) 實驗的結(jié)果，提煉出量與量之間 的定性的或數(shù)量的關(guān)系。為了使 這種關(guān)系反映事物的本質(zhì)，力學(xué) 家要善于抓住起主要作用的因素， 摒棄或暫時摒棄一些次要因素。 力學(xué)中把這種過程稱為建立模型。 質(zhì)點、質(zhì)點系、剛體、彈性固體、 粘性流體、連續(xù)介質(zhì)等是各種不 同的模型。在模型的基礎(chǔ)上可以 運用已知的力學(xué)的或物理學(xué)的規(guī)

29、 律（必要時作一些假設(shè)）以及合 適的數(shù)學(xué)工具進(jìn)行理論上的演繹 工作，導(dǎo)出新的結(jié)論。在理論演 繹中，為了使理論具有更高的概 括性和更廣泛的適用性，往往采 用一些無量綱參數(shù)如雷諾數(shù)、馬 力力 學(xué)學(xué) 21返回 工程流體力學(xué)工程流體力學(xué) Engineering Fluid Mechanics 赫數(shù)、泊松比等。這些參數(shù)既反 映物理本質(zhì)，又是單純的數(shù)字， 不受尺寸、單位制、工程性質(zhì)、 實驗裝置類型的牽制。依據(jù)第一 個實踐環(huán)節(jié)所得理論結(jié)論建立的 模型是否合理，有待于新的觀測、 工程實踐或者科學(xué)實驗等第二個 實踐環(huán)節(jié)加以驗證。采用上述無 量綱參數(shù)以及通過有關(guān)的量綱分 析使得這種驗證能在更廣泛的范 圍內(nèi)進(jìn)行。對

30、一個單獨的力學(xué)課 題或研究任務(wù)來說，這種實踐和 理論環(huán)節(jié)不一定能分得很清，也 可能和其他課題或任務(wù)的某個環(huán) 節(jié)相互交叉，相互影響。課題或 任務(wù)中每一項具體工作又可能只 涉及一個環(huán)節(jié)或者一個環(huán)節(jié)的一 部分。因此，從局部看來，力學(xué) 研究工作方式是多樣的：有些只 是純數(shù)學(xué)的推理，甚至著眼于理 論體系在邏輯上的完善化；有些 著重數(shù)值方法和近似計算；有些 著重實驗技術(shù)；有些著重在天文 觀測和考察自然現(xiàn)象中積累數(shù)據(jù)； 而更大量的則是著重在運用現(xiàn)有 力學(xué)知識來解決工程技術(shù)中或探 索自然界奧秘中提出的具體問題。 每一項工程又都需要具備自身有 關(guān)的知識和其他學(xué)科的配合。數(shù) 學(xué)推理需要各種現(xiàn)代數(shù)學(xué)知識， 包括一些

31、抽象數(shù)學(xué)分支的知識。 數(shù)值方法和近似計算要了解計算 力力 學(xué)學(xué) 22返回 工程流體力學(xué)工程流體力學(xué) Engineering Fluid Mechanics 技術(shù)、計算數(shù)學(xué)?，F(xiàn)代的力學(xué)實 驗設(shè)備，諸如大型的風(fēng)洞、水洞， 它們的建立和使用本身就是一個 綜合性的科學(xué)技術(shù)項目，需要多 工種、多學(xué)科的協(xié)作。應(yīng)用研究 更需要對應(yīng)用對象的工藝過程、 材料性質(zhì)、技術(shù)關(guān)鍵等有清楚的 了解。在力學(xué)研究中既有細(xì)致的、 獨立的分工，又有綜合的、全面 的協(xié)作。從力學(xué)研究和對力學(xué)規(guī) 律認(rèn)識的整體來說，實踐是檢驗 理論正確與否的唯一標(biāo)準(zhǔn)。以上 各種工作都是力學(xué)研究不可缺少 的部分。 力學(xué)分支學(xué)科力學(xué)分支學(xué)科 力學(xué)的各分支學(xué)

32、科是由于研 究方法以及研究對象的不同而形 成的，它可粗分為靜力學(xué)、運動 學(xué)和動力學(xué)三部分，也可區(qū)分為 固體力學(xué)、流體力學(xué)和一般力學(xué) 三個分支。它又可按研究時所采 用的主要手段分為理論分析、實 驗研究和數(shù)值計算三個方面。力 學(xué)與工程技術(shù)和其他自然科學(xué)方 面的結(jié)合形成工程力學(xué)或應(yīng)用力 學(xué)各分支以及多種交叉學(xué)科，諸 如土力學(xué)、工業(yè)空氣動力學(xué)、生 物力學(xué)、地質(zhì)力學(xué)等。 力力 學(xué)學(xué) 23返回 工程流體力學(xué)工程流體力學(xué) Engineering Fluid Mechanics 力力 學(xué)學(xué) 24返回 協(xié)和式飛機(jī)著陸時的流場顯示（正視圖） 工程流體力學(xué)工程流體力學(xué) Engineering Fluid Mecha

33、nics 連續(xù)介質(zhì)連續(xù)介質(zhì) Continuum 流體力學(xué)或固體力學(xué)研究的 基本假設(shè)之一。它認(rèn)為流體或固 體質(zhì)點在空間是連續(xù)而無空隙地 分布的，且質(zhì)點具有宏觀物理量 如質(zhì)量、速度、壓強(qiáng)、溫度等， 都是空間和時間的連續(xù)函數(shù)，滿 足一定的物理定律。所謂質(zhì)點， 實際是指微觀充分大、宏觀充分 小的分子團(tuán)，也稱微團(tuán)。即其尺 度比分子或分子運動尺度足夠大， 它可以包含“無數(shù)”的分子，而 比所研究力學(xué)問題的特征尺度足 夠小。有了連續(xù)介質(zhì)假設(shè)，就可 以在流體力學(xué)研究中廣泛運用數(shù) 學(xué)分析這一強(qiáng)有力的工具。實際 流體的結(jié)構(gòu)在一般情況下是非常 接近連續(xù)介質(zhì)模型的。例如在冰 點溫度（273.15K）和標(biāo)準(zhǔn)大氣 壓（10

34、1325Pa）下，1cm3空氣 含分子約2.71019個，分子平均 自由程約10-9cm，1秒內(nèi)分子碰 撞約1029次。顯然，從力學(xué)角度 完全可以忽略分子結(jié)構(gòu)的離散性 和分子碰撞作用的間歇性，而認(rèn) 為物質(zhì)是連續(xù)的。在特殊情況， 如稀薄氣體中，分子自由程相比 力學(xué)特征尺度已不是非常小，連 續(xù)介質(zhì)假設(shè)不適用；激波層的厚 度為分子量級，研究激波層中的 氣體運動也不能用連續(xù)介質(zhì)假設(shè)。 連續(xù)介質(zhì)連續(xù)介質(zhì) 25返回 工程流體力學(xué)工程流體力學(xué) Engineering Fluid Mechanics 流體靜力學(xué)流體靜力學(xué) Hydrostatics 流體靜力學(xué)主要研究靜止或 相對靜止流體中壓力、密度、溫 度等參

35、數(shù)的分布以及流體對器壁 或物體的作用的流體力學(xué)分支。 流體靜力學(xué)的基本方程是歐 拉靜平衡方程，在直角坐標(biāo)系中 表示為 式中X、Y、Z為x、y、z三個坐 標(biāo)方向流體所受的單位質(zhì)量力， p為壓力，為密度。 通常情況，質(zhì)量力僅為重力。 液體一般是不可壓縮流體， 密度為常數(shù)，上述方程可積分為 pp0 gh 式中p0為液體表面壓力，g為單 位質(zhì)量力，h為深度。 但在有些情況如海洋深處， 應(yīng)考慮液體密度隨壓力而增大的 影響，可導(dǎo)出 pp0Eln(1 0gh/E) 式中0為液體表面密度，E為液 體彈性模量，這里視為常數(shù)。 氣體（如大氣情況）密度是 變化的，若引入狀態(tài)方程及給定 的溫度條件，可導(dǎo)出壓力、密度

36、等隨高度變化的關(guān)系。在一般工 流體靜力學(xué)流體靜力學(xué) 26返回 X Y Z px py pz 工程流體力學(xué)工程流體力學(xué) Engineering Fluid Mechanics 程中使用的有限體積容器（如儲 氣罐、氣瓶）中壓力可視為常數(shù)。 沿浸入流體中的器壁或物體表面 積分流體壓力，可求出流體對其 作用的總壓力和壓力中心（或鉛 垂方向為浮力和浮力中心），并 可分析各種浮體、潛體的平衡和 穩(wěn)定性。流體靜力學(xué)的研究在航 空、航運、海洋工程、液壓驅(qū)動 裝置、測壓儀器及水壩、閘門、 高壓容器的設(shè)計方面有廣泛應(yīng)用。 海洋深處考慮液體密度隨海洋深處考慮液體密度隨 壓力而增大的影響壓力而增大的影響: 流體靜力學(xué)

37、流體靜力學(xué) 27返回 0 0 2 0 0 0 00 d d ln dgd dd g gg g ln 1g p E ppE ph E h EE h E Eh ppEhE 工程流體力學(xué)工程流體力學(xué) Engineering Fluid Mechanics 流體動力學(xué)流體動力學(xué) fluid dynamics 研究作為連續(xù)介質(zhì)的流體在 力作用下的運動規(guī)律及其與邊界 的相互作用的流體力學(xué)分支。廣 義地說，它還研究流體和其他運 動形態(tài)的相互作用。流體動力學(xué) 與流體靜力學(xué)的差別在于前者研 究運動中的流體；流體動力學(xué)與 流體運動學(xué)的差別在于前者考慮 作用在流體上的力。流體動力學(xué) 包括水動力學(xué)和空氣動力學(xué)兩大 部

38、分。其研究方法也和流體力學(xué) 一樣有理論、實驗和計算3種， 它們?nèi)￠L補短，相互促進(jìn)。流體 動力學(xué)的主要內(nèi)容如下： 應(yīng)力張量和變形速率張量應(yīng)力張量和變形速率張量 的關(guān)系的關(guān)系 牛頓粘性定律闡述剪切流動 中兩層流體間的剪應(yīng)力（即粘性 應(yīng)力）與流體剪切變形速率（即 垂直速度方向的速度梯度）之間 成正比關(guān)系。對于一般粘性流動， 若假設(shè)：運動流體的應(yīng)力張量 在運動停止后趨于靜止流體的應(yīng) 力張量；偏應(yīng)力張量的各分量 是局部速度梯度張量各分量的線 性齊次函數(shù)；流體為各向同性， 則可導(dǎo)出應(yīng)力張量和變形速率張 量之間的關(guān)系，即廣義牛頓粘性 定律。 流體動力學(xué)流體動力學(xué) 28返回 工程流體力學(xué)工程流體力學(xué) Engi

39、neering Fluid Mechanics 動量方程和能量方程動量方程和能量方程 動量方程是動量守恒的數(shù)學(xué) 表達(dá)式，表明單位體積上的慣性 力等于單位體積上的質(zhì)量力加上 單位體積上的壓力梯度和粘性應(yīng) 力。能量方程是能量守恒的數(shù)學(xué) 表達(dá)式，表明粘性耗損的機(jī)械能 以及由于熱交換或其他原因傳入 的熱量使流體的熵增大。 旋渦的動力學(xué)性質(zhì)旋渦的動力學(xué)性質(zhì) 如果流體是無粘性、正壓的， 且外力有勢，則旋渦不生不滅， 而且渦線，渦管總是由相同的流 體質(zhì)點組成，渦管強(qiáng)度不隨時間 變化。只有流體的粘性、斜壓性 和外力無勢這三個因素才能使旋 渦產(chǎn)生、發(fā)展變化和消亡。對于 在工程實際中大量遇到的無粘性 不可壓縮均質(zhì)

40、流體在重力作用下 的均勻束流、定常繞流問題和靜 止起動問題，都滿足流體無粘性、 正壓和外力有勢3個條件 ，因此 整個流體運動時時處處都是無旋 的。由于無旋運動可作許多數(shù)學(xué) 上的簡化，最終歸結(jié)為求解拉普 拉斯方程，故又稱為拉普拉斯無 旋運動。 各類流體運動各類流體運動 根據(jù)不同標(biāo)準(zhǔn)可分為：層流 和湍流；邊界層流動和外部位勢 流動；無粘流動和粘性流動；不 可壓縮流動和可壓縮流動等。 流體動力學(xué)流體動力學(xué) 29返回 工程流體力學(xué)工程流體力學(xué) Engineering Fluid Mechanics 水力學(xué)水力學(xué) hydraulics 研究以水為代表的液體運動 規(guī)律及其在生產(chǎn)實踐中的應(yīng)用的 力學(xué)分支。其

41、中心問題是研究水 流與邊界的相互作用，分析在各 種條件下形成的水流狀態(tài)和邊界 上的作用力。水力學(xué)除廣泛應(yīng)用 于水利水電建設(shè)外，還應(yīng)用于城 鄉(xiāng)建設(shè)、環(huán)境保護(hù)、機(jī)械制造、 石油開采、金屬冶煉及化學(xué)工業(yè) 等領(lǐng)域。 簡史簡史 水力學(xué)在歷史上的最早記載 有公元前250年左右的阿基米德 浮體原理。中國古代水利工程如 都江堰和靈渠的修建和用“銅壺 滴漏”計時，表明對明渠水流和 孔口泄流的原理已有所認(rèn)識。 16世紀(jì)后，出現(xiàn)了帕斯卡液 壓傳遞定理、牛頓流體內(nèi)摩擦定 律等。 1738年，伯努利提出水動力 學(xué)的伯努利方程，水力學(xué)初步形 成為一門學(xué)科。其后沿著古典流 體力學(xué)和實驗水力學(xué)兩個方向發(fā) 展。古典流體力學(xué)用嚴(yán)

42、密的數(shù)學(xué) 分析進(jìn)行研究，歐拉建立了理想 流體運動微分方程，納維和斯托 克斯建立了粘性流體運動微分方 程，奠定了流體力學(xué)的理論基礎(chǔ)， 水力學(xué)水力學(xué) 30返回 工程流體力學(xué)工程流體力學(xué) Engineering Fluid Mechanics 但在當(dāng)時尚難以解決各種實際問 題。 實驗水力學(xué)針對具體水流現(xiàn) 象，采用試驗和觀測手段得到許 多實用的經(jīng)驗公式，如謝才明渠 均勻流公式一直沿用至今，但理 論指導(dǎo)不足，成果有局限性，也 難以解決復(fù)雜問題。19世紀(jì)末至 20世紀(jì)以來，雷諾提出層流和湍 流兩種流態(tài)，開始了湍流的研究， 特別是普朗特創(chuàng)立了邊界層理論， 使流體力學(xué)的發(fā)展進(jìn)入一個新階 段。同時，現(xiàn)代實驗技術(shù)

43、和建立 在相似理論與量綱分析基礎(chǔ)上的 實驗理論迅速發(fā)展，水力學(xué)也吸 取了流體力學(xué)的基本理論分析水 流現(xiàn)象，使實驗工作建立在更為 牢固的基礎(chǔ)上。原來相互脫節(jié)的 古典流體力學(xué)和實驗水力學(xué)日益 結(jié)合，在新的基礎(chǔ)上形成現(xiàn)代流 體力學(xué)和現(xiàn)代水力學(xué)。 研究內(nèi)容研究內(nèi)容 傳統(tǒng)水力學(xué)由水靜力學(xué)和水 動力學(xué)兩部分組成。水靜力學(xué)研 究靜止液體的靜壓強(qiáng)分布規(guī)律和 物體表面上的液體靜總壓力的計 算方法。水動力學(xué)主要研究液體 流動規(guī)律，包括基本理論和實際 應(yīng)用兩方面內(nèi)容?；纠碚撝饕?為反映質(zhì)量、動量和能量三大守 恒定律的連續(xù)性方程、動量方程 和能量方程，后者僅對機(jī)械能而 水力學(xué)水力學(xué) 31返回 工程流體力學(xué)工程流體力

44、學(xué) Engineering Fluid Mechanics 言，即為伯努利方程，以及水流 阻力和機(jī)械能損失的理論。這些 理論基礎(chǔ)和流體力學(xué)相同，但以 采用斷面平均量表示的一維總流 分析方法為主。實際應(yīng)用為應(yīng)用 基本理論解決各種實際流動問題， 按不同類型水流運動的特點主要 分為下列幾類： 有壓管流有壓管流 研究輸送液體的各種管道的 流量和沿管壓強(qiáng)變化的計算，也 包含流動瞬變時發(fā)生水擊的分析。 明槽流明槽流 包括河渠中正常均勻流動； 非均勻漸變流動，主要為水面線 的分析；急變流動，如水躍現(xiàn)象 等；非定常流動，如洪水計算等。 孔流孔流 各種小孔口和噴嘴在壓力水 頭下的出流以及水工中閘門大孔 泄流的計

45、算。 堰流堰流 各種量水堰和溢流壩等水工 建筑物的頂上過流的計算。 波浪波浪 研究各種水波的運動特性和 波浪對建筑物的波壓力。 水力機(jī)械中的流動水力機(jī)械中的流動 主要為水輪機(jī)和水泵等葉輪 機(jī)械中的流動特性。 挾沙水流挾沙水流 研究挾帶泥沙的河渠中渾水 水力學(xué)水力學(xué) 32返回 工程流體力學(xué)工程流體力學(xué) Engineering Fluid Mechanics 的流動規(guī)律，也包括物料輸送管 道的流動。 滲流滲流 研究多孔介質(zhì)中主要是地下 土壤中的滲流運動規(guī)律，也包括 地下水對建筑物基礎(chǔ)的浮托力計 算。 水力學(xué)也常按服務(wù)專業(yè)或問 題性質(zhì)命名形成若干個分支，如 水工水力學(xué)、河流水力學(xué)等等。 現(xiàn)代生產(chǎn)建設(shè)

46、的飛速發(fā)展， 如高壩和巨型電站的修建，海洋 的開發(fā)、環(huán)境污染的防治等，對 水力學(xué)提出的問題日新月異。另 一方面，科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，有關(guān) 學(xué)科如流體力學(xué)中湍流、多相流 等的新發(fā)展，滲透入水力學(xué)更多 新的理論和方法；現(xiàn)代光、熱、 電子等各種先進(jìn)量測技術(shù)的引用， 使復(fù)雜流動和水流內(nèi)部結(jié)構(gòu)的量 測成為可能；而電子計算機(jī)的廣 泛應(yīng)用更解決了許多過去難以計 算的問題。因此，水力學(xué)的內(nèi)涵 得到不斷發(fā)展、更新和提高。除 傳統(tǒng)的水力學(xué)分支外，又崛起一 批新的學(xué)科分支，有計算水力學(xué)、 隨機(jī)水力學(xué)、環(huán)境水力學(xué)、高速 水力學(xué)和工業(yè)水力學(xué)等。 研究方法研究方法 有理論分析、數(shù)值計算和實 驗研究幾種途徑。水力學(xué)的系統(tǒng) 理論

47、是用數(shù)理分析方法建立起來 水力學(xué)水力學(xué) 33返回 工程流體力學(xué)工程流體力學(xué) Engineering Fluid Mechanics 的。但由基本微分方程求嚴(yán)格解 析解往往很困難，實際問題的解 算多限于一維總流情況，公式中 的系數(shù)常要由實驗確定。對于非 定常問題、二維和三維問題，則 常應(yīng)用數(shù)值計算方法求近似解。 水力學(xué)實驗有原型觀測和實驗室 試驗，前者對天然水流直接觀測， 資料真實但費用大，且常受條件 限制難以作系統(tǒng)研究；后者可改 變水流條件作專題系統(tǒng)研究以及 不同方案的實物模型試驗，但模 型試驗受相似條件控制，常只能 抓住主要因素得到近似的相似。 實驗在水力學(xué)發(fā)展中起過重要作 用，理論和數(shù)值計

48、算的結(jié)果也常 需要實驗資料的驗證，至今仍是 一個重要的研究手段。 水力學(xué)水力學(xué) 34返回 工程流體力學(xué)工程流體力學(xué) Engineering Fluid Mechanics 邊界層邊界層 Boundary Layer 高雷諾數(shù)繞流中緊貼物面的 粘性力不可忽略的流動薄層。又 稱附面層。德國物理學(xué)家普朗特 于1904年首先提出了邊界層的概 念。從那時起，邊界層研究就成 為流體力學(xué)中的一個重要課題和 領(lǐng)域。在邊界層內(nèi)，緊貼物面的 流體由于分子引力的作用，完全 粘附于物面上，與物體的相對速 度為零。由物面向外，流體速度 迅速增大至當(dāng)?shù)刈杂闪魉俣?，?對應(yīng)于理想繞流的速度，一般與 來流速度同量級。因而速度

49、的法 向垂直表面的方向梯度很大，即 使流體粘度不大，如空氣、水等， 粘性力相對于慣性力仍然很大， 起著顯著作用，因而屬粘性流動。 而在邊界層外，速度梯度很小， 粘性力可以忽略，流動可視為無 粘或理想流動。在高雷諾數(shù)下， 邊界層很薄，其厚度遠(yuǎn)小于沿流 動方向的長度，根據(jù)尺度和速度 變化率的量級比較，可將納維- 斯托克斯方程簡化為邊界層方程。 求解高雷諾數(shù)繞流問題時，可把 流動分為邊界層內(nèi)的粘性流動和 邊界層外的理想流動兩部分，分 別迭代求解。邊界層有層流、湍 流、混合流 ，低速（不可壓 縮）、高速（可壓縮）以及二維、 邊界層邊界層 35返回 工程流體力學(xué)工程流體力學(xué) Engineering Fl

50、uid Mechanics 三維之分。由于粘性與熱傳導(dǎo)緊 密相關(guān)，高速流動中除速度邊界 層外，還有溫度邊界層。 邊界層轉(zhuǎn)捩邊界層轉(zhuǎn)捩 邊界層中的流態(tài)由層流過渡 為湍流的過程。轉(zhuǎn)捩是一個十分 復(fù)雜的流動變化過程，工程上常 把轉(zhuǎn)捩過程簡化為一個突變現(xiàn)象。 影響轉(zhuǎn)捩的主要因素是雷諾數(shù)， 若邊界層當(dāng)?shù)乩字Z數(shù)達(dá)到某一臨 界值時，即發(fā)生轉(zhuǎn)捩。轉(zhuǎn)捩還受 其他許多因素影響，如外流的原 始湍流度、逆壓、梯度、流過曲 面時離心力的作用、物面粗糙度、 噪聲、系統(tǒng)的穩(wěn)定性以及流體與 物體間的熱交換等。 邊界層厚度邊界層厚度 邊界層內(nèi)從物面 （當(dāng)?shù)厮?度為零）開始，沿法線方向至速 度與當(dāng)?shù)刈杂闪魉俣萓 相等（嚴(yán) 格地說

51、是等于0.990或0.995U） 的位置之間的距離，記為 。由 繞流物體頭部（前緣）起，邊界 層厚度從零開始沿流動方向逐漸 增厚。實用中又定義了邊界層位 移厚度*和動量損失厚度。位 移厚度的涵義是，邊界層內(nèi)的流 體受到阻滯，因而通過的流量減 小，相當(dāng)于理想繞流中外流從物 面上向外推移了一個距離，繞流 物體的形狀變成原幾何形狀再加 位移厚度。動量損失厚度的涵義 邊界層邊界層 36返回 工程流體力學(xué)工程流體力學(xué) Engineering Fluid Mechanics 是，流體在邊界層內(nèi)損失的動量， 相當(dāng)于按層外自由流速度計算時， 這個動量所占的流體層厚度。 邊界層分離邊界層分離 邊界層流動從物體表

52、面脫離 的現(xiàn)象。二維邊界層分離有兩種 情況，一是發(fā)生在光滑物面上， 另一是發(fā)生在物面有尖角或其他 外形中斷或不連續(xù)處。光滑物面 上發(fā)生分離的原因在于，邊界層 內(nèi)的流體因克服粘性阻力而不斷 損失動量，當(dāng)遇到下游壓力變大 （即存在逆壓梯度）時，更需要 將動能轉(zhuǎn)變?yōu)閴毫δ埽员憧朔?前方壓力而運動，這種情況越接 近物面越嚴(yán)重。因此邊界層內(nèi)法 向速度梯度越接近物面下降越甚， 當(dāng)物面法向速度梯度在某位置上 小到零時，表示一部分流體速度 已為零，成為“死水”，邊界層 流動無法沿物面發(fā)展，只能從物 面脫離，該位置稱為分離點。分 離后的邊界層在下游形成較大的 旋渦區(qū)；但也可能在下游某處又 回附到物面上，形成局

53、部回流區(qū) 或氣泡。尖點處發(fā)生邊界層分離 的原因在于附近的外流流速很大， 壓強(qiáng)很小，因而向下游必有很大 的逆壓梯度，在其作用下，邊界 層即從尖點處發(fā)生分離。三維邊 界層的分離比較復(fù)雜，是正在深 入研究的課題。 邊界層邊界層 37返回 工程流體力學(xué)工程流體力學(xué) Engineering Fluid Mechanics 邊界層分離導(dǎo)致繞流物體壓差阻 力增大、飛機(jī)機(jī)翼升力減小、流 體機(jī)械效率降低、螺旋槳性能下 降等，一般希望避免或盡量推遲 分離的發(fā)生；但有時也可利用分 離，如小展弦比尖前緣機(jī)翼的前 緣分離渦可導(dǎo)致很強(qiáng)的渦升力。 邊界層控制邊界層控制 控制邊界層發(fā)展，影響其結(jié) 構(gòu)，從而控制邊界層轉(zhuǎn)捩或分離

54、 的技術(shù)，其目的一般是減小繞流 物體阻力或增加飛行器的舉力。 經(jīng)常采用以下幾種控制方法： 采用良好或可變的物面形 狀，使邊界層盡量處于有利的順 壓梯度下，避免出現(xiàn)過早或過大 的逆壓梯度。 降低物面粗糙度。 采用吹氣或引射方法增加 邊界層氣流的動量，或?qū)⑦吔鐚?底部低動量流體吸除，均可避免 分離。 通過擾流作用（如安裝擾 流片等），使層流邊界層變成湍 流邊界層，提高其抗分離能力。 邊界層控制在工程技術(shù)上已 有重要應(yīng)用，如在航空器的翼面 上采用層流翼型 ，配置邊界層 吹除 、吸除系統(tǒng)，使用噴氣衿 翼等；在流體機(jī)械上，采用邊界 層控制的葉片等。 邊界層邊界層 38返回 工程流體力學(xué)工程流體力學(xué) En

55、gineering Fluid Mechanics 空氣動力學(xué)空氣動力學(xué) Aerodynamics 研究空氣或其他氣體的運動 規(guī)律，空氣或其他氣體與飛行器 或其他物體發(fā)生相對運動時的相 互作用和伴隨發(fā)生的物理化學(xué)變 化的學(xué)科。流體力學(xué)的一個分支。 它是在流體力學(xué)基礎(chǔ)上隨航空航 天技術(shù)的發(fā)展而形成的一門學(xué)科。 研究內(nèi)容研究內(nèi)容 根據(jù)空氣與物體的相對速度 是否小于約100米/秒（相應(yīng)馬赫 數(shù)約0.3）， 可分為低速空氣動 力學(xué)和高速空氣動力學(xué)，前者主 要研究不可壓縮流動，后者研究 可壓縮流動。根據(jù)是否忽略粘性， 可分為理想空氣動力學(xué)和粘性空 氣動力學(xué)。作用于飛行器的升力、 力矩問題，可主要通過理想

56、空氣 動力學(xué)求解。按流場邊界不同氣 流有外流和內(nèi)流之分。外流指一 般飛行器繞流和鈍體繞流，內(nèi)流 主要指管道、進(jìn)氣道、發(fā)動機(jī)內(nèi) 的流動。專門研究鈍體繞流的稱 鈍體空氣動力學(xué)；專門研究內(nèi)流 的稱內(nèi)流空氣動力學(xué)。自20世紀(jì) 60年代以后，空氣動力學(xué)逐漸向 非航空航天的一般工業(yè)與經(jīng)濟(jì)領(lǐng) 域擴(kuò)展和滲透，形成了工業(yè)空氣 動力學(xué)。此外還有一些邊緣性分 支學(xué)科，如稀薄氣體動力學(xué)、高 空氣動力學(xué)空氣動力學(xué) 39返回 工程流體力學(xué)工程流體力學(xué) Engineering Fluid Mechanics 溫氣體動力學(xué)和宇宙氣體動力學(xué) 等（見氣體動力學(xué)）。 鈍體空氣動力學(xué)。研究鈍 形物體的繞流問題。鈍體常具有 鈍頭、鈍尾

57、或帶棱角的形狀，如 橋梁、塔架、采油平臺、大型冷 卻塔、高層建筑、火車、汽車等。 當(dāng)風(fēng)吹過這些物體或物體在空氣 中運動時便產(chǎn)生鈍體繞流現(xiàn)象。 流線型飛機(jī)在大迎角飛行時，也 屬鈍體繞流范疇。鈍體繞流通常 伴有復(fù)雜的分離和旋渦運動，有 時還會產(chǎn)生流致振動（即物體或 結(jié)構(gòu)被流動激發(fā)的振動）。這是 由于分離渦從物面周期性發(fā)放時， 物體受到周期變化的流體動力作 用而發(fā)生的受迫振動，甚至導(dǎo)致 共振或變形發(fā)散，使結(jié)構(gòu)破壞。 1940年美國塔科馬懸索橋在自然 風(fēng)作用下發(fā)生強(qiáng)烈振動而斷裂就 是一例。為此，在建筑設(shè)計中必 須考慮結(jié)構(gòu)的固有頻率，還要進(jìn) 行風(fēng)洞實驗。常采取的措施有減 小跨度，增加剛度，改善外形等，

58、或設(shè)置動力阻尼器。 內(nèi)流空氣動力學(xué)。主要研 究各種管道（如噴管、擴(kuò)壓管等） 內(nèi)部空氣或其他氣體的流動規(guī)律 及其與邊界的相互作用；有時還 包括管道內(nèi)葉輪機(jī)（如壓氣機(jī)、 渦輪等）中的流動問題。管道中 的流動一般可按一維流動處理。 空氣動力學(xué)空氣動力學(xué) 40返回 工程流體力學(xué)工程流體力學(xué) Engineering Fluid Mechanics 中國學(xué)者吳仲華于20世紀(jì)50年代 初創(chuàng)立了葉輪機(jī)械三元流動理論。 內(nèi)流空氣動力學(xué)的研究方法與一 般空氣動力學(xué)并無明顯的不同。 工業(yè)空氣動力學(xué)。主要研 究大氣邊界層（受地面摩擦阻力 影響的大氣層區(qū)域）內(nèi)風(fēng)與人類 活動、社會和自然環(huán)境相互作用 的規(guī)律。很多情況下，

59、也稱為風(fēng) 工程。主要內(nèi)容包括：大氣邊界 層內(nèi)的風(fēng)特性，如速度分布、湍 流分布等；風(fēng)對建筑物或構(gòu)筑物 的作用，以及對果園、樹林等的 風(fēng)害及其防治；建筑物或群體所 誘致的局部風(fēng)環(huán)境；風(fēng)引起的質(zhì) 量遷移，如氣態(tài)污染物的排放、 擴(kuò)散和彌散規(guī)律；交通車輛（如 汽車、火車）的氣動特性及減阻 措施等；風(fēng)能利用；風(fēng)對社會、 經(jīng)濟(jì)的其他影響等。主要通過現(xiàn) 場實測和實驗室模擬進(jìn)行研究。 為此建造了專用的大氣邊界層風(fēng) 洞和密度分層的水槽等設(shè)備。 研究方法研究方法 主要有理論和實驗兩個方面。 理論研究遵循的一般原理 是流動的基本定律，如質(zhì)量守恒 定律、動量守恒定律、能量守恒 定律、熱力學(xué)定律以及介質(zhì)的物 理屬性和狀態(tài)

60、方程等。但在不同 速度范圍、流動特征，上述基本 定律的表現(xiàn)形式（即控制方程）、 空氣動力學(xué)空氣動力學(xué) 41返回 工程流體力學(xué)工程流體力學(xué) Engineering Fluid Mechanics 求解的理論和方法有很大差異。 在低速不可壓縮流范圍，求解的 基本理論有理想無粘流的基本解 法、升力線和升力面理論、保角 轉(zhuǎn)繪理論、低速邊界層理論等。 在亞聲速流動范圍，理想無旋流 方程屬非線性橢圓型偏微分方程， 主要求解方法有小擾動線化理論、 亞聲速相似律（如普朗特-格勞 厄脫法則、卡門-錢學(xué)森公式 等）、速度面法等。在超聲速流 動范圍，方程屬非線性雙曲型偏 微分方程，主要理論處理方法有 小擾動線化理論