工程流體力學(xué)()

工程流體力學(xué)()第1頁，共26頁，2023年，2月20日，星期一流體力學(xué)的發(fā)展簡(jiǎn)史流體力學(xué)在中國(guó)大禹治水4000多年前的大禹治水，說明我國(guó)古代已有大規(guī)模的治河工程。

(公元前256~210年)秦代，在公元前256-前210年間便修建了都江堰、鄭國(guó)渠、靈渠三大水利工程，說明當(dāng)時(shí)對(duì)明槽水流和堰流流動(dòng)規(guī)律的認(rèn)識(shí)已經(jīng)達(dá)到相當(dāng)水平。龍首渠（公元前156-前87）西漢武帝時(shí)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(zhǎng)十余里的穿山隧洞，有效地防止了黃土的塌方。第2頁，共26頁，2023年，2月20日，星期一水利風(fēng)力機(jī)械在古代，以水為動(dòng)力的簡(jiǎn)單機(jī)械也有了長(zhǎng)足的發(fā)展，例如用水輪提水，或通過簡(jiǎn)單的機(jī)械傳動(dòng)去碾米、磨面等。東漢杜詩任南陽太守時(shí)（公元37年）曾創(chuàng)造水排（水力鼓風(fēng)機(jī)），利用水力，通過傳動(dòng)機(jī)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。第3頁，共26頁，2023年，2月20日，星期一流體力學(xué)在中國(guó)真州船閘北宋（960-1126）時(shí)期，在運(yùn)河上修建的真州船閘與十四世紀(jì)末荷蘭的同類船閘相比，約早三百多年。潘季順

明朝的水利家潘季順（1521-1595）提出了“筑堤防溢，建壩減水，以堤束水，以水攻沙”和“借清刷黃”的治黃原則，并著有《兩河管見》、《兩河經(jīng)略》和《河防一攬》。流量

清朝雍正年間，何夢(mèng)瑤在《算迪》一書中提出流量等于過水?dāng)嗝婷娣e乘以斷面平均流速的計(jì)算方法。第4頁，共26頁，2023年，2月20日，星期一流體力學(xué)在中國(guó)錢學(xué)森

錢學(xué)森（1911－）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)?。?頁，共26頁，2023年，2月20日，星期一流體力學(xué)在中國(guó)周培源（1902－1993)。

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。吳仲華（WuZhonghua）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(jī)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(biāo)的葉輪機(jī)械三元流動(dòng)的基本方程及其解法》兩篇論文中所建立的葉輪機(jī)械三元流理論，至今仍是國(guó)內(nèi)外許多優(yōu)良葉輪機(jī)械設(shè)計(jì)計(jì)算的主要依據(jù)。第6頁，共26頁，2023年，2月20日，星期一流體力學(xué)的西方史阿基米德（Archimedes，公元前287－212）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。

第7頁，共26頁，2023年，2月20日，星期一流體力學(xué)的西方史列奧納德.達(dá).芬奇（Leonardo.da.Vinci,1452－1519）著名物理學(xué)家和藝術(shù)家設(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、物體的運(yùn)動(dòng)阻力以及管道、明渠中水流等問題。

斯蒂文（S.Stevin,1548-1620）將用于研究固體平衡的凝結(jié)原理轉(zhuǎn)用到流體上。

伽利略（Galileo,1564-1642）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)密度的增大和速度的提高而增大。

托里析利（E.Torricelli,1608-1647）論證了孔口出流的基本規(guī)律。

第8頁，共26頁，2023年，2月20日，星期一流體力學(xué)的西方史帕斯卡（B.Pascal,1623-1662）提出了密閉流體能傳遞壓強(qiáng)的原理--帕斯卡原理。牛頓是英國(guó)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。1642年12月25日生于英格蘭林肯郡格蘭瑟姆附近的沃爾索普村，1727年3月20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)典力學(xué)的創(chuàng)建。牛頓的成就，恩格斯在《英國(guó)狀況十八世紀(jì)》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(jìn)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(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)了力的本性而創(chuàng)立了科學(xué)的力學(xué)"。

第9頁，共26頁，2023年，2月20日，星期一伯努利（D.Bernoulli，1700－1782）瑞士科學(xué)家在1738年出版的名著《流體動(dòng)力學(xué)》中，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。在此歷史階段，諸學(xué)者的工作奠定了流體靜力學(xué)的基礎(chǔ)，促進(jìn)了流體動(dòng)力學(xué)的發(fā)展。

流體力學(xué)的西方史第10頁，共26頁，2023年，2月20日，星期一流體力學(xué)的西方史

歐拉（L.Euler，1707－1783）是經(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。第11頁，共26頁，2023年，2月20日，星期一流體力學(xué)的西方史達(dá)朗伯（J.leR.d‘Alembert,1717－1783）

1744年提出了達(dá)朗伯疑題（又稱達(dá)朗伯佯謬），即在理想流體中運(yùn)動(dòng)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。

拉格朗日（J.-L.Lagrange,1736－1813）提出了新的流體動(dòng)力學(xué)微分方程，使流體動(dòng)力學(xué)的解析方法有了進(jìn)一步發(fā)展。嚴(yán)格地論證了速度勢(shì)的存在，并提出了流函數(shù)的概念，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(yùn)動(dòng)開辟了道路。第12頁，共26頁，2023年，2月20日，星期一流體力學(xué)的西方史

弗勞德（W.Froude，1810-1879）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)的相似準(zhǔn)則數(shù)--弗勞德數(shù)，建立了現(xiàn)代船模試驗(yàn)技術(shù)的基礎(chǔ)。

亥姆霍茲（H.vonHelmholtz,1821-1894）和基爾霍夫（G.R.Kirchhoff,1824-1887）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。第13頁，共26頁，2023年，2月20日，星期一流體力學(xué)的西方史納維（C.-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（L.Navier，1785－1836，法國(guó)）斯托克斯（G.Stokes，1819－1903，英國(guó)））第14頁，共26頁，2023年，2月20日，星期一流體力學(xué)的西方史謝才（A.deChézy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。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)。第15頁，共26頁，2023年，2月20日，星期一流體力學(xué)的西方史瑞利（L.J.W.Reyleigh，1842-1919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。庫塔（M.W.Kutta，1867－1944）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。儒科夫斯基（Н.Е.Жуковский,1847－1921）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)。第16頁，共26頁，2023年，2月20日，星期一流體力學(xué)的西方史普朗特（L.Prandtl，1875－1953）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)。

卡門（T.vonKármán，1881-1963）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。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)第17頁，共26頁，2023年，2月20日，星期一流體力學(xué)的西方史布拉休斯（H.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。伯金漢（E.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π定理，進(jìn)一步完善了量綱分析法。尼古拉茲（J.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)有的系數(shù)。第18頁，共26頁，2023年，2月20日，星期一流體力學(xué)的西方史科勒布茹克（C.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。莫迪（L.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。第19頁，共26頁，2023年，2月20日，星期一流體力學(xué)在工程中的應(yīng)用航空航天航海

船舶運(yùn)動(dòng)地效翼艇（WIG）浮標(biāo)

海洋平臺(tái)

潛器

第20頁，共26頁，2023年，2月20日，星期一流體力學(xué)在工程中的應(yīng)用能源動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)四沖程WindTurbine第21頁，共26頁，2023年，2月20日，星期一能源動(dòng)力飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)蒸汽機(jī)車第22頁，共26頁，2023