流體力學(xué)及其應(yīng)用

流體力學(xué)及其應(yīng)用第1頁，課件共13頁，創(chuàng)作于2023年2月Contents流體力學(xué)的概念1流體力學(xué)的理論基礎(chǔ)2流體力學(xué)的發(fā)展與典例3流體力學(xué)的研究展望4CompanyLogo第2頁，課件共13頁，創(chuàng)作于2023年2月流體力學(xué)的概述理論流體力學(xué)的基本方程是納維-斯托克斯方程，簡稱N-S方程。納維-斯托克斯方程由一些微分方程組成，通常只有通過一些邊界條件或者通過數(shù)值計(jì)算的方式才可以求解。它包含速度v=（u,v,w),壓強(qiáng),密度，粘度溫度等變量，而這些都是位置(x,y,z)

和時(shí)間t的函數(shù)。通過質(zhì)量守恒、能量守恒和動(dòng)量守恒，以及熱力學(xué)方程

f(ρ,P,T)和介質(zhì)的材料性質(zhì)我們可以確定這些變量。CompanyLogo第3頁，課件共13頁，創(chuàng)作于2023年2月流體的流動(dòng)曲線CompanyLogo第4頁，課件共13頁，創(chuàng)作于2023年2月流體力學(xué)中研究得最多的流體是水和空氣。它的主要基礎(chǔ)是牛頓運(yùn)動(dòng)定律和質(zhì)量守恒定律，常常還要用到熱力學(xué)知識(shí)，有時(shí)還用到宏觀電動(dòng)力學(xué)的基本定律、本構(gòu)方程和高等數(shù)學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)。1738年伯努利出版他的專著時(shí)，首先采用了水動(dòng)力學(xué)這個(gè)名詞并作為書名；1880年前后出現(xiàn)了空氣動(dòng)力學(xué)這個(gè)名詞；1935年以后，人們概括了這兩方面的知識(shí)，建立了統(tǒng)一的體系，統(tǒng)稱為流體力學(xué)CompanyLogo第5頁，課件共13頁，創(chuàng)作于2023年2月流體力學(xué)的應(yīng)用領(lǐng)域：除水和空氣以外，流體還指作為汽輪機(jī)工作介質(zhì)的水蒸氣、潤滑油、地下石油、含泥沙的江水、血液、超高壓作用下的金屬和燃燒后產(chǎn)生成分復(fù)雜的氣體、高溫條件下的等離子體等等。氣象、水利的研究，船舶、飛行器、葉輪機(jī)械和核電站的設(shè)計(jì)及其運(yùn)行，可燃?xì)怏w或炸藥的爆炸，汽車制造（聯(lián)眾集群），以及天體物理的若干問題等等，都廣泛地用到流體力學(xué)知識(shí)。許多現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)所關(guān)心的問題既受流體力學(xué)的指導(dǎo)，同時(shí)也促進(jìn)了它不斷地發(fā)展。1950年后，電子計(jì)算機(jī)的發(fā)展又給予流體力學(xué)以極大的推動(dòng)CompanyLogo第6頁，課件共13頁，創(chuàng)作于2023年2月流體力學(xué)的概念按照研究對(duì)象的運(yùn)動(dòng)方式分為流體靜力學(xué)和流體動(dòng)力學(xué)，還可按應(yīng)用范圍分為水力學(xué)，空氣動(dòng)力學(xué)等等。流體力學(xué)，是研究流體(液體和氣體)的力學(xué)運(yùn)動(dòng)規(guī)律及其應(yīng)用的學(xué)科。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(yùn)動(dòng)形態(tài)之間的相互作用的力學(xué)分支CompanyLogo第7頁，課件共13頁，創(chuàng)作于2023年2月流體力學(xué)的理論基礎(chǔ)19世紀(jì)科學(xué)家部分地運(yùn)用流體力學(xué)，部分地采用歸納實(shí)驗(yàn)結(jié)果的半經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行研究，這就形成了水力學(xué)1822年，納維建立了粘性流體的基本運(yùn)動(dòng)方程；1845年，斯托克斯納維-斯托克斯方程(簡稱N-S方程)，它是流體動(dòng)力學(xué)的理論基礎(chǔ)。上面說到的歐拉方程正是N-S方程在粘度為零時(shí)的特例普朗特學(xué)派從1904年到1921年逐步將N-S方程作了簡化，從推理、數(shù)學(xué)論證和實(shí)驗(yàn)測量等各個(gè)角度，建立了邊界層理論，能實(shí)際計(jì)算簡單情形下，邊界層內(nèi)流動(dòng)狀態(tài)和流體同固體間的粘性力。CompanyLogo第8頁，課件共13頁，創(chuàng)作于2023年2月流體力學(xué)的發(fā)展與典例20世紀(jì)初，飛機(jī)的出現(xiàn)極大地促進(jìn)了空氣動(dòng)力學(xué)的發(fā)展。航空事業(yè)的發(fā)展，期望能夠揭示飛行器周圍的壓力分布、飛行器的受力狀況和阻力等問題，這就促進(jìn)了流體力學(xué)在實(shí)驗(yàn)和理論分析方面的發(fā)展。20世紀(jì)初，以儒科夫斯基、恰普雷金、普朗特等為代表的科學(xué)家，開創(chuàng)了以無粘不可壓縮流體位勢流理論為基礎(chǔ)的機(jī)翼理論，闡明了機(jī)翼怎樣會(huì)受到舉力，從而空氣能把很重的飛機(jī)托上天空。機(jī)翼理論的正確性，使人們重新認(rèn)識(shí)無粘流體的理論，肯定了它指導(dǎo)工程設(shè)計(jì)的重大意義。CompanyLogo第9頁，課件共13頁，創(chuàng)作于2023年2月流過機(jī)翼的氣流與河床中的流水類似，由于機(jī)翼一般是不對(duì)稱的，上表面比較凸，而下表面比較平，流過機(jī)翼上表面的氣流就類似于較窄地方的流水，流速較快，而流過機(jī)翼下表面的氣流正好相反，類似于較寬地方的流水，流速較上表面的氣流慢。根據(jù)流體力學(xué)的CompanyLogo第10頁，課件共13頁，創(chuàng)作于2023年2月基本原理，流動(dòng)慢的大氣壓強(qiáng)較大，而流動(dòng)快的大氣壓強(qiáng)較小，這樣機(jī)翼下表面的壓強(qiáng)就比上表面的壓強(qiáng)高，換一句話說，就是大氣施加與機(jī)翼下表面的壓力(方向向上)比施加于機(jī)翼上表面的壓力(方向向下)大，二者的壓力差便形成了飛機(jī)的升力。簡單來說，飛機(jī)向前飛行得越快，機(jī)翼產(chǎn)生的氣動(dòng)升力也就越大。當(dāng)升力大于重力時(shí)，飛機(jī)就可以向上爬升；當(dāng)升力小于重力時(shí)，飛機(jī)就可以降低高度。CompanyLogo第11頁，課件共13頁，創(chuàng)作于2023年2月流體力學(xué)的研究展望從阿基米德到二十一世紀(jì)，特別是從20世紀(jì)以來，流體力學(xué)已發(fā)展成為基礎(chǔ)科學(xué)體系的一部分，同時(shí)又在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通運(yùn)輸、天文學(xué)、地學(xué)、生物學(xué)、醫(yī)學(xué)等方面得到廣泛應(yīng)用。今后，人們一方面將根據(jù)工程技術(shù)方面的需要進(jìn)行流體力學(xué)應(yīng)用性的研究，另一方面將更深入地開展基礎(chǔ)研究以探求流體的復(fù)雜流動(dòng)規(guī)律和機(jī)理。后一方面主要包括：通過湍流的理論和實(shí)驗(yàn)研究，了解其結(jié)構(gòu)并建立計(jì)算模式；多相流動(dòng)；流體和結(jié)構(gòu)物的相互作用；邊界層流動(dòng)