流體力學(xué)（學(xué)習(xí)資料）

21流體力學(xué)主編叢書(shū)總序2004年已達(dá)到420入學(xué)率19%，步入國(guó)際公認(rèn)的高等教育“大眾化”階段。面臨這大規(guī)模的擴(kuò)招，教育事業(yè)的發(fā)展與改革堅(jiān)持以人為本的兩個(gè)主體：一是學(xué)生，一是教師。教學(xué)質(zhì)量的提高是在這兩個(gè)主體上的反映，教材則是兩個(gè)主體的媒介，屬于教學(xué)的載體。目追求上層次、上規(guī)格，導(dǎo)致人才培養(yǎng)規(guī)格盲目拔高，培養(yǎng)模式趨同。高校學(xué)生中‘升本知識(shí)傳承載體的教材，在高等教育的發(fā)展過(guò)程中起著至關(guān)重要的作用，但目前教材建設(shè)卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)滯后于應(yīng)用型人才培養(yǎng)的步伐，許多應(yīng)用型本科院校一直沿用偏重于研究型的教材，缺乏針對(duì)性強(qiáng)的實(shí)用教材。近年來(lái)，我國(guó)房地產(chǎn)行業(yè)已經(jīng)成為國(guó)民經(jīng)濟(jì)的支柱行業(yè)之一，隨著本世紀(jì)我國(guó)城市化的大趨勢(shì)，土木建筑行業(yè)對(duì)實(shí)用型人才的需求還將持續(xù)增加。為了滿足相關(guān)應(yīng)用型本科院校培養(yǎng)應(yīng)用型人才的教學(xué)需求，從2004年10月北京大學(xué)出版社第六事業(yè)部就開(kāi)始策劃本套叢書(shū)，并派出10多位編輯分赴全國(guó)近30個(gè)省份調(diào)研了兩百多所院校的課程改革與教材建設(shè)的情況。在此基礎(chǔ)上，規(guī)劃出了涵蓋“大土建”六個(gè)專業(yè)——土木工程、工程管理、給排水環(huán)境與設(shè)備工程的基礎(chǔ)課程及專業(yè)主干課程的系列教材。通過(guò)2005年1月份在湖南大學(xué)的組稿會(huì)和2005年4月份在三峽大學(xué)的審綱會(huì)，在來(lái)自全國(guó)各地幾十所高校的知名專家、教授的共同努力下，不但成立了本叢書(shū)的編審委員會(huì)，還規(guī)劃出了首批包括土木工程、工程管理及建筑環(huán)境與設(shè)備工程等專業(yè)方向的40多個(gè)選題，再經(jīng)過(guò)各位主編老師和參編老師的艱苦努力，并在北京大學(xué)出版社各級(jí)領(lǐng)導(dǎo)的關(guān)心和第六事業(yè)部的各位編輯辛勤勞動(dòng)下，首批教材終于2006年春季學(xué)期前夕陸續(xù)出版發(fā)行了。在首批教材的編寫(xiě)出版過(guò)程中，得到了越來(lái)越多的來(lái)自全國(guó)各地相關(guān)兄弟院校的領(lǐng)導(dǎo)和專家的大力支持。于是，在順利運(yùn)作第一批土建教材的鼓舞下，北京大學(xué)出版社聯(lián)合全國(guó)七十多家開(kāi)設(shè)有土木建筑相關(guān)專2005年月26日在長(zhǎng)沙中南林學(xué)院召開(kāi)了《21世紀(jì)全國(guó)應(yīng)用型本科土木建筑系列實(shí)用規(guī)劃教材第二批）組稿會(huì)，規(guī)劃了①建筑學(xué)專業(yè)；②城市規(guī)劃專業(yè)；③建筑環(huán)境與設(shè)備工程專業(yè)；④給排水工程專業(yè)；⑤土木工程專業(yè)道路橋梁下巖礦山課群組近60多個(gè)選題的“大土木建筑系列教材”已經(jīng)涵蓋了“大土建”的6個(gè)專業(yè)，是近年來(lái)全國(guó)高等教育出版界唯一一套完全覆專業(yè)方向的系列2007年全部出版發(fā)行。我國(guó)高等學(xué)校土木建筑專業(yè)的教育，在國(guó)家教育部和建設(shè)部的指導(dǎo)下，經(jīng)土木建筑專業(yè)指導(dǎo)委員會(huì)六年來(lái)的研討，已經(jīng)形成了寬口徑“大土建”的專業(yè)發(fā)展模式，明確了土木建筑專業(yè)教育的培養(yǎng)目標(biāo)、培養(yǎng)方案和畢業(yè)生基本規(guī)格，從寬口徑的視角，要求畢業(yè)生能從事土木工程的設(shè)計(jì)、施工與管理工作。業(yè)務(wù)范圍涉及房屋建筑、隧道與地下建筑、公路I城市道路、鐵道工程與橋梁、礦山建筑等，并且制定一整套課程教學(xué)大綱。本系列教材就是根據(jù)最新的培養(yǎng)方案和課程教學(xué)大綱，由一批長(zhǎng)期在教學(xué)第一線從事教學(xué)并有過(guò)多年工程經(jīng)驗(yàn)和豐富教學(xué)經(jīng)驗(yàn)的教師擔(dān)任主編，以定位“應(yīng)用型人才培養(yǎng)”為目標(biāo)而編撰，具有以下特點(diǎn)：(1)按照寬口徑土木工程專業(yè)培養(yǎng)方案，注重提高學(xué)生綜合素質(zhì)和創(chuàng)新能力，注重加強(qiáng)學(xué)生專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)和優(yōu)化基本理論知識(shí)結(jié)構(gòu)，不刻意追求理論研究型教材深度，內(nèi)容取舍少而精，向培養(yǎng)土木工程師從事設(shè)計(jì)、施工與管理的應(yīng)用方向拓展。(2)在理解土木工程相關(guān)學(xué)科的基礎(chǔ)上，深入研究各課程之間的相互關(guān)系，各課程教材既要反映本學(xué)科發(fā)展水平，保證教材自身體系的完整性，又要盡量避免內(nèi)容的重復(fù)。(3)培養(yǎng)學(xué)生，單靠專門的設(shè)計(jì)技巧訓(xùn)練和運(yùn)用現(xiàn)成的方法，要取得專門實(shí)踐的成功是不夠的，因?yàn)檫@些方法隨科學(xué)技術(shù)的發(fā)展經(jīng)常在改變。為了了解并和這些迅速發(fā)展的方法同步，教材的編撰側(cè)重培養(yǎng)學(xué)生透析理解教材中的基本理論、基本特性和性能，又同時(shí)熟悉現(xiàn)行設(shè)計(jì)方法的理論依據(jù)和工程背景，以不變應(yīng)萬(wàn)變，這是本系列教材力圖涵蓋的兩個(gè)方面。(4)我國(guó)頒發(fā)的現(xiàn)行有關(guān)土木工程類的規(guī)范及規(guī)程，系1999～2002年完成的修訂內(nèi)容有較大的取舍和更新，反映了我國(guó)土木工程設(shè)計(jì)與施工技術(shù)的發(fā)展。作為應(yīng)用型教材，為培養(yǎng)學(xué)生畢業(yè)后獲得注冊(cè)執(zhí)業(yè)資格，在內(nèi)容上涉及不少相關(guān)規(guī)范條文和算例。但并不是規(guī)范條文的釋義。(5)當(dāng)代土木工程設(shè)計(jì)，越來(lái)越多地使用計(jì)算機(jī)程序或采用通用性的商業(yè)軟件，有些結(jié)構(gòu)特殊要求，則由工程師自行編寫(xiě)程序。本系列的相關(guān)工程結(jié)構(gòu)課程的教材中，在闡述真簡(jiǎn)化計(jì)算表達(dá)式之間的關(guān)系給出了設(shè)計(jì)方法的詳細(xì)步驟，這些步驟均可容易地轉(zhuǎn)換成工程結(jié)構(gòu)的流程圖，有助于培養(yǎng)學(xué)生編寫(xiě)計(jì)算機(jī)程序。(6)按照科學(xué)發(fā)展觀，從可持續(xù)發(fā)展的觀念，根據(jù)課程特點(diǎn)，反映學(xué)科現(xiàn)代新理論、新技術(shù)、新材料、新工藝，以社會(huì)發(fā)展和科技進(jìn)步的新近成果充實(shí)、更新教材內(nèi)容，盡最大可能在教材中增加了這方面的信息量。同時(shí)考慮開(kāi)發(fā)音像、電子、網(wǎng)絡(luò)等多媒體教學(xué)形式，以提高教學(xué)效果和效率。衷心感謝本套系列教材的各位編著者，沒(méi)有他們?cè)诮虒W(xué)第一線的教改和工程第一線的辛勤實(shí)踐，要出版如此規(guī)模的系列實(shí)用教材是不可能的。同時(shí)感謝北京大學(xué)出版社為我們廣大編著者提供了廣闊的平臺(tái)，為我們進(jìn)一步提高本專業(yè)領(lǐng)域的教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)水平提供了很好的條件。我們真誠(chéng)希望使用本系列教材的教師和吝指正時(shí)給我們提出寶貴的意見(jiàn)，以期進(jìn)一步對(duì)本系列教材進(jìn)行修訂、完善。本系列教材配套的PPT電子教案在出版社相關(guān)網(wǎng)站上提供下載?！?1世紀(jì)全國(guó)應(yīng)用型本科土木建筑系列實(shí)用規(guī)劃教材》專家編審委員會(huì)2006年1月前言本教材是參照教育部教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)土木專業(yè)流體力學(xué)大綱和注冊(cè)結(jié)構(gòu)工程師考試對(duì)流體力學(xué)知識(shí)的要求，按照多學(xué)時(shí)的授課時(shí)間編寫(xiě)的。本書(shū)可作為高等學(xué)校土建類本、?？频脑囉媒滩幕蚪虒W(xué)參考書(shū)。流體力學(xué)是土建類專業(yè)的一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課。本課程的任務(wù)是系統(tǒng)介紹流體的力培養(yǎng)學(xué)生具有對(duì)簡(jiǎn)單流體力學(xué)問(wèn)題的分析和求解能力，掌握一定的實(shí)驗(yàn)技能，為今后學(xué)習(xí)專業(yè)課程，從事相關(guān)的工程技術(shù)和科學(xué)研究工作打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。本書(shū)由武漢工業(yè)學(xué)院劉建軍、趙萬(wàn)華，南昌工程學(xué)院章寶華，南華大學(xué)劉源全，長(zhǎng)江大學(xué)馬成松，河北建筑科技大學(xué)的朱長(zhǎng)軍，中南林學(xué)院的陳文共同編寫(xiě)。全書(shū)內(nèi)容經(jīng)編者共同討論，分工執(zhí)筆情況為：劉建軍編寫(xiě)緒論、第1章、第3章，馬成松編寫(xiě)第2章，劉源全編寫(xiě)第4章，趙萬(wàn)華編寫(xiě)第5章，章寶華編寫(xiě)第6章、第7章，朱長(zhǎng)軍編寫(xiě)第8章，陳文編寫(xiě)第9章。全書(shū)由劉建軍、章寶華主編，劉建軍統(tǒng)稿審定。武漢工業(yè)學(xué)院研究生紀(jì)佑軍、劉啟強(qiáng)等同學(xué)繪制了書(shū)稿的部分插圖，并參與了書(shū)稿的校對(duì)工作，在此一并致謝。限于編者水平，同時(shí)編寫(xiě)時(shí)間也比較倉(cāng)促，不妥之處懇請(qǐng)讀者批評(píng)指正。編者2005年9月目錄緒論...........................................................................1第1章流體的宏觀模型和物理屬性.........8中液體的平衡22.7.1.7.2等加速直線運(yùn)動(dòng)容器等角速度旋轉(zhuǎn)容器中...........................361.1流體的連續(xù)介質(zhì)假設(shè).............................8的液體平衡...............................37慣性..............................................91.2流體的主要物理性質(zhì).............................9第3章流體動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)2.8習(xí)題.......................................................39壓縮性和膨脹性........................101111.2.1.2.2.2.3.2.4粘性............................................113.1流體運(yùn)動(dòng)的描述方法...............................49液體的表面張力3.1.1拉格朗日法...............................49和毛細(xì)現(xiàn)象................................153.1.2歐拉法.......................................501.3非牛頓流體...........................................163.2流場(chǎng)的基本概念...................................51第2章流體靜力學(xué)........................................201.4習(xí)題.......................................................173.2.1恒定流與非恒定流...................52元流和總流...............................53333.2.2.2.3.2.4流線和跡線...............................52.1流體靜壓強(qiáng)及其特性...........................20過(guò)流斷面...................................53流體靜壓強(qiáng)................................202一元流、二元流及三元流.......542靜止流體中應(yīng)力的特征............202.1.1.1.2流體運(yùn)動(dòng)的連續(xù)性方程3.2.5歐拉平衡微分方程...............................22恒定流的連續(xù)性方程...............553.3.......................55平衡微分方程............................222.2三維流動(dòng)的連續(xù)性方程3.3.1平衡微分方程的全微分............232.2.1理想流體運(yùn)動(dòng)的微分方程式3.3.2...........56等壓面的概念............................232.2.2伯努利積分及能量方程33.4.5...............57流體靜壓強(qiáng)的分布規(guī)律.......................242.2.3理想流體運(yùn)動(dòng).......................59靜壓強(qiáng)基本方程........................2422222.3.4.5.6.7微分方程的積分3.5.1.5.2測(cè)壓管高度................................262.3.1重力作用下理想流體........................59壓強(qiáng)的計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)和度量單位...............272.3.2的伯努利方程3計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)....................................27...........................60度量單位....................................282.4.1粘性流體總流的33.5.3.5.4總流的伯努利方程...................62作用于平面的液體壓力.......................292.4.2伯努利方程解析法........................................29...............................64圖算法........................................312.5.1習(xí)題3.6動(dòng)量方程...............................................65作用于曲面的液體壓力.......................332.5.2第4章流動(dòng)阻力和能量損失3.7.......................................................68曲面上的液體總壓力................332.6.2壓力體........................................354.1沿程損失和局部損失...........................722.6.1相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)下流體的壓力...............36·VI·流體力學(xué)損失的分類................................725.1.1小孔口出流.............................1094.1.1流動(dòng)阻力和能量5.1孔口出流.............................................109層流、紊流與雷諾數(shù)...........................735.2管嘴出流.............................................1114.1.2能量損失的計(jì)算公式................72雷諾實(shí)驗(yàn)....................................735.1.2大孔口出流.............................1114.2兩種流態(tài)的判別標(biāo)準(zhǔn)................755.2.2圓柱形管嘴內(nèi)的真空度.........112444.2.1.2.2.2.35.2.1管嘴出流流量公式.................111流態(tài)分析....................................765.2.3其他類型管嘴出流.................113粘性底層....................................775.3簡(jiǎn)單管路.............................................11444.3圓管中的層流運(yùn)動(dòng)...............................775.3.1短管計(jì)算.................................1144.2.4均勻流基本方程........................77.3.2圓管層流的速度分布、5.4管路的串聯(lián)和并聯(lián).............................1174.3.15.3.2長(zhǎng)管計(jì)算.................................116沿程損失....................................79紊流運(yùn)動(dòng)的特征........................815.4.1串聯(lián)管道.................................1174.4圓管中的紊流運(yùn)動(dòng)...............................815.4.2并聯(lián)管道.................................118紊流切應(yīng)力、普朗特5.5習(xí)題.....................................................12144.4.1.4.25.4.3管網(wǎng).........................................119混合長(zhǎng)度理論............................82第6章明渠恒定均勻流管路中的沿程阻力...............................856.1明渠均勻流的特性.............................12544.4.3圓管紊流流速分布....................84及其計(jì)算公式......................................125.5.1沿程阻力系數(shù)及其4.56.1.1明渠的類型...............................125影響因素的分析........................85.5.2尼古拉茲實(shí)驗(yàn)............................86及其特性.................................128.5.3沿程阻力系數(shù)λ的6.1.2明渠均勻流形成的條件44.6管路中的局部阻力...............................926.1.36.1.4明渠均勻流的計(jì)算公式.........128計(jì)算公式....................................88水力最佳斷面.........................130局部水頭損失發(fā)生的原因........934彎管的局部損失........................956.1.5渠道允許流速.........................1316.26.3簡(jiǎn)單斷面明渠均勻流的水力計(jì)算.....1324444.6.1.6.2.6.3.6.46.2.16.2.2驗(yàn)算渠道的輸水能力.............132三通的局部損失........................95確定渠道底坡.........................132圓管突然擴(kuò)大的6.2.3確定渠道的斷面尺寸.............133局部水頭損失............................96局部阻力系數(shù)............................98無(wú)壓圓管均勻流的水力計(jì)算.............136.7邊界層的基本概念及繞流阻力...........99邊界層的分離..........................1006.3.1無(wú)壓圓管均勻流水力的4.6.5各種管路配件的最佳充滿度.............................136邊界層的基本概念....................9946.3.2無(wú)壓圓管均勻流的水力計(jì)算.............................1394.7.1粗糙系數(shù)變化及復(fù)式斷面物體的繞流阻力......................1014.7.2明渠均勻流的水力計(jì)算......................1414.8習(xí)題.....................................................1046.44.7.36.4.1粗糙系數(shù)變化的明渠第5章孔口管嘴出流與均勻流的水力計(jì)算.................141管路水力計(jì)算.................................109·VI··VII·目錄6.4.2復(fù)式斷面明渠均9.2.2實(shí)驗(yàn)基本原理.........................190勻流的水力計(jì)算......................1429.2.3實(shí)驗(yàn)設(shè)備及測(cè)量?jī)x器.............190第7章堰流....................................................146注意事項(xiàng)6.5習(xí)題.....................................................1439.2.4實(shí)驗(yàn)方法和步驟.....................191資料整理與成果分析.............19199.2.5.2.6.................................191思考題.....................................1927.1堰流的定義及類型.............................146堰流的定義..............................146文丘里流量計(jì)實(shí)驗(yàn)9.2.7堰流的類型..............................1467.1.1.1.2實(shí)驗(yàn)?zāi)康?................................192999.3.4.5.............................192堰流的水力計(jì)算.................................1487實(shí)驗(yàn)設(shè)備及測(cè)量?jī)x器999999.3.1.3.2.3.3.3.4.3.5.3.6薄壁堰的水力計(jì)算..................1497.2實(shí)驗(yàn)基本原理.............193實(shí)用堰的水力計(jì)算..................1517.2.1實(shí)驗(yàn)方法與步驟.........................193.....................193寬頂堰的水力計(jì)算..................1617.2.2注意事項(xiàng)習(xí)題.....................................................1687.2.3資料整理與結(jié)果分析.................................194第8章滲流....................................................1707.3思考題.............194雷諾實(shí)驗(yàn).............................................1959.3.7.....................................194實(shí)驗(yàn)?zāi)康?................................195多孔介質(zhì)與滲流......................1708.1滲流的基本概念.................................170實(shí)驗(yàn)設(shè)備及測(cè)量?jī)x器999999.4.1.4.2.4.3.4.4.4.5.4.6滲流基本定律..........................1728.1.1.1.2實(shí)驗(yàn)原理及計(jì)算公式.............195.............195滲流在井流中的應(yīng)用.........................1748實(shí)驗(yàn)方法與步驟潛水完整井..............................17588.2.3注意事項(xiàng).....................195承壓完整井..............................176888.2.1.2.2.2.3資料整理與結(jié)果分析.................................196.............196因次分析和相似原理..............177相似準(zhǔn)則..................................1799.4.7思考題.....................................196動(dòng)量方程實(shí)驗(yàn).....................................196巖土工程中的滲流問(wèn)題.....................1828.2.4實(shí)驗(yàn)?zāi)康膸r體與土體滲流的區(qū)別..........182實(shí)驗(yàn)裝置99999.5.1.5.2.5.3.5.4.5.5.................................196.................................197巖體的滲流問(wèn)題......................1838.3.1實(shí)驗(yàn)原理習(xí)題.....................................................1858.3.2實(shí)驗(yàn)方法與步驟.................................197第9章水力學(xué)實(shí)驗(yàn)......................................1868.4資料整理與結(jié)果分析.....................198.1水靜力學(xué)實(shí)驗(yàn).....................................186實(shí)驗(yàn)設(shè)備及測(cè)量?jī)x器..............186.............198管流的沿程阻力實(shí)驗(yàn).........................199實(shí)驗(yàn)?zāi)康?.................................1869.5.6思考題.....................................1989實(shí)驗(yàn)?zāi)康?................................1999.6999999.1.1.1.2.1.3.1.4.1.5.1.6實(shí)驗(yàn)設(shè)備及測(cè)量?jī)x器.............199實(shí)驗(yàn)原理..................................1879.6.19.6.29.6.39.6.49.6.59.6.6實(shí)驗(yàn)基本原理.........................199實(shí)驗(yàn)方法與步驟......................188實(shí)驗(yàn)步驟.................................200注意事項(xiàng)..................................188注意事項(xiàng).................................200資料整理與結(jié)果分析..............189資料整理與結(jié)果分析.............200思考題.....................................201不可壓縮恒定流能量方程實(shí)驗(yàn).........1909.1.7思考題......................................189參考文獻(xiàn).............................................................202實(shí)驗(yàn)?zāi)康?.................................1909.6.79.29.2.1·VII·緒論在學(xué)習(xí)流體力學(xué)這門課程之前，本緒論將主要回答以下幾個(gè)問(wèn)題：什么是流體力學(xué)？它的主要研究?jī)?nèi)容是什么？為什么要學(xué)習(xí)流體力學(xué)？流體力學(xué)的發(fā)展歷史、研究方法，以及怎樣學(xué)好流體力學(xué)？使同學(xué)們對(duì)流體力學(xué)有一個(gè)大致的了解，幫助學(xué)生在以后的學(xué)習(xí)中掌握流體力學(xué)的主要脈絡(luò)和學(xué)習(xí)方法。一、流體力學(xué)的概念及其研究?jī)?nèi)容流體力學(xué)(fluidmechanics)是力學(xué)的一個(gè)獨(dú)立分支。它是研究流體的平衡和流體的機(jī)械運(yùn)動(dòng)規(guī)律及其在工程實(shí)際中應(yīng)用的一門學(xué)科。流體力學(xué)的研究對(duì)象是流體，包括液體和氣體。在力學(xué)研究中，根據(jù)研究對(duì)象的不同，一般可分為：以受力后不變形的絕對(duì)剛體為研究對(duì)象的理論力學(xué)；以受力后產(chǎn)生微小變形的固體為研究對(duì)象的固體力學(xué)；以受力后產(chǎn)生較大變形的流體為研究對(duì)象的流體力學(xué)。流體是氣體和液體的總稱。在人們的生活和生產(chǎn)活動(dòng)中隨時(shí)隨地都可遇到流體，所以流體力學(xué)與人類日常生活和生產(chǎn)事業(yè)密切相關(guān)。它是一門應(yīng)用較廣的科學(xué)，航空航天、水運(yùn)工程、流體機(jī)械、給水排水、水利工程、化學(xué)工程、氣象預(yù)報(bào)以及環(huán)境保護(hù)等學(xué)科均以流體力學(xué)為其重要的理論基礎(chǔ)。2020世紀(jì)50蓬勃發(fā)展是同流體力學(xué)的分支學(xué)科——空氣動(dòng)力學(xué)和氣體動(dòng)力學(xué)的發(fā)展緊密相聯(lián)的。這些學(xué)科是流體力學(xué)中最活躍、最富有成果的領(lǐng)域。石油和天然氣的開(kāi)采，地下水的開(kāi)發(fā)利用，要求人們了解流體在多孔或縫隙介質(zhì)中的運(yùn)動(dòng)，這是流體力學(xué)分支之一——滲流力學(xué)研究的主要對(duì)象。滲流力學(xué)還涉及土壤鹽堿化的防治，化工中的濃縮、分離和多孔過(guò)濾，燃燒室的冷卻等技術(shù)問(wèn)題。燃燒離不開(kāi)氣體，燃燒過(guò)程中涉及到許多有化學(xué)反應(yīng)和熱能變化的流體力學(xué)問(wèn)題是物理化學(xué)流體動(dòng)力學(xué)的內(nèi)容之一。爆炸是猛烈的瞬間能量變化和傳遞過(guò)程，涉及氣體動(dòng)力學(xué)，從而形成了爆炸力學(xué)。―沙漠遷移、河流泥沙運(yùn)動(dòng)、管道中煤粉輸送、化工中氣體催化劑的運(yùn)動(dòng)等，都涉及流體中帶有固體顆粒或液體中帶有氣泡等問(wèn)題，這類問(wèn)題是多相流體力學(xué)研究的范圍。等離子體是自由電子、帶等量正電荷的離子以及中性粒子的集合體。等離子體在磁場(chǎng)作用下有特殊的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。研究等離子體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律的學(xué)科稱為等離子體動(dòng)力學(xué)和電磁流體力學(xué)，它們?cè)谑芸責(zé)岷朔磻?yīng)、磁流體發(fā)電、宇宙氣體運(yùn)動(dòng)等方面有廣泛的應(yīng)用。生物流變學(xué)研究人體或其他動(dòng)植物中有關(guān)的流體力學(xué)問(wèn)題，例如血液在血管中的流動(dòng)，心、肺、腎中的生理流體運(yùn)動(dòng)和植物中營(yíng)養(yǎng)液的輸送。此外，還研究鳥(niǎo)類在空中的飛翔，動(dòng)物在水中的游動(dòng)等。在土木工程中，流體力學(xué)亦得到了廣泛的應(yīng)用。在給水排水工程中，無(wú)論是管網(wǎng)流量·2·流體力學(xué)計(jì)算、管網(wǎng)設(shè)計(jì)還是渠道開(kāi)挖、水泵選型等都需要解決一系列流體力學(xué)問(wèn)題；在建筑暖通工程中，熱風(fēng)采暖、冷風(fēng)降溫、燃?xì)廨斔偷染粤黧w為輸送介質(zhì)。在公路和橋梁建設(shè)中，路基和邊坡的穩(wěn)定性、橋梁和涵洞的修建也與水密切相關(guān)。此外，在土建工程施工中，圍堰修建、基坑排水也涉及到許多流體力學(xué)問(wèn)題。只有學(xué)好流體力學(xué)，掌握流體的各種力學(xué)特性和運(yùn)動(dòng)規(guī)律，才能很好地解決土木工程中遇到的流體力學(xué)問(wèn)題。因此既包含自又涉及工程技術(shù)科學(xué)方面此外，如從流體作用力的角度，則可分為流體靜力學(xué)、流體運(yùn)動(dòng)學(xué)和流體動(dòng)力學(xué)；從對(duì)不同“力學(xué)模型”的研究來(lái)分，則有理想流體動(dòng)力學(xué)、粘性流體動(dòng)力學(xué)、不可壓縮流體動(dòng)力學(xué)、可壓縮流體動(dòng)力學(xué)和非牛頓流體力學(xué)等。流體力學(xué)和固體力學(xué)有著彈性力學(xué)同屬于連續(xù)介質(zhì)力學(xué)范疇，都采用連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的一般方法研究問(wèn)題，就是基本方程亦有一定相似之處，如流體力學(xué)中的納維斯維托克斯方程與彈性力學(xué)中的拉梅方程，流體力學(xué)中的邊界層概念應(yīng)用到彈性力學(xué)板殼問(wèn)題中得到了邊緣效應(yīng)方程，甚至在一定條件下固體可當(dāng)做流體處理。如巖土―定向爆破、與固體物質(zhì)的聚能爆炸中，爆震波的傳播可當(dāng)做氣體中激波的傳插。流變學(xué)就是統(tǒng)籌研究流體和固體的形變與流動(dòng)。二、流體力學(xué)發(fā)展簡(jiǎn)史及展望1.流體力學(xué)的發(fā)展簡(jiǎn)史流體力學(xué)是在人類同自然界作斗爭(zhēng)，在長(zhǎng)期的生產(chǎn)實(shí)踐中，逐步發(fā)展起來(lái)的。早在幾千年前，勞動(dòng)人民為了生存，修水利，除水害，在治河防洪，農(nóng)田灌溉，河道航運(yùn)，水能利用等方面總結(jié)了豐富的經(jīng)驗(yàn)。我國(guó)秦代李冰父子根據(jù)“深淘灘，低作堰”的工程經(jīng)驗(yàn)，修建設(shè)計(jì)的四川都江堰工程具有相當(dāng)高的科學(xué)水平，反映出當(dāng)時(shí)人們對(duì)明渠流和堰流的認(rèn)識(shí)已經(jīng)達(dá)到較高隋代修建的京杭全長(zhǎng)達(dá)1782km改善了我國(guó)南北運(yùn)輸?shù)臈l件，至今為人稱頌。早在秦漢時(shí)代我國(guó)勞動(dòng)人民就不斷改進(jìn)水磨、水車和水力鼓風(fēng)設(shè)備，漢代張衡還創(chuàng)造了水力帶動(dòng)的渾天儀，說(shuō)明水力機(jī)械當(dāng)時(shí)已經(jīng)有了很大進(jìn)展。再如我國(guó)古代計(jì)時(shí)所用的銅壺滴漏就是利用孔口出流，水位隨時(shí)間變化的規(guī)律制造的，反映出當(dāng)時(shí)人們已經(jīng)對(duì)孔口出流的原理有了相當(dāng)?shù)恼J(rèn)識(shí)。早在幾千年前，中國(guó)古代就發(fā)明了水壓唧筒等水力機(jī)械，與我國(guó)情況類似，古羅馬人修建了大規(guī)模的供水管道系統(tǒng)，埃及、巴比倫、印度、希臘等國(guó)修建了大量的渠道來(lái)發(fā)展農(nóng)業(yè)和航運(yùn)事業(yè)。以上這些成就大多是對(duì)客觀世界直觀的定性認(rèn)識(shí)，尚未上升為理論。流體力學(xué)真正成為一門科學(xué)并逐漸發(fā)展的過(guò)程可分為3個(gè)階段。1)經(jīng)典流體力學(xué)的發(fā)展對(duì)流體力學(xué)學(xué)科的形成第一個(gè)作出貢獻(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(méi)有重大發(fā)展。直到15世紀(jì)，意大利達(dá)·芬奇的著作才談到水波鳥(niǎo)的飛翔原理等問(wèn)題；17世紀(jì)，帕斯卡闡明了靜止流體中壓力的概念。流體力學(xué)真正作為一門嚴(yán)17首先要?dú)w功于牛頓發(fā)明·式、聲速和潮汐理論。在1738年，他提出了著名的伯努力定理。1752年，達(dá)朗貝爾提出·3·緒論連續(xù)性方程。尤其是歐拉于1775年提出了流體運(yùn)動(dòng)的描述方法和無(wú)粘性流體運(yùn)動(dòng)的方程組，推動(dòng)了無(wú)粘性流動(dòng)。歐拉方程和伯努利方程的建立，是流體動(dòng)力學(xué)作為一個(gè)分支學(xué)科建立的標(biāo)志。所以，歐拉是理論流體動(dòng)力學(xué)的奠基人。年、1845年導(dǎo)出了粘性流體運(yùn)動(dòng)的基本方程組，這就是著名的N-S方程，并為當(dāng)時(shí)哈根、19世紀(jì)的主要進(jìn)展是對(duì)無(wú)粘有旋和粘性流動(dòng)的初步研究。納維斯托克斯分別于1823泊肅葉通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到的圓管內(nèi)粘性流體的流量公式所驗(yàn)證粘性流體運(yùn)動(dòng)理論的發(fā)端，是流體動(dòng)力學(xué)的理論基礎(chǔ)。經(jīng)典流體力學(xué)的出現(xiàn)，使人們的認(rèn)識(shí)建立在嚴(yán)密的理論基礎(chǔ)上。但由于認(rèn)識(shí)水平的限制無(wú)法從理論上解釋運(yùn)動(dòng)物體所受的阻力(達(dá)朗貝爾佯謬)即對(duì)于兩種最重要的流體：水和空氣，其粘性很小，人們很難理解被經(jīng)典理論所忽略的摩擦力怎么會(huì)在如此程度上影響流體的運(yùn)動(dòng)。所以，當(dāng)時(shí)的情況是，水力學(xué)工程師觀察著不能解釋的現(xiàn)象，而數(shù)學(xué)家卻解釋著觀察不到的事物(錢令希等1985，周光炯等1992)。2)近代流體力學(xué)的發(fā)展從19世紀(jì)末深入細(xì)致研究流體粘性運(yùn)動(dòng)和高速運(yùn)動(dòng)的特性論流體力學(xué)可以真正用來(lái)指導(dǎo)實(shí)踐20世紀(jì)上半葉航空事業(yè)的巨大成功就是極具說(shuō)服力的證明。在這一時(shí)期，流體力學(xué)的主要成就有：性在于它推動(dòng)了整整一個(gè)世紀(jì)的紊流研究。盡管紊流問(wèn)題還沒(méi)有解決，但人們對(duì)它的認(rèn)識(shí)1883雷諾的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了流體運(yùn)動(dòng)的兩種運(yùn)動(dòng)形態(tài)層流和紊雷諾發(fā)現(xiàn)的重要深化了，并解決了大量實(shí)際問(wèn)題，所以具有劃時(shí)代的意義。的重大意義在于完整的NS決了阻1904普朗特憑他豐富的經(jīng)驗(yàn)和物理直覺(jué)提出了著名的邊界層邊界層理論飛行至少提前了半個(gè)世紀(jì)，所以可以說(shuō)普朗特是近代流體力學(xué)的奠基人。―條件謂的泰勒渦1935泰勒建立了均勻各向同性湍流的理論。在這一時(shí)期湍1910年泰勒提出了湍流的渦擴(kuò)散理論。1923年，他得到了兩個(gè)同心圓筒間流動(dòng)失穩(wěn)的流研究的理論成果使人們加深了對(duì)湍流結(jié)構(gòu)和機(jī)理的認(rèn)識(shí)，其意義是不可估量的。泰勒科學(xué)工作的特點(diǎn)是善于把深刻的物理洞察力和高深的數(shù)學(xué)方法結(jié)合起來(lái)，并擅長(zhǎng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單而且完善的專門實(shí)驗(yàn)來(lái)證實(shí)他的理論。所以，泰勒在力學(xué)界的影響是深遠(yuǎn)的。現(xiàn)象。1928年起他定居美國(guó)以后，在加州理工學(xué)院建立古根海姆空氣動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)室1911卡門證明了圓柱尾流內(nèi)渦街的穩(wěn)定性來(lái)解釋橋梁風(fēng)振翼顫振等(GALCIT)乎匯集了世界上最優(yōu)秀的人才當(dāng)時(shí)世界上空氣動(dòng)力學(xué)的研究中心中的超前理論研究，為人類的航空航天事業(yè)奠定了基礎(chǔ)，所以他被譽(yù)為航空航天大師。卡門在這一時(shí)期的成果集中在氣動(dòng)方面，包括機(jī)翼的舉力面理論、亞聲速流近似理論、跨聲速相似理論、超聲相似理論、超聲速流細(xì)長(zhǎng)理論。他也像普朗特一樣，善于透過(guò)現(xiàn)象抓住本質(zhì)，提煉出合理的數(shù)學(xué)模型，樹(shù)立了數(shù)學(xué)理論和工程實(shí)際相結(jié)合的典范。我們還要提到當(dāng)時(shí)的蘇聯(lián)科學(xué)家的杰出貢獻(xiàn)。比如，謝多夫完善了量綱分析和相似理論，并應(yīng)用于強(qiáng)爆炸和湍流問(wèn)題?？?tīng)柲宸螂m是一個(gè)偉大的統(tǒng)計(jì)數(shù)學(xué)家，但他總是力圖把他的純粹數(shù)學(xué)的研究成果同實(shí)際應(yīng)用結(jié)合起來(lái)，提出了局部各向同性湍流理論，提出了用湍流能量和典型頻率的微分方程求解雷諾于1991年隆重·3·紀(jì)念柯?tīng)柲宸虻闹匾恼掳l(fā)表50周年，充分說(shuō)明他的著作是不朽的。·4·流體力學(xué)在這一時(shí)期，以周培源為代表的中國(guó)流體力學(xué)家已躋身于國(guó)際的學(xué)術(shù)舞臺(tái)，為近代流體力學(xué)的發(fā)展作出了突出的貢獻(xiàn)1945周培源在美《應(yīng)用數(shù)學(xué)上發(fā)表《關(guān)于湍流關(guān)聯(lián)速度和湍流脈動(dòng)方程的解》，首先提到了相關(guān)函數(shù)的微分方程，為現(xiàn)代湍流高階矩模式理論奠定了基礎(chǔ)。以后又提出了湍流的旋渦結(jié)構(gòu)理論。錢學(xué)森早在20世紀(jì)30年代就來(lái)到了加州從事空氣動(dòng)力學(xué)的研究，并同卡門一起提出了近似計(jì)算高亞聲速流氣動(dòng)力的卡門錢公式20世紀(jì)40年代提出了跨聲速流的相似創(chuàng)了高超聲速流和稀薄氣體動(dòng)力學(xué)新領(lǐng)域。郭永懷同錢學(xué)森在研究跨聲速流時(shí)提出了上下臨界馬赫數(shù)的概念，并―發(fā)現(xiàn)當(dāng)飛行速度超過(guò)下臨界馬赫數(shù)時(shí)，理論上連續(xù)解依然可以存在。只有來(lái)流速度超過(guò)上臨界馬赫數(shù)才會(huì)出現(xiàn)激波10郭永懷從事激波邊界層相互作用及高超聲特別1953年在研究有限長(zhǎng)平板邊界層二階提出了克服奇異性的途徑被錢學(xué)森命名為PLK1949年，林家翹解決了流動(dòng)穩(wěn)定性理論中的一個(gè)數(shù)學(xué)疑難，指出穩(wěn)定性問(wèn)題中，流體粘性趨于零并不等價(jià)于無(wú)粘性的情況，并用漸近方法求解了奧爾索末菲爾德TS波后來(lái)為低湍流度風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)證國(guó)科學(xué)家的上述成果已載入史冊(cè)，這是每一個(gè)炎黃子孫的光榮。―從以上這段歷史可以看到，以普朗特為代表的應(yīng)用力學(xué)學(xué)派的風(fēng)格在近代力學(xué)發(fā)展中的決定性意義，從哥廷根、劍橋、加州到莫斯科以及中國(guó)科學(xué)家的研究集體都為它的形成作出了貢獻(xiàn)，其主要特點(diǎn)是工程科學(xué)同數(shù)學(xué)的緊密結(jié)合。由于這一風(fēng)格的影響，流體力學(xué)又回到了生產(chǎn)實(shí)踐，解決了人類為實(shí)現(xiàn)飛行的理想所面臨的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。同時(shí)也推動(dòng)了流體力學(xué)自身粘性流動(dòng)和可壓縮流動(dòng)的理論得到完善20世紀(jì)下半葉現(xiàn)代流體力學(xué)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。3)現(xiàn)代流體力學(xué)的發(fā)展所謂現(xiàn)代流體力學(xué)指的是，用現(xiàn)代的理論方法、計(jì)算和實(shí)驗(yàn)技術(shù)，研究同現(xiàn)代人類社會(huì)生產(chǎn)活動(dòng)和生存條件緊密相關(guān)的流動(dòng)問(wèn)題的學(xué)科領(lǐng)域。所以，現(xiàn)代流體力學(xué)正處在一個(gè)用理論分析、數(shù)值計(jì)算、實(shí)驗(yàn)?zāi)M相結(jié)合的方法，以非線性問(wèn)題為重點(diǎn)，各分支學(xué)科同時(shí)并進(jìn)的大發(fā)展時(shí)期。在這一時(shí)期的主要成就如下：計(jì)算流體力學(xué)已發(fā)展成熟。出現(xiàn)了有限差分、有限元、有限分析、譜方法和辛算法，建立了計(jì)算流體力學(xué)的完整理論體系。計(jì)算流體力學(xué)在高速氣體動(dòng)力學(xué)和湍流的直接數(shù)值模擬中發(fā)揮了重大作用。前者主要用于航天飛機(jī)的設(shè)計(jì)，后者要求分辨率高，計(jì)算工作量如果沒(méi)有先進(jìn)的計(jì)算機(jī)是不可能完目超級(jí)計(jì)算作站的性能有了飛躍，最高速度可達(dá)每秒數(shù)百億次，存儲(chǔ)達(dá)數(shù)十吉，并行度也在提高，因此，人們已經(jīng)可以用歐拉雷諾平均方程求解整個(gè)飛機(jī)的流場(chǎng)雷諾數(shù)達(dá)到105的典型流動(dòng)的湍流問(wèn)題。計(jì)算流體力學(xué)幾乎滲透到流體力學(xué)的每個(gè)分支領(lǐng)域。非線性流動(dòng)問(wèn)題取得重大進(jìn)展。自20世紀(jì)60年代起，對(duì)色散波理論進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，發(fā)現(xiàn)了孤立子現(xiàn)象，發(fā)展了求解非線性發(fā)展方程完整的理論和數(shù)值方法，并被廣泛應(yīng)用于其他學(xué)科領(lǐng)域?，F(xiàn)代流體力學(xué)也出現(xiàn)了以下一些新興的學(xué)科分支：生物流體力學(xué)。主要研究人體的生理流動(dòng)，包括心血管、呼吸、泌尿、淋巴系統(tǒng)的流動(dòng)。流體的非牛頓流行為(如血液屬卡森流體)，管道的分叉和變形，肺與腎臟的多孔性，微循環(huán)通過(guò)細(xì)胞膜尺度現(xiàn)象(如法羅伊斯林奎斯特效應(yīng))是人體生理流動(dòng)的·4·特征，這方面的研究為發(fā)展生物醫(yī)學(xué)工程(如治療動(dòng)脈粥樣硬化，人造心瓣等)作出了貢獻(xiàn)。―·5·緒論此外，還研究了植物體內(nèi)的生理流動(dòng)，魚(yú)類的泳動(dòng)和鳥(niǎo)類的飛行，體育運(yùn)動(dòng)力學(xué)等。地球和星系流體力學(xué)。它是主要研究大氣、海洋、地幔運(yùn)動(dòng)一般規(guī)律的學(xué)科分支，包括全球尺度、天氣尺度、中尺度的運(yùn)動(dòng)。其特點(diǎn)是要考慮旋轉(zhuǎn)和層結(jié)效應(yīng)，深化了人類對(duì)自然現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)。磁流體力學(xué)和等離子體物理。它主要研究在磁場(chǎng)中的流體運(yùn)動(dòng)規(guī)律，包括磁流體力學(xué)波與穩(wěn)定性。雖然低溫等離子體早已在工業(yè)中得到應(yīng)用，但直到20世紀(jì)40年代，才由阿爾芬建立磁流體力學(xué)這門學(xué)科，并在天體與空間物理中得到應(yīng)用。20世紀(jì)50年代以來(lái)，國(guó)內(nèi)外該領(lǐng)域的很多專家主要從事受控?zé)岷朔磻?yīng)的研究，人們一直在尋求適當(dāng)?shù)拇艌?chǎng)位形與解決磁約束或慣性約束問(wèn)題的途徑。雖然研究的道路是曲折的，但一旦實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火，前景誘必再為能源枯竭擔(dān)憂磁場(chǎng)的起源和逆轉(zhuǎn)也是一個(gè)磁流體力學(xué)的問(wèn)題。20世紀(jì)50年代由列維奇倡導(dǎo)散析返棍、電泳、聚并、燃燒、流態(tài)化和毛細(xì)流等物理化學(xué)現(xiàn)象有關(guān)的流體力學(xué)分支。多相流專門研究?jī)上嘁陨贤N或異種化學(xué)成分物質(zhì)組成的混合物的流動(dòng)，如采用單流體模型，有泡沫流和栓塞流；如采用雙流體模型，有液固、氣固和氣液流動(dòng)；如果在流動(dòng)中顆粒碰撞占主導(dǎo)地位，隙間流體的作用可以忽略，則可用顆粒流模型。多相流在自然界與在化工、冶煉和石油工業(yè)中有廣泛的應(yīng)用。實(shí)際上，滲流的出現(xiàn)應(yīng)以19世紀(jì)的達(dá)西定律為標(biāo)志，20世紀(jì)物滲流等。20世紀(jì)20年代建立了流變學(xué)，以后逐步形成非牛頓流體力學(xué)，包括變粘度、50年代以后，進(jìn)一步發(fā)展了非等溫非均勻非牛頓和多相滲流、物理化學(xué)滲流、生有屈服應(yīng)力、有時(shí)效和粘彈性的流體運(yùn)動(dòng)。測(cè)定了各種非牛頓流體的本構(gòu)關(guān)系，揭示其與介質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)，如高分子鏈、蠟品結(jié)構(gòu)、懸浮固體顆粒、纖維、血球的聯(lián)系，描述非牛頓流體的運(yùn)動(dòng)與穩(wěn)定性，并應(yīng)用于塑料、化纖、彩膠、橡膠和造紙工業(yè)。2.流體力學(xué)的發(fā)展趨勢(shì)在展望21我們來(lái)分析一下中國(guó)和世界的現(xiàn)狀面我國(guó)的研究工作已有一定的基礎(chǔ)與積累；另一方面，同國(guó)際學(xué)術(shù)界相比，研究的總體水平還有一定的差距雖然我國(guó)的經(jīng)濟(jì)但同世界上發(fā)達(dá)國(guó)家相比我們還較落后，科研經(jīng)費(fèi)的投入還很不足，所以在制定規(guī)劃時(shí)，要考慮中國(guó)的國(guó)情，要繼續(xù)跟蹤高技術(shù)，同時(shí)，一定要把重點(diǎn)放在同國(guó)計(jì)民生緊密相關(guān)的問(wèn)題上。在這里，我們列出一些對(duì)未來(lái)我國(guó)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展很重要的，與流體力學(xué)有關(guān)的科學(xué)技術(shù)問(wèn)題。能源：世界對(duì)能源的需求日益增長(zhǎng)。我國(guó)正處在經(jīng)濟(jì)騰飛時(shí)期，必須加速與能源有關(guān)我國(guó)的能源布不勻雖已有一定規(guī)模，但大慶油田已進(jìn)入后期開(kāi)采，維持原有產(chǎn)量有一定難度。已探明，西部塔克拉瑪干沙漠石油儲(chǔ)量不少，但輸送是個(gè)大問(wèn)題。我國(guó)海上石油有一定儲(chǔ)量，近海采油已有一定基礎(chǔ)，還要進(jìn)一步向300m以下的深海進(jìn)軍。我國(guó)水力資源豐富，水電、核電很有潛力，在近期要源如在發(fā)展張力腿式平臺(tái)(TLP)時(shí)，要解決的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題是由非線性波與結(jié)構(gòu)的相互作用引起的慢漂運(yùn)動(dòng)與高頻共振。在三次采油中，為有效地采用強(qiáng)化采油技術(shù)驅(qū)替仍殘留在多孔巖體中的多半原油，要避免粘性指進(jìn)現(xiàn)象，石油、天然氣及水煤漿的輸送涉及管道中不同流態(tài)的多相流驅(qū)動(dòng)問(wèn)題水電·5·站的關(guān)鍵技術(shù)之一是防止水輪機(jī)葉片受空泡和泥沙侵蝕；要采用射流技術(shù)來(lái)提高燃燒效·6·流體力學(xué)率等。環(huán)境：人口增長(zhǎng)與工業(yè)發(fā)展是人類面臨的嚴(yán)峻的環(huán)境問(wèn)題，已引起世界各國(guó)的關(guān)注?，F(xiàn)代社會(huì)人類的生存環(huán)境涉及氣候、生態(tài)、污染、災(zāi)害等不同尺度，多學(xué)科交緣的問(wèn)題，如全球變暖臭氧空洞酸雨厄爾尼諾臺(tái)風(fēng)風(fēng)暴潮滑坡可用建立觀測(cè)站網(wǎng)，采用諸如遙感等各種現(xiàn)代測(cè)試手段，并用數(shù)值模擬來(lái)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)的預(yù)測(cè)。多數(shù)環(huán)境問(wèn)題是因發(fā)生在地球表層的流體運(yùn)動(dòng)和界面過(guò)程引起的，也存在大量流體力學(xué)問(wèn)題?？芍攸c(diǎn)研究陸氣海氣界面過(guò)程，污染物擴(kuò)散輸運(yùn)，風(fēng)沙、泥沙、泥石流運(yùn)動(dòng)等問(wèn)題，因此要研究層結(jié)流體中的湍流邊界層，在陸地要考慮植被的影響，在海上要考慮不規(guī)則波浪、氣泡、水滴的作用，遠(yuǎn)距離污染物的輸送涉及干沉積、濕沉積、大氣化學(xué)、放射性衰變等物理化學(xué)過(guò)程。為解決泥沙問(wèn)題，首先要確定不同成分泥沙的本構(gòu)關(guān)系，波流與岸線、泥底的相互作用，才能預(yù)測(cè)在復(fù)雜波流場(chǎng)中的泥沙輸運(yùn)與地貌變化。泥石流要解決分類、起動(dòng)、運(yùn)動(dòng)、沉積、預(yù)報(bào)和防治問(wèn)題。研究電磁波在湍流大氣中的傳播及其與界面的相互作用是為了正確反演遙感信息，取得重要環(huán)境數(shù)據(jù)。為控制環(huán)境污染，要研究清潔燃燒技術(shù)，流態(tài)化與等離子體技術(shù)，實(shí)現(xiàn)廢棄物的無(wú)害化處理，并回收能量和物質(zhì)。交通：發(fā)展東方快車、高速火車、地鐵與其他公共交通工具已提到議事日程上。我國(guó)已建成廣深準(zhǔn)高速鐵路，并決定投資千億元建設(shè)北京上海間的高速鐵路。日本的新干線、法國(guó)的TGV的高速火車時(shí)速可達(dá)250km磁懸浮度又得以大大提高但在高速列車車頭前會(huì)形成壓力波，兩車相遇和通過(guò)隧道時(shí)要考慮這個(gè)問(wèn)題。要設(shè)計(jì)好的氣動(dòng)外形并采用其他措施，減小阻力，并要求有較好的側(cè)向穩(wěn)定性。節(jié)能型小轎車在良好的城市規(guī)劃條件下，會(huì)有一定程度的發(fā)展。由于節(jié)能與環(huán)境的需要，未來(lái)的趨向是輕型化，要設(shè)計(jì)具有低阻負(fù)升力美觀大方的小轎車，以滿足市場(chǎng)的需求。為發(fā)展航運(yùn)事業(yè)，要設(shè)計(jì)高速、安全、“綠色”船舶，研制新型水上、水陸兩棲運(yùn)輸工具(如地效翼船)，開(kāi)辟、疏浚航道，建設(shè)深水泊位的集裝箱碼頭，也有許多與船舶工程、海岸與港灣工程有關(guān)的流動(dòng)問(wèn)題。健康農(nóng)林牧業(yè)的革命21無(wú)疑是頭等重要的問(wèn)題。細(xì)胞力學(xué)旨在了解細(xì)胞分裂、粘附、吞噬、運(yùn)動(dòng)的機(jī)理以及應(yīng)力與生長(zhǎng)的關(guān)系，這對(duì)理解生理病理現(xiàn)象，攻克癌癥及心血管疾病等都有重要意義。為了研制生物代用品，如人造胰臟、皮膚、血管、血液等來(lái)恢復(fù)、維持、改善人體組織的功能，形成了組織工程。生物學(xué)家的研究成果要轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品或進(jìn)行生物加工，要依靠生物反應(yīng)器，要利用力學(xué)原純化與高效生命證正常的新陳代謝障細(xì)胞不受損傷流體力學(xué)可在生物技術(shù)和生物工程中發(fā)揮作用，在細(xì)胞層次上進(jìn)行研究是未來(lái)生物流體力學(xué)的發(fā)展趨向(吳望一1994)。綜上所述，在未來(lái)，流體力學(xué)仍有著極其廣闊的應(yīng)用前景，對(duì)于人類和我國(guó)的經(jīng)濟(jì)建設(shè)和社會(huì)持續(xù)發(fā)展的各個(gè)方面有著不可忽視的作提出的重要科學(xué)技術(shù)問(wèn)題，還可以看出，21世紀(jì)的流體力學(xué)是20世紀(jì)現(xiàn)代流體力學(xué)發(fā)展的深化和繼續(xù)，隨著計(jì)算機(jī)的不斷更新?lián)Q代，不但可以解決極其困難復(fù)雜的問(wèn)題，將結(jié)果形象逼真地顯示出來(lái)，而且可以進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)與控制。所以要繼續(xù)發(fā)展大規(guī)模科學(xué)與工程計(jì)算，研究并行算法與可視化技術(shù)，使計(jì)算流體力學(xué)在其中發(fā)揮更大的作用。我們要發(fā)揚(yáng)老一輩科學(xué)家執(zhí)著追求真理·6·的艱苦奮斗精神，學(xué)習(xí)好流體力學(xué)這門課程，并進(jìn)一步發(fā)展流體力學(xué)這一古老而又嶄新的·7·緒論學(xué)科領(lǐng)域，為人類進(jìn)步和我國(guó)的現(xiàn)代化建設(shè)作出貢獻(xiàn)。三、流體力學(xué)的研究方法流體力學(xué)采用實(shí)驗(yàn)析與數(shù)值計(jì)算的方法研究流體的平衡與機(jī)械運(yùn)動(dòng)規(guī)律。在不同的歷史時(shí)期有不同的研究方法。流體力學(xué)是從不斷總結(jié)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)與實(shí)驗(yàn)研究基礎(chǔ)上產(chǎn)生和逐漸發(fā)展起來(lái)18世紀(jì)中葉以前是流體力學(xué)萌芽與發(fā)展初期那時(shí)主要運(yùn)用初等數(shù)學(xué)解決流體靜力學(xué)與運(yùn)動(dòng)學(xué)問(wèn)題，只涉及少量的流體動(dòng)力學(xué)問(wèn)題，實(shí)驗(yàn)設(shè)備與量測(cè)手段也比較簡(jiǎn)單。論分析法研究流體的平衡與機(jī)械運(yùn)動(dòng)規(guī)律，流體動(dòng)力學(xué)得到了較大的發(fā)展。理論分析法一18世紀(jì)中葉以后開(kāi)始形成一門獨(dú)立此時(shí)開(kāi)始運(yùn)用高等數(shù)般是在實(shí)踐與實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上對(duì)運(yùn)動(dòng)流體提出合理的假設(shè)，建立簡(jiǎn)化的力學(xué)模型，再根據(jù)物理與一般力學(xué)中的原理與定理，建立基本方程。最后利用邊界條件及初始條件求數(shù)學(xué)解析解，并與實(shí)驗(yàn)作比較。理論分析法包括有限體積法、微元體積法、速度勢(shì)法、保角變換法等。在這方面，歐拉與拉格朗日是“理論流體力學(xué)”的奠基人。算流體力學(xué)”廣泛地采用了有限差分法、有限單元法、邊界元法與譜方法等數(shù)值計(jì)算法。20世紀(jì)60年代后由于計(jì)算方法與電子計(jì)算“計(jì)算流體力學(xué)“計(jì)數(shù)值計(jì)算法能求解許多理論分析法無(wú)法完全解決的問(wèn)題，利用數(shù)值模擬還節(jié)省了實(shí)驗(yàn)研究所需的大量人力、物力、財(cái)力和時(shí)間。但是，數(shù)值計(jì)算無(wú)法替代實(shí)驗(yàn)研究與理論分析。首先，理論分析與數(shù)值計(jì)算結(jié)果需要獲得實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證與進(jìn)一步啟迪。近代實(shí)驗(yàn)設(shè)備與實(shí)驗(yàn)手段日趨完善，如采用現(xiàn)代的流動(dòng)顯示設(shè)備、風(fēng)洞與水洞、激光流速儀，用計(jì)算機(jī)對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、檢測(cè)與控制。此外，理論分析法是數(shù)值計(jì)算的基礎(chǔ)，對(duì)實(shí)驗(yàn)研究亦有指導(dǎo)意義。理論分析法在近代也有較大的發(fā)展，如流動(dòng)穩(wěn)定性理論、非定常流理論、粘性流體的三元流理論、跨音速理論等。總之，實(shí)驗(yàn)研究、理論分析和數(shù)值計(jì)算這3種方法相互補(bǔ)充、相互促進(jìn)、相互滲透，為流體力學(xué)的不斷發(fā)展作出了巨大的貢獻(xiàn)?！?·第1章流體的宏觀模型和物理屬性教學(xué)提示：本章將講述流體的基本屬性、流體的連續(xù)介質(zhì)模型和流體的主要物理力學(xué)性質(zhì)及其表征方法。只有掌握了本章的基本概念，才能更好地學(xué)習(xí)以后的章節(jié)，并起到事半功倍的學(xué)習(xí)效果。教學(xué)要求：理解流體的連續(xù)介質(zhì)力學(xué)假設(shè)，掌握流體的基本物理力學(xué)性質(zhì)及其表征方法。流體連續(xù)性假設(shè)和流體粘性是本章學(xué)習(xí)重點(diǎn)。1.1流體的連續(xù)介質(zhì)假設(shè)從物理學(xué)知道，流體和固體一樣，由無(wú)數(shù)不規(guī)則隨機(jī)熱運(yùn)動(dòng)的分子構(gòu)成，分子之間有著比分子尺度大得多的間隙。所以從微觀上講流體是離散的，因而流體中各空間點(diǎn)上不同瞬時(shí)的物理量是不連續(xù)的。流體力學(xué)是一門宏觀力學(xué)，感興趣的是流體宏觀的平衡與機(jī)械運(yùn)動(dòng)規(guī)律，它不研究微(Euler)在1753年提出連續(xù)介質(zhì)力學(xué)模型的假設(shè)：(1)不考慮分子間隙，認(rèn)為介質(zhì)是連續(xù)分布于流體所占據(jù)的整個(gè)空間。(2)表征流體屬性的諸物理量，如密度、速度、壓強(qiáng)、切應(yīng)力、溫度等在流體連續(xù)流動(dòng)時(shí)是時(shí)間與空間坐標(biāo)變量的單值、連續(xù)可微函數(shù)。這樣就可利用數(shù)學(xué)分析這一有力的數(shù)學(xué)工具研究確定流體的平衡與機(jī)械運(yùn)動(dòng)規(guī)律。盡管流體力學(xué)屬于連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的范疇。但是，有時(shí)還要利用分子運(yùn)動(dòng)論與統(tǒng)計(jì)力學(xué)的觀點(diǎn)來(lái)解釋流體的物理量、物理現(xiàn)象以及運(yùn)動(dòng)規(guī)律。例如，密度是大量分子的統(tǒng)計(jì)平均值，壓強(qiáng)是無(wú)數(shù)個(gè)流體分子運(yùn)動(dòng)及碰撞的結(jié)果，溫度是表征大量流體分子熱運(yùn)動(dòng)的平均動(dòng)能。流體粘性的產(chǎn)生是由于各流層中流體分子運(yùn)動(dòng)及相互作用的結(jié)果。在流體力學(xué)中經(jīng)常要考慮體積為無(wú)限小但具有大量分子的集合體(稱為流體微團(tuán))的運(yùn)動(dòng)及其統(tǒng)計(jì)效應(yīng)，此外，連續(xù)介質(zhì)假設(shè)并不排斥在流體中可存在奇點(diǎn)，即可存在連續(xù)函數(shù)的不連續(xù)點(diǎn)。在通常的工程問(wèn)題中連續(xù)介質(zhì)假設(shè)是完全合理的，因?yàn)閷⒃诖嘶A(chǔ)上獲得問(wèn)題的解與(10℃)，1mm3體積中含有2.7×107×10mm3.4×10個(gè)水分子，分子平均自由程為3×10mm?？梢?jiàn)在通常工程問(wèn)題中，要研究的流體線性尺度或流體微團(tuán)的大小遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于分子大小及其運(yùn)動(dòng)尺度，所以質(zhì)點(diǎn)(微團(tuán))中包含有足夠多的7分子，足以體現(xiàn)流體的分子統(tǒng)計(jì)平均特性。但是，當(dāng)所研究問(wèn)題的特征尺寸接近或小于分子大小及其運(yùn)動(dòng)平均自由程時(shí)，連續(xù)介質(zhì)假設(shè)就不再適用。例如，研究火箭在高空稀薄氣體中飛行時(shí)稀薄空氣的特征尺寸較大，如在120km高空處空氣分子的平均自由程為1.3m，與火箭的特征尺寸比較具有相同的數(shù)量級(jí)。此時(shí)連續(xù)介質(zhì)假設(shè)就不再合理，需要用分子運(yùn)·9·第1章流體的宏觀模型和物理屬性動(dòng)論與統(tǒng)計(jì)力學(xué)的微觀方法研究稀薄空氣動(dòng)力學(xué)問(wèn)題。類似地，對(duì)于高真空泵與高真空技術(shù)中的流體，或者含有空泡的液體與高速摻氣水流，亦不能用連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的方法研究問(wèn)題。流體是一種連續(xù)介質(zhì)。它的各個(gè)質(zhì)點(diǎn)(微團(tuán))之間有很大的流動(dòng)性。流體質(zhì)點(diǎn)由不斷運(yùn)動(dòng)著的分子構(gòu)成。即使流體處于靜止?fàn)顟B(tài)，這種分子運(yùn)動(dòng)也不會(huì)停止。除了流體內(nèi)部分子力所引起的分子運(yùn)動(dòng)外，還由于外力作用使流體質(zhì)點(diǎn)產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)。這樣，流體真正運(yùn)動(dòng)包括由于流體內(nèi)部分子力所引起的內(nèi)部分子運(yùn)動(dòng)以及由于外力作用所引起的流體質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)。流體內(nèi)部分子運(yùn)動(dòng)在流體力學(xué)中將不予考慮。流體力學(xué)只從宏觀上研究流體質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)。正是出于這個(gè)原因，流體力學(xué)中采用連續(xù)的流體介質(zhì)作為流體的模型。這樣，流體力學(xué)研究對(duì)象就是一種連續(xù)的流體介質(zhì)，也就是說(shuō)，以連續(xù)的流體介質(zhì)來(lái)代替流體分子結(jié)構(gòu)。因此，流體就是各個(gè)質(zhì)點(diǎn)之間具有很大的流動(dòng)性的連續(xù)介質(zhì)。連續(xù)介質(zhì)假設(shè)為建立流場(chǎng)的概念奠定了基礎(chǔ)：設(shè)在t時(shí)刻，有某個(gè)流體質(zhì)點(diǎn)占據(jù)了空間點(diǎn)(x,y,z)體質(zhì)點(diǎn)所具有的某種物理量(數(shù)量或矢量)定義在該時(shí)刻根據(jù)連續(xù)介質(zhì)假設(shè)，就可形成定義在連續(xù)時(shí)間和空間域上的(數(shù)量或矢量)場(chǎng)。1.2流體的主要物理性質(zhì)從物理學(xué)知道，流體和固體一樣，由無(wú)數(shù)不規(guī)則隨機(jī)熱運(yùn)動(dòng)的分子構(gòu)成，分子之間有著比分子尺度大得多的間隙。所以從微觀上講流體是離散的，因而流體中各空間點(diǎn)上不同瞬時(shí)的物理量是不連續(xù)的。但由于流體力學(xué)的研究對(duì)象是具有很大流動(dòng)性的連續(xù)介質(zhì)，因此，流體的許多物理屬性就可以用變量進(jìn)行表達(dá)。1.2.1慣慣性是物體所具有的反抗改變?cè)羞\(yùn)動(dòng)狀態(tài)的物理性質(zhì)，它主要決定于質(zhì)量。質(zhì)量越大，慣性越大，運(yùn)動(dòng)狀態(tài)越難改變。一切物質(zhì)都具有質(zhì)量，流體也不例外。質(zhì)量是(Inertia)物質(zhì)的基本屬性之一，是物體慣性大小的量度。單位體積流體的質(zhì)量叫做ΔV位為米(m)m，單位為千克(kg)，則該流體密度為：33ρmVim流體的體(gmV(m)(1―)單位為牛[頓](N)，則該流體重度為：33γGV由于流體介質(zhì)是連續(xù)的，故式γ)在極限。(N/m)(1―2)密度和重度之間通過(guò)重力加速度g來(lái)聯(lián)系：―·9·γ=ρg·10·流體力學(xué)1.2.2作用力變化可引起流體的體積變化或密度變化，這一現(xiàn)象稱為流體的可壓縮性(Compressibility)。壓縮性可用體積壓縮率κ或體積模量來(lái)量度。體積壓縮率(CoefficientofVolumeCompressibility)為流體體積的相對(duì)縮小值與壓強(qiáng)增K大值p之比，即當(dāng)壓強(qiáng)增大一個(gè)單位值時(shí)，流體體積相對(duì)減小一個(gè)單位值，用公式可表示為：dV/Vdρ/ρ流體的壓縮性在工程上往往用體κ模量K來(lái)表示，體積模量K(Bulk―dpdpElasticity)是體積壓縮率的倒數(shù)，即1κdpdp與K隨溫度和壓強(qiáng)而變化，但變化甚微。根據(jù)壓縮系數(shù)和體積模量的定義可知(1：K==?=―4)dV/Vdρ/ρκ流體的種類不同，其κ與K不同。(1)K越大，表示流體越不易被壓縮，當(dāng)K→∞時(shí)，表示該流體絕對(duì)不可壓縮。同一種流體的K和值隨溫度、壓強(qiáng)的變化而變化。(2)K=2×10Pap=1個(gè)大氣壓時(shí)，。不(3)ΔV=1大的條件下，水的壓縮性可忽略，相應(yīng)9的水的密度可視為常數(shù)。ΔpV20000【例1.1】使水的體積減小0.1%及1%時(shí)，應(yīng)增大壓強(qiáng)各為多少？(K=2000MPa)【解】根據(jù)體積模量的定義K=?，可知：dpdV/VdV當(dāng)體積減少0.1%時(shí)，應(yīng)增加的壓強(qiáng)p=?：VΔVV同理，當(dāng)體積減小1%ΔK增加2000×(1%)=2.0MPaΔVV【例1.2】輸水管長(zhǎng)l=200p=徑d40×(?)0Ma使管中壓強(qiáng)達(dá)到55atm后停止加壓，經(jīng)歷1小時(shí)，管中壓強(qiáng)降到50atm。如不計(jì)管道變形，問(wèn)在上述情況下，經(jīng)管道漏縫流出的水量平均每秒是多少？水的體積壓縮率?κ=4.83×10m/N?！窘狻縟V為：-π水體V=?κ55×為(×.4漏)(505)××0=510流m的。設(shè)經(jīng)4管道漏縫平均每秒流出的水體積用表示，則·10·Q5.95×103Q==1.65cm3/s3600·11·第1章流體的宏觀模型和物理屬性K變化很劇烈、很迅速，一般可不考慮壓縮性，做不可壓縮流體假設(shè)，即認(rèn)為液體的K值為無(wú)窮大，密度為常數(shù)。但若考慮水下爆炸、水擊問(wèn)題時(shí)，則必須考慮壓縮性。液體的膨脹性(Expansibility)通常用體積膨脹系數(shù)來(lái)表示，所以體積膨脹系數(shù)是指在一定壓強(qiáng)下，單位溫度升高T所引起的體積變化率，即ββdV/V體積膨脹系數(shù)的單位為K。大，則流體的膨脹性也越大。(1―5)dT體積膨脹系數(shù)也可以表示為：ββdρ/ρ水的膨脹性很小，一般情況下，可以β=略其膨脹性。只有在某些特殊情況下，例(1―6)dT然開(kāi)啟和關(guān)閉閥門時(shí)發(fā)生的水擊現(xiàn)象以及冬季供暖時(shí)熱水循環(huán)系統(tǒng)等問(wèn)題時(shí)才考慮水的膨脹性?！纠?.3】200oC體積為2.5m的水，當(dāng)溫度升至800oC時(shí)，其體積增加多少？【解】200oC時(shí)：=998.23kg/m；800oC時(shí)：=971.83kg/m。3由于溫度變化后，流體的總質(zhì)量沒(méi)有變化，所以ρ3ρ3故m=d(V)=ρV+ρ=0Δρρ971.83?998.23ΔV=?V=?×2.5=0.0661m3體積變化率為：998.23ΔV0.0673顯著不同100%4%顯的可壓縮性，而且具有較大的膨脹V2.5氣體的壓力、溫度和密度之間的關(guān)系滿足理想氣體狀態(tài)方程(EquationofStateofaPerfectGas)。即pρ式中，——?dú)怏w的絕對(duì)壓力；=(1―7)——?dú)怏w的密度；pTR——熱力學(xué)溫度；ρ——?dú)怏w常數(shù)，對(duì)于空氣R=287(J/kg?K)；對(duì)于其他氣體，在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，(n為氣體的分子量)。8314R=1.2.3流體對(duì)切力的抗阻很小，例如水從高處往低處流，這時(shí)由于高處的水在重力作用下，粘性n·11·沿著水的表面方向靜面受切應(yīng)力的部位，·12·靜止?fàn)顟B(tài)就遭到破壞，水立即開(kāi)始滑動(dòng)流體力學(xué)限制的剪切變形，這就是流動(dòng)。不僅水具有對(duì)剪切力抗阻很小的特性，其他流體同樣具有這種特性，即流動(dòng)性。但是，各種流體的流動(dòng)性有大有小，比較粘的流體如豆油與水相比，盡管外在條件相同，前者流動(dòng)較緩，也就是能承受較大的切應(yīng)力。流體的這種抵抗剪切變形的能力稱為粘性(Viscosity)。假設(shè)流場(chǎng)的速度分布是不均勻的，這時(shí)各流體層之間產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)。由于分子的不規(guī)則運(yùn)動(dòng)，當(dāng)快層中的分子移到慢層中去時(shí)，它把多余的動(dòng)量交給了慢層中的分子，使慢層加快，產(chǎn)生切向的向前拖力。反之，慢層中的分子移到快層中去時(shí)，動(dòng)量交換的結(jié)果使快層減慢產(chǎn)生一個(gè)切向因此動(dòng)量交換就形成了內(nèi)摩擦力或粘性阻力，由于流體層之間的相互運(yùn)動(dòng)，在兩層之間產(chǎn)生了內(nèi)摩擦力以阻止相對(duì)運(yùn)動(dòng)。粘性是流體所具有的重要屬性。凡實(shí)際流體，無(wú)論氣體還是液體都具有粘性。在流體力學(xué)問(wèn)題的研究粘性影響所帶來(lái)的復(fù)雜性使無(wú)數(shù)研究者付出了艱辛的勞動(dòng)因而，對(duì)流體的這一屬性必須給予足夠的重視。實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容及其結(jié)果。1686年，牛頓通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)，總結(jié)出“牛頓內(nèi)摩擦定律”，現(xiàn)在以圖1.1說(shuō)明牛頓圖1.1牛頓內(nèi)摩擦實(shí)驗(yàn)圖1.1為兩個(gè)水平放置的平行平板距為h兩平板間充板以V的速度向右運(yùn)動(dòng)，下板保持不動(dòng)。由于液體與板之間存在著附著力，故緊鄰于上板的流體必以速度V隨上板一同向右運(yùn)動(dòng)。而緊鄰于下板的流體則依然附著于下板靜止不動(dòng)。在一定的速度V的范圍內(nèi)，實(shí)際測(cè)得流體的速度為線性分布，如圖1.1所示。兩板間的液體做平行于平板的流動(dòng)，可以看成是許許多多無(wú)限薄層的液體在平行運(yùn)動(dòng)，而內(nèi)摩擦力正是在我們?cè)O(shè)想的這種有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的薄層之間產(chǎn)生的。實(shí)驗(yàn)測(cè)出板所受粘性阻力的大小與各參數(shù)之間存在著如下關(guān)系：V式中，T——內(nèi)摩擦力(N)；T=μA(1―8)hA——平板與流體接觸的計(jì)算面積(m)；V——平板的運(yùn)動(dòng)速度(m/s)；·12·h——二平板間的垂直距離(m)；·13·第1章流體的宏觀模型和物理屬性μ——與流體性質(zhì)有關(guān)的比例系數(shù)，稱為[動(dòng)力]粘度(粘滯系數(shù)。若取如圖1.1所示相距為dh的流體薄層差為dv推廣為不受直線分布規(guī)律所限制的普遍形式：dvdhT=μA(1―9)式中，為流體速度梯度。dv若以單位面積上的摩擦力，即摩擦切應(yīng)力來(lái)表示，則上式為dhτ=T/Adv式(18)和式(19)所表示的關(guān)系為牛頓τ摩擦定律。其物理意義為：流體內(nèi)摩擦(10)dh大小與流體的速度梯度和接觸面積大小成正比，并且與流體的性質(zhì)，即粘性有關(guān)。――由式(110)可以看dv/dh=0時(shí)，亦即當(dāng)流體薄層之間或流體微團(tuán)之間沒(méi)有相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，或者說(shuō)處于靜止?fàn)顟B(tài)的流體中不存在內(nèi)摩擦力。因此流體的粘性是指：在―τ=0外力作用下流體微團(tuán)間具有相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，產(chǎn)生摩擦力，阻滯相對(duì)運(yùn)動(dòng)的特性。由牛頓內(nèi)摩擦定律可以看出，流體與固體在摩擦規(guī)律上是截然不同的。流體中的摩擦力取決于流體間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，即其大小與速度梯度成正北；固體間的摩擦力與速度無(wú)關(guān)，與兩固體之間所承受的正壓力成正比。在流體力學(xué)的研究中，當(dāng)速度梯度發(fā)生變化時(shí)，我們把動(dòng)力粘度為不變數(shù)的流體稱為牛頓流體(Newtonianfluid)把為變數(shù)的流體稱為非牛頓流體(Non-Newtonianfluid)。本書(shū)所研究的主要是牛頓流體。μμ實(shí)驗(yàn)表明，流體的動(dòng)力粘性系數(shù)，將隨流體的溫度改變而變化，但隨流體的壓力變化則不大。當(dāng)溫度升高時(shí)，氣體的[動(dòng)力]粘度都將增大。這是因?yàn)椋瑲怏w的粘性力主要來(lái)自相鄰流動(dòng)層分子的橫向動(dòng)量交換的結(jié)果：溫度升高，這種動(dòng)量的交換也加劇。因而內(nèi)摩擦力或值將增大。但是，液體則不同。隨著溫度的升高，液體的值將減小。原因在于液體的粘性力主要來(lái)自相鄰流動(dòng)層間分子的內(nèi)聚運(yùn)動(dòng)加劇，μμ液體分子間的距離變大，因而分子間的內(nèi)聚力將μ見(jiàn)流體的[動(dòng)力]粘度的大小，可參看表1-1。μ表1-1在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下某些常見(jiàn)液體的物理性質(zhì)項(xiàng)目溫度(T)/密度()/彈性模量(E)/[動(dòng)力]粘度(μ)/Pa?s表面張力()/名稱ρσ苯(3)CkPa()四氯化碳氟里昂－122221－0876.210342506.569.7412.014.818.371.82.00.029乙醇04587.4788.611032000.026012066250.0225.61645.21499.8855.6--石油34.4--汽油2220-0.03-甘油·13·00680.3-1257.64343850149300.063·14·流體力學(xué)續(xù)表項(xiàng)目溫度(T)/密度()/彈性模量(E)/[動(dòng)力]粘度(μ)/Pa?s表面張力()/名稱ρσ汞(3)CkPa()131－5.6135552620100015.69.00.51-燃油(JP－4)15.65.612833773.173.7-液氫-8.70.0290.0030.0150.073液氧257.2195.6-0.212.7810.0水－1206998.2-202170500它們隨溫度的變化關(guān)系，可以參見(jiàn)下列公式：μ式中，為時(shí)的[=力]粘度；和是取決于液體種類的系數(shù)。例如，對(duì)(1―11)1+αT?+βT?273.15)2，，而帕秒。μT=αβ對(duì)于氣體(空氣)有：α=33.69×10β=221×10μ0=1.79×10表1-2給出了常見(jiàn)氣體的物理力學(xué)性質(zhì)。從表1-2可知，氣體的是很小的，除非剪μ=+T?273.15)?T?273.15)2]×10(1―12)切應(yīng)變率很大，液體的值都比氣體的大許多，特別是低溫時(shí)。所以，在寒帶地區(qū)進(jìn)行液μ體的輸送(如石油的輸送)時(shí)需要考慮增溫；飛機(jī)或其他機(jī)械的某些傳動(dòng)系統(tǒng)需考慮用氣體μ替代液體來(lái)做工作介質(zhì)；人們還利用溫度升高流體粘性降低，流動(dòng)性能提高的特點(diǎn)發(fā)明了熱力采油方法，這種方法已經(jīng)在石油工程中得到廣泛應(yīng)用，我國(guó)的遼河油田就普遍采用熱力采油的方法進(jìn)行生產(chǎn)。表1-2某些常見(jiàn)氣體的物理性質(zhì)*項(xiàng)目通用氣體常數(shù)氣體常數(shù)定壓比熱[動(dòng)力]粘度比熱比()/R//(μ×10/名稱(J/kgk)(J/kgk)(J/kgk)R()C))/二氧化碳(k)氧88888264318302307318187.8269.9296.52076.84126.6518.1858.2909.21038522314446219010031.281.401.401.661.401.311.401.472.011.761.970.901.341.81氮氦氫甲烷空氣88302313。海平面標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，t=20℃下286.8在流體力學(xué)的許多方程中，常有這樣一個(gè)組合量出現(xiàn)，為了研究方便，人們定義了*μρ一個(gè)新的變量：運(yùn)動(dòng)粘度(KinematicViscosity)ν，其定義是：μρν=·14··15·第1章流體的宏觀模型和物理屬性式中，ν的量綱是LTm/s。量綱只包含長(zhǎng)度和時(shí)間，故是運(yùn)動(dòng)學(xué)的量綱?，F(xiàn)在廣泛使用μ和ν這樣兩個(gè)粘性系數(shù)。22但初學(xué)者要留意。例如水的動(dòng)力粘性系數(shù)μ要比空氣的μ系數(shù)ν卻要比水的ν大許多，這是因?yàn)榭諝獾拿芏圈驯人摩研≡S多的緣故。在流體力學(xué)研究中，常采用理想流體模型進(jìn)行研究。即假定流體不存在粘性或者其粘度為0。這種流體在運(yùn)動(dòng)時(shí)不僅內(nèi)部不存在摩擦力而且在它與固體接觸的邊界上也不存在因?yàn)橛行﹩?wèn)題(例如邊界層以外的流動(dòng)區(qū)域)粘性并不起重大作用，忽略粘性可以容易地分析其力學(xué)關(guān)系，所得結(jié)果與實(shí)際并無(wú)太大出入。有些問(wèn)題雖然流體粘性不可忽視，但作為由淺入深的一種手段，我們也可以先討論理想流體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，然后再考慮有粘性影響時(shí)的修正方法，這樣問(wèn)題就容易解決，因?yàn)檎承杂绊懛浅?fù)雜。研究流體運(yùn)動(dòng)，如果將實(shí)際因素通盤考慮，則問(wèn)題有時(shí)難以解決，理想流體的運(yùn)動(dòng)則簡(jiǎn)單得多，所得結(jié)果雖然與實(shí)際有很大差別，但作為定性分析仍然有可供參考之處。理想流體運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)理論嚴(yán)謹(jǐn)，范圍廣泛，這些理論對(duì)于分析實(shí)際問(wèn)題都有重大作用，不可因?yàn)闆](méi)有理想流體而忽視理想流體理論的重要性，這種思想對(duì)于學(xué)過(guò)理論力學(xué)1.2.4在液內(nèi)聚力之間不能平衡，交界面下側(cè)的內(nèi)聚力力圖使自由面收縮，從而在交界面上形成張緊的分子膜。在兩種不相混合的液體之間的分界面上也會(huì)因同樣原因形成分子膜。所謂表面張力就是指這種分子膜中的拉力。顯然一種液體表面張力的大小與它和何種流體組成交界1-1中所列舉的表面張力數(shù)據(jù)都是指該液體同空氣組成交界面情況下取得的。表面張力σ方向與自由液面相切并與所取面元邊緣相垂直，σ的大小是指所取面元單位邊緣長(zhǎng)度上的拉力，故σ的量綱為MT，單位是牛/米(N/m)。表1-1給出了某些常見(jiàn)液體的表面張力值，都是在某個(gè)溫度下測(cè)量所得的數(shù)據(jù)。因?yàn)?2表面張力是液體分子間內(nèi)聚力不平衡造成的，溫度上升內(nèi)聚力將減小，故表面張力亦將減小。自然界中存在許多有表面張力作用的現(xiàn)象。如毛細(xì)現(xiàn)象，氣泡或液滴的生成以及液體射流的破壞現(xiàn)象等。毛細(xì)(管)現(xiàn)象在流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)所使用的測(cè)量?jī)x器中經(jīng)常遇到。在液體中插入一根豎直的細(xì)管，于是將產(chǎn)生管內(nèi)液體上升或下降的情況，稱為毛細(xì)現(xiàn)象，如圖1.2所示。如液體能夠浸濕內(nèi)管壁，管內(nèi)液面將上升h高度，波面呈凹形；反之如液體不能浸濕內(nèi)管壁，管內(nèi)液面將下降h高度，液面呈凸形。前者相當(dāng)于水在毛細(xì)玻璃管內(nèi)，后者相當(dāng)于汞在毛細(xì)玻璃管內(nèi)產(chǎn)生的毛細(xì)現(xiàn)象?！?5··16·流體力學(xué)圖1.2毛細(xì)現(xiàn)象示意圖毛細(xì)管內(nèi)液面上升或下降的高度h，與液體的表面張力、毛細(xì)管半徑、流體的重度等有關(guān)，可用下式計(jì)算得到：式中，γ——液體的重度；2σcosθγ?rh=r——毛細(xì)管的半徑；θ——接觸角。1.3非牛頓流體即使是當(dāng)做流體的物質(zhì)，在應(yīng)力作用