1、流体力学,第一章 绪论,人类的祖先在海洋里生活了40亿年,人类在空气中也生活了700万年，并且天天生活在流体环境中，但人们对流体及流体运动的感性认识却远远比不上对固体及固体运动的感性认识。1.高尔夫球:飞的远表面应光滑还是粗糙? 2.汽车:阻力主要来自前部还是后部? 3.机翼:飞机为什么能飞?,高尔夫球运动起源于15世纪的苏格兰,起初，人们认为表面光滑的球飞行阻力小，因此当时用皮革制球,6,最早的高尔夫球 （皮革已龟裂）,后来发现表面有很多划痕的旧球反而飞得更远。,这个谜直到20世纪建立流体力学边界层理论后才解开。,表面有凹坑的球,光滑的球,游泳运动中的鲨鱼皮能提高运动成绩，其机理就在于流体边
2、界层理论。,汽车发明于19世纪末,当时人们认为汽车高速前进时的阻力主要来自车前部对空气的撞击。,因此早期的汽车后部是陡峭的，称为箱型车，阻力系数CD很大，约0.8。,实际上，汽车空气阻力主要取决于后部形成的尾流 。,20世纪30年代起，人们开始运用流体力学原理，改进了汽车的尾部 形状，出现了甲壳虫型，阻力系数下降至0.6 。,5060年代又改进为船型，阻力系数为0.45,后来又出现楔型，阻力系数为0.2,90年代以后，科研人员研制开发了气动性能更优良的未来型汽车，阻力系数仅为0.137,飞机为什么能上天？,一直以来，人们的直观印象是空气从下面冲击着鸟的翅膀，把鸟托在空中,鸟为什么能在天空飞翔？
3、,19世纪初流体力学环流理论彻底改变了人们的传统观念,足球运动的香蕉球现象可以帮助理解环流理论,旋转的足球带动周围的空气形成环流，一侧气流加速，另一侧气流减速，在压差的作用下，使足球拐弯，称为“马格努斯”效应。,乒乓球中的“弧圈”球，也是基于相同的原理。,机翼的特殊形状使它不用旋转就能产生环流效果。当飞机起飞时，空气会分成两股气流分别流向机翼的上方和下方，此两股气流同时到达机翼尾部，上部流速较快，相对压力较低，下部流速较慢，相对压力较高，此压力差产生升力。,我们一起来做一个小实验。,正是由于流体力学的发展，为许多新技术的出现奠定了基础。3倍声速的战斗机。,F-15,使重量超过3百吨，面积达半个
4、足球场的大型民航客机，靠空气的支托象鸟一样飞行成为可能，创造了人类技术史上的奇迹 。,航速达30节，深潜达数百米的核动力潜艇,大型水利枢纽工程、超高层建筑、大跨度桥梁等的设计和建造离不开水力学和风工程。,具有高度智慧的人类揭开了流动的奥秘，建立了流体力学学科。,地球表面水和空气的运动是气象、水文、水利、环保、农业、航空、航海、渔业、国防等部门研究的对象。,航空、航天、造船、机械、动力、冶金、化工、石油、建筑等部门设备中的工作介质都是流体，改进流程，提高效率，需要流体力学知识。,本学科的发展历史,流体力学是在人类同自然界作斗争和在生产实践中逐步发展起来的。古时中国有大禹治水疏通江河的传说；秦朝李
5、冰父子带领劳动人民修建的都江堰，至今还在发挥着作用；大约与此同时，古罗马人建成了大规模的供水管道系统等等。,对流体力学学科的形成第一个作出贡献的是古希腊的阿基米德，他建立了包括浮力定律和浮体稳定性在内的液体平衡理论，奠定了流体静力学的基础；15世纪，意大利达芬奇的著作才谈到水波、管流、水力机械、鸟的飞翔原理等问题；17世纪，帕斯卡阐明了静止流体中压力的概念；,17世纪，力学奠基人牛顿研究了在流体中运动的物体所受到的阻力，他针对粘性流体运动时的内摩擦力也提出了牛顿粘性定律。之后，法国皮托发明了测量流速的皮托管；瑞士的欧拉采用了连续介质的概念，把静力学中压力的概念推广到运动流体中，建立了欧拉方程
6、；瑞士科学家伯努利从经典力学的能量守恒出发，研究供水管道中水的流动，精心地安排了实验并加以分析，得到了流体定常运动下的流速、压力、管道高程之间的关系伯努利方程。,欧拉方程和伯努利方程的建立，是流体动力学作为一个分支学科建立的标志，从此开始了用微分方程和实验测量进行流体运动定量研究的阶段。,1822年，纳维建立了粘性流体的基本运动方程；1845年，斯托克斯又以更合理的基础导出了这个方程，并将其所涉及的宏观力学基本概念论证得令人信服。这组方程就是沿用至今的纳维-斯托克斯方程(简称N-S方程)，它是流体动力学的理论基础。上面说到的欧拉方程正是N-S方程在粘度为零时的特例。,20世纪初，飞机的出现极大
7、地促进了空气动力学的发展。以儒科夫斯基、恰普雷金、普朗特等为代表的科学家，开创了以无粘不可压缩流体位势流理论为基础的机翼理论，阐明了机翼怎样会受到举力，从而空气能把很重的飞机托上天空。,20世纪40年代以后，由于喷气推进和火箭技术的应用，飞行器速度超过声速，进而实现了航天飞行，使气体高速流动的研究进展迅速，形成了气体动力学等分支学科。,以这些理论为基础，20世纪40年代，关于炸药或天然气等介质中发生的爆轰波又形成了新的理论，为研究原子弹、炸药等起爆后，激波在空气或水中的传播，发展了爆炸波理论。此后，流体力学又发展了许多分支，如高超声速空气动力学、超音速空气动力学、稀薄空气动力学、电磁流体力学、
8、计算流体力学、两相(气液或气固)流等等。,20世纪60年代，根据结构力学和固体力学的需要，出现了计算弹性力学问题的有限元法。经过十多年的发展，有限元分析这项新的计算方法又开始在流体力学中应用，尤其是在低速流和流体边界形状甚为复杂问题中，优越性更加显著。近年来又开始了用有限元方法研究高速流的问题，也出现了有限元方法和差分方法的互相渗透和融合。,流体力学,是研究流体(液体和气体)的力学运动规律及其应用的学科。,主要研究在各种力的作用下，流体本身的状态，以及流体和固体壁面、流体和流体间、流体与其他运动形态之间的相互作用力，以及流动过程中动量、能量和质量的传输规律等。,专业基础课,1、为后续专业课程的学习做铺垫2、为今后的工作（事业）做准备,课程性质,课程目的（Why）,课堂认真听讲 课后完成作业 平常观察生活,hoW,
