1、工程流体力学概 述动力与能源工程学院工程流体力学Engineering Fluid Mechanics概 述流体力学 （ Fluid Mechanics）力学 的一个分支。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。工程流体力学即流体力学应用于工程领域。从流体作用力的角度，流体力学可分为流体静力学 ；流体运动学 ；流体动力学 。从对不同 “力学模型 ”的研究来分，则 有理想流体动力学；粘性流体动力学；不可压缩流体动力学；可压缩流体动力学；非牛顿流体力学 等。概 述2HEUJ&F工程流体力学Engineering Fluid
2、Mechanics流体力学简史古希腊 的阿基米德 （ Archimedes,287?B.C.212B.C.，古希腊数学家、物理学家、发明家） 建立了包括物体浮力定理和浮体稳定性的液体平衡理论，奠定了流体静力学的基础。17世纪牛顿 （ Sir Isaac Newton,1642.12.251727.3.20，英国数学家、物理学家、天文学家和自然哲学家） 研究了运动物体在流体中受到的阻力，得到阻力与流体密度、物体迎流截面积和运动速度的平方成正比的关系。他还提出粘性流体运动时的内摩擦力公式，即牛顿粘性定律。概 述3HEUJ&F阿基米德 牛顿工程流体力学Engineering Fluid Mechan
3、ics18世纪伯努利 （ Daniel Bernoulli,1700.2.81782.3.17，瑞士物理学家、数学家、医学家 )建立了联系压力、高度和流速的伯努利方程。皮托 （ Henri Pitot,1695.5.31771.12.27，法国数学家、水利工程师、发明家） 发明了测量流速的皮托管。欧拉 （ Leonhard Euler,1707.4.151783.9.18，瑞士数学家和物理学家） 在忽略流体粘性的假设下，建立了描述理想流体运动的基本方程，即欧拉方程。拉格朗日 （ Joseph Louis Lagrange,1736.1.251813.4.10，法国数学家、物理学家 ） 对无旋运
4、动，而后亥姆霍兹 （ Hermannvon Helmholtz,1821.10.311894.9.8，德国物理学家、生理学家、生物物理学家 ） 对旋涡运动作了不少研究。概 述4HEUJ&F伯努利 欧拉 拉格朗日工程流体力学Engineering Fluid Mechanics19世纪纳维 （ Claude-Louis-Marie-Henri Navier,1785.2.101836.8.21，法国力学家、工程师 ） 和斯托克斯 （George Gabriel stokes,1819.8.131903.2.1，英国力学家、数学家 ） 分别建立了描述粘性流体运动的基本方程，即纳维 -斯托克斯方程，
5、它是流体动力学的理论基础。与流体动力学平行发展的是 水力学 。概 述5HEUJ&F纳维 斯托克斯工程流体力学Engineering Fluid Mechanics20世纪1904年普朗特 （ Ludwig Prandtl,1875.2.41953.8.15，德国力学家、近代航空流体力学的奠基人 )创立边界层 理论，它既明确了理想流体的适用范围，又能计算在流体中运动的物体所受到的摩擦阻力。20世纪初，飞机的出现促进 空气动力学 的发展。40年后，由于喷气推进和火箭技术的应用，使气 体高速流动的研究进展迅速，形成了 气体动力学 。从 20世纪 50年代起，电子计算机不断完善，使原来用分析方法难以进
6、行研究的课题，可用数值计算方法进行，出现了 计算流体力学 新分支。与其同时，由于民用和军用生产的需要， 水动力学 等学科也有很大进展。从 20世纪 60年代起，流体力学和其他学科逐渐互相交叉渗透，形成一些新的交叉学科，如 物理 -化学流体力学 、 磁流体力学 等；原来基本上只是定性描述的问题逐步得到定量研究， 生物流变学 就是一个例子。概 述6HEUJ&F普朗特工程流体力学Engineering Fluid Mechanics流体力学研究内容 从研究对象划分，它主要有以下分支学科：地球流体力学： 研究大气、海水以及地球深处熔浆的运动。水力学和水动力学： 研究水在海洋、江河、渠道、管道和水力机械
7、中的运动，船舶运动和阻力，高速水流中的空化，等等。空气动力学： 研究空气的特性（如粘性、压缩性、扩散和波动特性等），飞行器的气动力特性和气动加热现象，飞行器外形设计等。环境流体力学和工业流体力学： 研究大气污染 、建筑物的风载风振问题、风能利用、沙漠迁移、河流泥沙运动、液力和气力输送，等等。生物流体力学： 研究人和其他生物体内的流体运动规律。其他还有 渗流力学 、 磁流体力学 、 物理 -化学流体力学 、 爆炸力学 等。概 述HEUJ&F 7工程流体力学Engineering Fluid Mechanics流体力学研究方法 流体力学的研究方法有现场观测、实验室模拟、理论分析和数值计算，它们是相
8、辅相成的。现场观测 利用仪器对流动现象进行实际全尺寸观测。实验室模拟由于现场流动现象的发生不能人为控制，且要花费大量资金和人力，因此人们建立实验室，使流动现象能在控制条件下出现，以便于观察和研究。要使实验数据与现场观测结果相符，必须满足流动相似律。理论分析根据流体运动的普遍规律如质量守恒、动量守恒、能量守恒等，利用数学分析手段研究流体运动规律。数值计算利用电子计算机求解复杂的流体力学基本方程组，它可部分或全部代替某些实验，因此发展很快。概 述8HEUJ&F工程流体力学Engineering Fluid Mechanics流 体Fluid流体是液体和气体的总称。水和空气是两种最常见的流体。静止流
9、体内部任意质点，其表面只承受沿内法线方向的应力，即压力，不承受剪应力。流体无论受到多么小的剪应力，都会连续地发生剪切变形，因而流体具有流动性，很容易改变形状。外力只影响变形速率的大小，而不能确定变形量。流体具有压缩性，其密度随压力增加而增大。流体密度也会因温度升高而减小，称为热胀性，即热胀冷缩。液体的压缩性可用体积压缩系数表示，即式中 dp为压力增量， d/为密度变化率，其意义是单位压力增量所引起的密度变化率。体积压缩系数的倒数为弹性模量 E，表示增加单位密度变化率所需要的压力增量。流 体9HEUJ&F 返回工程流体力学Engineering Fluid Mechanics液体的弹性模量一般很
10、大，如在 15 和标准大气压下，水的E值为 2.15109Pa，欲使水密度增加 1，需施加约 210个标准大气压，可见液体是不易被压缩的。弹性模量随温度和压力增大而增大。气体具有明显的压缩性。完全气体密度、压力和温度之间的关系由状态方程 p RT确定。式中 p、 、 T分别为压力、密度、温度、 R为气体常量，与气体种类有关，空气的 R 287 kJ/kgm3。气体密度随压力的变化关系与过程有关，如等熵过程E p，等温过程 E p等。气体的密度很容易随压力和温度而变化。根据压力和密度的关系，流体可区分为正压流体和斜压流体。若流体压力只是密度的函数，即存在函数 p p()，为正压流体；若压力不仅是密度而且也是其他热力学参数的函数，则为斜压流体。流体都具有粘性。在同样的剪切力作用下，不同流体的变形速率不同，即表现出粘性不同。粘性是流体的一种属性，粘性大小可由 粘度 度量。当相邻两流体层具有相对速度时，粘性就表现内摩擦的作用，产生抵抗相对运动的相互作用力。流 体10HEUJ&F 返回
