1、流體力學流體力學中國礦業大學中國礦業大學電力學院動力系電力學院動力系主講：周忠寧主講：周忠寧 副教授副教授Email:Tel考書參考書: :孔瓏主編,工程流體力學周光垌主編,流體力學(上下冊)鄒正龍等，流體力學習輔導與習題解答成績成績: :考試70，閉卷實驗：10平時成績和過程考核：20答疑：答疑：周五15:00-17:00,機電工程學院A3333工程流體力學工程流體力學緒論緒論固定邊界：管壁、固定邊界：管壁、河床、海洋平臺河床、海洋平臺等等運動邊界：飛運動邊界：飛機、船只等機、船只等研究內容研究內容流體在外力作用下，靜止與運動的規律；流體在外力作用下，靜止與運動的規

2、律；流體與流體與 邊界邊界 的相互作用。的相互作用。研究對象研究對象流體流體一、流體力學的研究對象一、流體力學的研究對象4理論分析理論分析: : 根據實際問題建立理論模型根據實際問題建立理論模型 涉及涉及微分體積法微分體積法 速度勢法速度勢法 保角變換法保角變換法 實驗研究方法實驗研究方法: : 根據實際問題利用相似理論建根據實際問題利用相似理論建立實驗模型立實驗模型 選擇流動介質選擇流動介質 設備包括風洞、水設備包括風洞、水槽、水洞、激波管、測試管系等槽、水洞、激波管、測試管系等數值計算方法數值計算方法 ：根據理論分析的方法建立數：根據理論分析的方法建立數學模型，選擇合適的計算方法，包括有限

3、差分學模型，選擇合適的計算方法，包括有限差分法、有限元法法、有限元法(ANSYS)(ANSYS)、有限體積法、有限體積法(Fluent)(Fluent)、特征線法、邊界元法等，利用商業軟件和自編特征線法、邊界元法等，利用商業軟件和自編程序計算，得出結果，用實驗方法加以驗證。程序計算，得出結果，用實驗方法加以驗證。流體力學流體力學緒論緒論研究方法研究方法5流體力學流體力學緒論緒論流體力學流體力學采礦采礦 水利水利航空航空航天航天交通土建交通土建 環境環境 氣象氣象 石油化工石油化工 機械冶金機械冶金 生物生物 空氣和水是地球上廣泛存在的物質，所以與流體運動關聯的力空氣和水是地球上廣泛存在的物質，

4、所以與流體運動關聯的力學問題是很普遍的。流體力學在許多學科和工程領域有著廣泛的學問題是很普遍的。流體力學在許多學科和工程領域有著廣泛的應用，對工科專業來講，其重要性不言而喻。應用，對工科專業來講，其重要性不言而喻。 與流體力學相關的工程領域和學科與流體力學相關的工程領域和學科6流體力學流體力學緒論緒論7流體力學的發展簡史流體力學的發展簡史流體力學在中國流體力學在中國大禹治水大禹治水 40004000多年前的大禹治水，說明我國古代已有大規模的治多年前的大禹治水，說明我國古代已有大規模的治河工程。河工程。 ( (公元前公元前256210256210年年) ) 秦代，在公元前秦代，在公元前256-2

5、56-前前210210年間便修建了都江堰、鄭國年間便修建了都江堰、鄭國渠、靈渠三大水利工程，說明當時對明槽水流和堰流流動規渠、靈渠三大水利工程，說明當時對明槽水流和堰流流動規律的認識已經達到相當水平。律的認識已經達到相當水平。龍首渠龍首渠（公元前（公元前156-156-前前8787） 西漢武帝時期，為引洛水灌溉農田，在黃土高原上修建了西漢武帝時期，為引洛水灌溉農田，在黃土高原上修建了龍首渠，創造性地采用了井渠法，即用豎井溝通長十余里的龍首渠，創造性地采用了井渠法，即用豎井溝通長十余里的穿山隧洞，有效地防止了黃土的塌方。穿山隧洞，有效地防止了黃土的塌方。8水利風力機械 在古代，以水為動力的簡單機

6、械也有了長足的發展，例如用水輪提水，或通過簡單的機械傳動去碾米、磨面等。東漢杜詩任南陽太守時（公元37年）曾創造水排水排（水力鼓風機），利用水力，通過傳動機械，使皮制鼓風囊連續開合，將空氣送入冶金爐，較西歐約早了一千一百年。流體力學的發展簡史流體力學的發展簡史流體力學在中國流體力學在中國9流體力學的發展簡史流體力學的發展簡史流體力學在中國流體力學在中國真州船閘真州船閘 北宋（北宋（960-1126960-1126）時期，在運河上修建的真州船閘與十四）時期，在運河上修建的真州船閘與十四世紀末荷蘭的同類船閘相比，約早三百多年。世紀末荷蘭的同類船閘相比，約早三百多年。潘季順潘季順明朝的水利家潘季順（

7、明朝的水利家潘季順（1521-15951521-1595）提出了）提出了“筑堤防溢，筑堤防溢，建壩減水，以堤束水，以水攻沙建壩減水，以堤束水，以水攻沙”和和“借清刷黃借清刷黃”的的治黃原則，并著有，并著有兩河管見兩河管見、兩河經略兩河經略和和河防一攬河防一攬。流 量清朝雍正年間，何夢瑤在清朝雍正年間，何夢瑤在算迪算迪一書中提出一書中提出流量等于過等于過水斷面面積乘以斷面平均流速的計算方法。水斷面面積乘以斷面平均流速的計算方法。10流體力學的發展簡史流體力學的發展簡史流體力學在中國流體力學在中國錢學森錢學森 （1911191120092009）浙江省杭州市人，）浙江省杭州市人， 他在火箭、導彈、

8、航天器的總體、動力、他在火箭、導彈、航天器的總體、動力、制導、氣動力、結構、材料、計算機、質制導、氣動力、結構、材料、計算機、質量控制和科技管理等領域的豐富知識，為量控制和科技管理等領域的豐富知識，為中國火箭導彈和航天事業的創建與發展作中國火箭導彈和航天事業的創建與發展作出了杰出的貢獻。出了杰出的貢獻。19571957年獲中國科學院年獲中國科學院自然科學一等獎，自然科學一等獎，19791979年獲美國加州理年獲美國加州理工學院杰出校友獎，工學院杰出校友獎，19851985年獲國家科技年獲國家科技進步獎特等獎。進步獎特等獎。19891989年獲小羅克維爾獎年獲小羅克維爾獎章和世界級科學與工程名人

9、稱號，章和世界級科學與工程名人稱號，19911991年被國務院、中央軍年被國務院、中央軍委授予委授予“國家杰出貢獻科學家國家杰出貢獻科學家”榮譽稱號和一級英模獎章。榮譽稱號和一級英模獎章。11流體力學的發展簡史流體力學的發展簡史流體力學在中國流體力學在中國周培源周培源（ 190219021993)1993)。 19021902年年8 8月月2828日出生，江蘇宜興人。理論日出生，江蘇宜興人。理論學家、流體力學家學家、流體力學家, ,主要從事物理學的基礎理主要從事物理學的基礎理論中難度最大的兩個方面即愛因斯坦廣義相對論中難度最大的兩個方面即愛因斯坦廣義相對論引力論和流體力學中的湍流理論的研究與教

10、論引力論和流體力學中的湍流理論的研究與教學并取得出色成果。學并取得出色成果。吳仲華吳仲華（Wu Zhonghua）在1952年發表的在軸流式、 徑流式和混流式亞聲速和超聲速葉輪機械中的三元流普遍理論和在1975年發表的使用非正交曲線坐標的葉輪機械三元流動的基本方程及其解法兩篇論文中所建立的葉輪機械三元流理論，至今仍是國內外許多優良葉輪機械設計計算的主要依據。12流體力學的發展簡史流體力學的發展簡史流體力學在西方流體力學在西方阿基米德阿基米德（Archimedes，公元前，公元前287212）西方諸國歷史上有記載的最西方諸國歷史上有記載的最早從事流體力學現象研究的是古早從事流體力學現象研究的是古

11、希臘學者阿基米德在公元前希臘學者阿基米德在公元前250年發表學術論文年發表學術論文論浮體論浮體，第，第一個闡明了相對密度的概念，發一個闡明了相對密度的概念，發現了物體在流體中所受浮力的基現了物體在流體中所受浮力的基本原理本原理阿基米德原理。阿基米德原理。 13流體力學的發展簡史流體力學的發展簡史流體力學在西方流體力學在西方列列奧納德.達.芬奇（Leonardo.da.Vinci,14521519） 著名物理學家和藝術家著名物理學家和藝術家 設計建造了一小型水設計建造了一小型水渠，系統地研究了物體的沉浮、孔口出流、物渠，系統地研究了物體的沉浮、孔口出流、物體的運動阻力以及管道、明渠中水流等問題。

12、體的運動阻力以及管道、明渠中水流等問題。 列列奧納德.達.芬奇（Leonardo.da.Vinci,14521519） 著名物理學家和藝術家著名物理學家和藝術家 設計建造了一小型水設計建造了一小型水渠，系統地研究了物體的沉浮、孔口出流、物渠，系統地研究了物體的沉浮、孔口出流、物體的運動阻力以及管道、明渠中水流等問題。體的運動阻力以及管道、明渠中水流等問題。 帕斯卡（B.Pascal,1623-1662） 提出了密閉流體能傳遞壓強的原理提出了密閉流體能傳遞壓強的原理-帕斯卡帕斯卡原理。原理。14流體力學的發展簡史流體力學的發展簡史流體力學在西方流體力學在西方牛 頓 是英國偉大的數學家、物理學家、

13、天文學是英國偉大的數學家、物理學家、天文學家和自然哲學家。家和自然哲學家。1642年年12月月25日生于英格日生于英格蘭林肯郡格蘭瑟姆附近的沃蘭林肯郡格蘭瑟姆附近的沃 爾索普村，爾索普村，1727年年3月月20日在倫敦病逝。牛頓在科學上最日在倫敦病逝。牛頓在科學上最卓越的貢獻是微積分和經典力學的創建。卓越的貢獻是微積分和經典力學的創建。牛頓的成就，恩格斯中概括得最為完整：牛牛頓的成就，恩格斯中概括得最為完整：牛頓由于發明了萬有引力定律而創立了科學的天文學，由于進行頓由于發明了萬有引力定律而創立了科學的天文學，由于進行了光的分解而創立了科學的光學，由于創立了二項式定理和無了光的分解而創立了科學的

14、光學，由于創立了二項式定理和無限理論而創立了科學的數學，由于認識了力的本性而創立了科限理論而創立了科學的數學，由于認識了力的本性而創立了科學的力學學的力學。15伯努利（D.Bernoulli，17001782）瑞士科學家瑞士科學家 在在1738年出版的名著年出版的名著流體動力學流體動力學中，建立了中，建立了流體位勢能、壓強勢能和動流體位勢能、壓強勢能和動能之間的能量轉換關系能之間的能量轉換關系伯伯努利方程。努利方程。流體力學的發展簡史流體力學的發展簡史流體力學在西方流體力學在西方16流體力學的發展簡史流體力學的發展簡史流體力學在西方流體力學在西方歐 拉（L.Euler，17071783） 是經

15、典流體力學的奠基是經典流體力學的奠基人，人，1755年發表年發表流體運動的流體運動的一般原理一般原理，提出了流體的連，提出了流體的連續介質模型，建立了連續性微續介質模型，建立了連續性微分方程和理想流體的運動微分分方程和理想流體的運動微分方程，給出了不可壓縮理想流方程，給出了不可壓縮理想流體運動的一般解析方法。他提體運動的一般解析方法。他提出了研究流體運動的兩種不同出了研究流體運動的兩種不同方法及速度勢的概念，并論證方法及速度勢的概念，并論證了速度勢應當滿足的運動條件了速度勢應當滿足的運動條件和方程。和方程。17流體力學的發展簡史流體力學的發展簡史流體力學在西方流體力學在西方達朗伯（J.le R

16、.dAlembert,17171783） 1744年提出了達朗伯疑題（又稱達朗伯佯謬），即在理年提出了達朗伯疑題（又稱達朗伯佯謬），即在理想流體中運動的物體既沒有升力也沒有阻力。從反面說明了想流體中運動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。理想流體假定的局限性。拉格朗日（J.-L.Lagrange,17361813） 提出了新的流體動力學微分方提出了新的流體動力學微分方程，使流體動力學的解析方法有了程，使流體動力學的解析方法有了進一步發展。嚴格地論證了速度勢進一步發展。嚴格地論證了速度勢的存在，并提出了流函數的概念，的存在，并提出了流函數的概念，為應用復變函數去解析流體

17、定常的為應用復變函數去解析流體定常的和非定常的平面無旋運動開辟了道和非定常的平面無旋運動開辟了道路。路。18流體力學的發展簡史流體力學的發展簡史流體力學在西方流體力學在西方弗勞德（W.Froude，1810-1879）對船舶阻力和搖擺的研究）對船舶阻力和搖擺的研究頗有貢獻，他提出了船模試驗的相似準則數頗有貢獻，他提出了船模試驗的相似準則數-弗勞德數，建立弗勞德數，建立了現代船模試驗技術的基礎。了現代船模試驗技術的基礎。亥姆霍茲（H.von Helmholtz,1821-1894）和基爾霍夫）和基爾霍夫（G.R.Kirchhoff,1824-1887）對旋渦運動和分離流動進行了）對旋渦運動和分離

18、流動進行了大量的理論分析和實驗研究，提出了表征旋渦基本性質的旋大量的理論分析和實驗研究，提出了表征旋渦基本性質的旋渦定理、帶射流的物體繞流阻力等學術成就。渦定理、帶射流的物體繞流阻力等學術成就。(萬能博士萬能博士)19流體力學的發展簡史流體力學的發展簡史流體力學在西方流體力學在西方納維納維（C.-L.-M.-H.Navier）首先提出了不可壓縮粘性流體的）首先提出了不可壓縮粘性流體的運動微分方程組。運動微分方程組。斯托克斯斯托克斯（G.G.Stokes）嚴格地導出了這）嚴格地導出了這些方程，并把流體質點的運動分解為平動、轉動、均勻膨脹些方程，并把流體質點的運動分解為平動、轉動、均勻膨脹或壓縮及

19、由剪切所引起的變形運動。后來引用時，便統稱該或壓縮及由剪切所引起的變形運動。后來引用時，便統稱該方程為納維方程為納維-斯托克斯方程。斯托克斯方程。納維（L.Navier，17851836，法國）斯托克斯（G.Stokes，18191903，英國）20流體力學的發展簡史流體力學的發展簡史流體力學在西方流體力學在西方謝 才（A.de Chzy法國法國 ）在）在1755年便總結出明渠均勻流公式年便總結出明渠均勻流公式-謝才公式，一直沿用至今。謝才公式，一直沿用至今。雷 諾（O.Reynolds，1842-1912）1883年用實驗證實了粘性流體的年用實驗證實了粘性流體的兩種流動狀態兩種流動狀態層流和

20、紊流的客層流和紊流的客觀存在，找到了實驗研究粘性流觀存在，找到了實驗研究粘性流體流動規律的相似準則數體流動規律的相似準則數雷諾雷諾數，以及判別層流和紊流的臨界數，以及判別層流和紊流的臨界雷諾數，為流動阻力的研究奠定雷諾數，為流動阻力的研究奠定了基礎。了基礎。21流體力學的發展簡史流體力學的發展簡史流體力學在西方流體力學在西方瑞 利（L.J.W.Reyleigh，1842-1919英國）在相似原理的基礎英國）在相似原理的基礎上，提出了實驗研究的量綱分析法中的一種方法上，提出了實驗研究的量綱分析法中的一種方法-瑞利法。瑞利法。庫 塔（M.W.KuttaM.W.Kutta，1867186719441

21、944）19021902年就曾提出過繞流物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表。體上的升力理論，但沒有在通行的刊物上發表。儒科夫斯基（.,1847.,184719211921）從）從19061906年起，發表了年起，發表了論依附渦流論依附渦流等論文，找到了翼型升力等論文，找到了翼型升力和繞翼型的環流之間的關系，建立了二維升力理論的數學基和繞翼型的環流之間的關系，建立了二維升力理論的數學基礎。他還研究過螺旋槳的渦流理論以及低速翼型和螺旋槳槳礎。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，對空氣動力學的理論和實驗研究葉剖面等。他的研究成果，對空氣動

22、力學的理論和實驗研究都有重要貢獻，為近代高效能飛機設計奠定了基礎。都有重要貢獻，為近代高效能飛機設計奠定了基礎。22流體力學的發展簡史流體力學的發展簡史流體力學在西方流體力學在西方普朗特（L.Prandtl，18751953） 建立了邊界層理論，解釋了阻力產生的機制。建立了邊界層理論，解釋了阻力產生的機制。以后又針對航空技術和其他工程技術中出現的以后又針對航空技術和其他工程技術中出現的紊流邊界層，提出混合長度理論。紊流邊界層，提出混合長度理論。1918-1919年間，論述了大展弦比的有限翼展機翼理論，年間，論述了大展弦比的有限翼展機翼理論，對現代航空工業的發展作出了重要的貢獻。對現代航空工業的

23、發展作出了重要的貢獻?？?門（T.von Krmn，1881-1963）在）在1911-1912年連續發表的論文中，提出了分析帶旋渦年連續發表的論文中，提出了分析帶旋渦尾流及其所產生的阻力的理論，人們稱這種尾尾流及其所產生的阻力的理論，人們稱這種尾渦的排列為渦的排列為卡門渦街。在。在1930年年的論文中，提的論文中，提出了計算紊流粗糙管阻力系數的理論公式。嗣出了計算紊流粗糙管阻力系數的理論公式。嗣后，在紊流邊界層理論、超聲速空氣動力學、后，在紊流邊界層理論、超聲速空氣動力學、火箭及噴氣技術等方面都有不少貢獻火箭及噴氣技術等方面都有不少貢獻23流體力學的發展簡史流體力學的發展簡史流體力學在西方流體力學在西方布拉休斯布拉休斯（H.Blasius）在）在1913年發表的論文中，提出了計算紊年發表的論文中，提出了計算紊流光滑管阻力系數的經驗公式。流光滑管阻力系數的經驗公式。伯金漢伯金漢（E.Buckingham）在）在1914年發表的年發表的在物理的相似系統在物理的相似系統中量綱方