流體力學

FluidMechanics1任課教師：羅冰Email：510120206@新學期，新使命！2課堂說明○不遲到，不早退，不逃課（特殊情況）；○鳥語花香，悅耳鈴聲；○前排就坐；○隨時提問，積極回答；上課時間和地點

周三第一講C-218；周三第四講D-121；周五第一講D-225；

本課程的有關說明：1、對上課的要求2、對作業的要求3、教材和參考書4、考核要求1、考試形式：閉卷2、作業10％、出勤20％、考試成績70％。1、不遲到2、不講話3、有事請假1、保質保量，獨立完成。2、已知、求、解（Given、Find、Solution）。3、圖形必須用直尺繪制。4、必須對結果作分析以及單位驗算。教材:《流體力學》蔡增基參考書：《流體力學泵與風機》屠大燕任何考試后的舉動都是徒勞的！

100不代表什么，但59代表一切！其他說明：學習流體力學，要注重對基本原理、基本概念和基本方法的理解和掌握，沒有什么捷徑可走，只有多聽、多學、多練。

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流體力學是一門重要的專業基礎課程，它是連接前期基礎課程和后續專業課程的橋梁。課程的學習將有利于數理、力學基礎知識的鞏固與提高，培養分析、解決實際問題的能力，為專業課程的學習打下堅實基礎。數理、力學基礎建筑環境專業基礎有關專業課程無時不在的流體力學人類的祖先在海洋里生活了40億年。6無時不在的流體力學人類在空氣里生活了700萬年。7流體力學現象?你想知道高爾夫球飛得遠應表面光滑還是粗糙嗎？?你想知道汽車阻力來至前部還是尾部嗎？?你想知道機翼升力來至下部還是上部嗎？?你想知道同一容器上同高同徑孔口和管嘴泄流誰的流速大誰的流量大嗎？

………————請學習流體力學8熟雞蛋放瓶子里視頻9視頻CASE1死水效應-發現過程1893年的一天，“弗拉姆”號考察船正穿行在北冰洋巨大的白色冰山之中，由于沒有風，四周一片寂靜，只有當船只駛過時，平滑的海面才泛起道道漣漪。船長弗里德約夫·南森正準備向北極點接近，尋找傳說中的“北極陸地”。突然考察船似乎遇到了阻礙，速度明顯慢了下來。船員們并沒有偷懶，船也沒有撞上冰山或浮冰，也沒有遭遇到逆風，船就這樣神秘地減速了。10接下來，南森還發現，他的船似乎被一種神秘的力量控制了，這種力量有時讓船無法轉向，有時會讓船自動拐彎，在海面上劃出一個大圓圈回到起點。在神秘力量的干擾下，考察船的航行速度比正常速度慢了1/4。許多船員對此感到非常恐懼，以為他們的航行驚動了北極地區神秘的水怪。好在這種力量似乎并不想讓考察隊永遠地留在冰冷的海面，考察船還是能夠克服神秘力量緩慢前行。過了一陣，當逃離那片古怪的水域后，船只的航行速度又正常了。11死水效應-形成原因研究顯示，當一個水域是由2或3層鹽度或密度不同的水層構成時，就會出現死水現象。例如，冰川融化產生的淡水在密度更大的海水上面形成相對較薄的一層。海水深處形成的波浪可放慢船的速度，這一過程肉眼很難覺察到。現在，法國科學家通過在實驗室水槽內重新再現那個特定場景，已經發現這種現象的新細節，他們甚至把這種效應拍成了錄像。這項研究將有助于科學家更好地了解死水和分層海洋區域的行為。視頻12“奧林匹克號”與“豪克號”相撞事故—“船吸”1912年秋季的某一天,當時世界上最大的遠洋輪船——“奧林匹克號”正航行在大海上,在離“奧林匹克號”100m的地方,有一比它小得多的鐵甲巡洋艦“豪克號”與它平行疾駛著,這時卻發生了一件意外的事情:小船好像被大船吸過去似的,完全失控,一個勁地向“奧林匹克號”沖去，最后,“豪克號”的船撞在“奧林匹克號”的船舷上,把“奧林匹克“號撞了個大洞。是什么原因造成這次事故呢?13“奧林匹克號”與“豪克號”相撞事故—“船吸”船吸現象：

當兩船并行時，因兩船間水的流速加快，壓力降低，外舷的流速慢，水壓力相對較高，左右舷形成壓力差，推動船舶互相靠攏。另外，航行船舶的首尾高壓區及船中部的低壓區，也會引起并行船舶的靠攏和偏轉，這些現象統稱為船吸。

在船舶追越過程中，若兩船長度相似且并行橫距較小時，則易產生船吸現象而碰撞。當小船追越大船時，因大船首尾部為高壓區，中部為低壓區，易造成小船沖向大船中部，造成碰撞事故。所以，在兩船并行航行的追越中，被追越船應降低航速，追越船在追越中應加大橫距，以防止碰撞。“奧林匹克號”與“豪克號”相撞事故示意圖15音障—超音速飛行1617181920音障的歷史40年代中期，當一些飛機試圖接近或超過音速時，突然像撞到一堵墻上似的，阻力陡增，升力突變，操縱失靈，機體抖振，甚至發生過飛機空中解體、機毀人亡的事。上述問題的出現，給人的印象是，飛機的速度要想達到或超過音速，所需的推力會大得不得了，且由于升力和力矩系數的激變，飛機也很難駕駛了。有的設計師甚至認為，對于飛機來說，音速是個難以愈越的障礙，于是便提出了“音障”的概念。1947年10月14日，美國試飛員耶格爾上尉駕駛著x—l研究機，在12800米的高空，首次突破“音障”，當時，該機的飛行速度達到了音速的1.013倍。從此，人類實現了超音速飛行，“音障”也成為了一個過時的舊詞。21音障是一種物理現象，當物體（通常是航空器）的速度接近音速時，將會逐漸追上自己發出的聲波。聲波疊合累積的結果，會造成震波（ShockWave）的產生，進而對飛行器的加速產生障礙，而這種因為音速造成提升速度的障礙稱為音障。

視頻原因音障是一種物理現象，當物體（通常是航空器）的速度接近音速時，將會逐漸追上自己發出的聲波。聲波疊合累積的結果，會造成震波的產生，進而對飛行器的加速產生障礙。突破并進入超音速后，從航空器最前端起會產生一股圓錐形的音錐，在旁觀者聽來這股震波有如爆炸一般，故稱為音爆或聲爆。強烈的音爆不僅會對地面建筑物產生損害，對于飛行器本身伸出沖擊面之外部分也會產生破壞。22原因當飛行器突破這一障礙后，整個世界都安靜了，一切聲音全被拋在了身后！由于在物體的速度快要接近音速時，周邊的空氣受到聲波疊合而呈現非常高壓的狀態，因此一旦物體穿越音障后，周圍壓力將會陡降。在比較潮濕的天氣，有時陡降的壓力所造成的瞬間低溫可能會讓氣溫低于它的露點溫度，使得水汽凝結變成微小的水珠，肉眼看來就像是云霧般的狀態。但由于這個低壓帶會隨著空氣離機身的距離增加而恢復到常壓，因此整體看來形狀像是一個以物體為中心軸、向四周均勻擴散的圓錐狀云團。23汽車阻力：來自前部還是后部？

汽車發明于19世紀末，當時人們認為汽車的阻力主要來自前部對空氣的撞擊，因此早期的汽車后部是陡峭的，稱為箱型車，阻力系數（CD）很大，約為0.8。汽車阻力：來自前部還是后部？

實際上汽車阻力主要來自后部形成的尾流，稱為形狀阻力。20世紀30年代起，人們開始運用流體力學原理改進汽車尾部形狀，出現甲殼蟲型，阻力系數降至0.6。汽車阻力：來自前部還是后部？26高爾夫球表面為什么有很多小凹坑？最早的高爾夫球現在的高爾夫球27高爾夫球表面為什么有很多小凹坑？一顆高速飛行的高爾夫球，其前方會有一高壓區。空氣流經球的前緣再流到后方時會與球體分離。同時，球的后方會有一個紊流尾流區，在此區域氣流起伏擾動，導致后方的壓力較低。尾流的范圍會影響阻力的大小。通常說來，尾流范圍越小，球體后方的壓力就越大，空氣對球的阻力就越小。小凹坑可使空氣形成一層緊貼球表面的薄薄的紊流邊界層，使得平滑的氣流順著球形多往后走一些，從而減小尾流的范圍。因此，有凹坑的球所受的阻力大約只有平滑圓球的一半。28高爾夫球表面為什么有很多小凹坑？小凹坑也會影響高爾夫球的升力。一個表面不平滑的回旋球，會像飛機機翼般偏折氣流以產生升力。球的自旋可使球下方的氣壓比上方高，這種不平衡可以產生往上的推力。高爾夫球的自旋大約提供了一半的升力。另外一半則是來自小凹坑，它可以提供最佳的升力。大多數的高爾夫球有300～500個小凹坑，每個坑的平均深度約為0.025厘米。阻力及升力對凹坑的深度很敏感：即使只有0.0025厘米這么小的差異，也可以對軌跡和飛行距離造成很大的影響。小凹坑通常是圓形的，但其他的形狀也可以有極佳的空氣動力性能，例如某些公司生產的高爾夫球采用的是六角形.29兩張紙中間吹氣會有啥效果？30兩張紙中間吹氣會有啥效果？對著兩張紙的中間吹氣，兩張紙中間的空氣流速變大，壓強變小，小于紙外側的大氣壓，產生了一個向內的壓強差，將紙壓向中間．故答案為：相互靠近；兩紙間的空氣流速快，壓強小，兩邊的大氣壓將兩紙向中間壓．3198年的香蕉球32流體力學在中國禹采用了“治水須順水性，水性就下，導之入海。高處就鑿通，低處就疏導”的治水思想。根據輕重緩急，定了一個治的順序，先從首都附近地區開始，再擴展到其它各地。33流體力學在中國34流體力學在中國錢學森

錢學森（1911－2009）浙江省杭州市人，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出了杰出的貢獻。1957年獲中國科學院自然科學一等獎，1979年獲美國加州理工學院杰出校友獎，1985年獲國家科技進步獎特等獎。1989年獲小羅克維爾獎章和世界級科學與工程名人稱號，1991年被國務院、中央軍委授予“國家杰出貢獻科學家”榮譽稱號和一級英模獎章。35流體力學的西方史阿基米德（Archimedes，公元前287－212）歐美諸國歷史上有記載的最早從事流體力學現象研究的是古希臘學者阿基米德在公元前250年發表學術論文《論浮體》，第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本原理──阿基米德原理。

36流體力學的西方史列奧納德.達.芬奇（Leonardo.da.Vinci,1452－1519）著名物理學家和藝術家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、物體的運動阻力以及管道、明渠中水流等問題。

斯蒂文（S.Stevin,1548-1620）將用于研究固體平衡的凝結原理轉用到流體上。

伽利略（Galileo,1564-1642）在流體靜力學中應用了虛位移原理，并首先提出，運動物體的阻力隨著流體介質密度的增大和速度的提高而增大。

托里析利（E.Torricelli,1608-1647）論證了孔口出流的基本規律。

37流體力學的西方史帕斯卡（B.Pascal,1623-1662）提出了密閉流體能傳遞壓強的原理--帕斯卡原理。牛頓

是英國偉大的數學家、物理學家、天文學家和自然哲學家。1642年12月25日生于英格蘭林肯郡格蘭瑟姆附近的沃爾索普村，1727年3月20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。牛頓的成就，恩格斯在《英國狀況十八世紀》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"。38流體力學的西方史伯努利（D.Bernoulli，1700－1782）瑞士科學家

在1738年出版的名著《流體動力學》中，建立了流體位勢能、壓強勢能和動能之間的能量轉換關系──伯努利方程。在此歷史階段，諸學者的工作奠定了流體靜力學的基礎，促進了流體動力學的發展。

39流體力學的西方史

歐拉（L.Euler，1707－1783）是經典流體力學的奠基人，1755年發表《流體運動的一般原理》，提出了流體的連續介質模型，建立了連續性微分方程和理想流體的運動微分方程，給出了不可壓縮理想流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和方程。40流體力學的西方史達朗伯（J.leR.d‘Alembert,1717－1783）

1744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。從反面說明了理想流體假定的局限性。

拉格朗日（J.-L.Lagrange,1736－1813）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，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路。41流體力學的西方史納維（C.-L.-M.-H.Navier）首先提出了不可壓縮粘性流體的運動微分方程組。斯托克斯（G.G.Stokes）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-斯托克斯方程。納維（L.Navier，1785－1836，法國）斯托克斯（G.Stokes，1819－1903，英國））42流體力學的西方史雷諾（O.Reynolds，1842-1912）1883年用實驗證實了粘性流體的兩種流動狀態──層流和紊流的客觀存在，找到了實驗研究粘性流體流動規律的相似準則數──雷諾數，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了基礎。43流體力學土建水利航空航天交通運輸

環境

氣象

石油化工

機械冶金

生物

流體是人類生活和生產中經常遇到的物質形式，因此許多科學技術部門都和流體力學有關；事實上，目前很難找到與流體力學無關的專業和學科。

給水排水、供熱通風、供燃氣、采暖、以及空氣調節中，時時刻刻都離不開流體，都是以流體作為工作介質，通過流體的各種物理作用，對流體的流動有效地加以組織來實現的。能源流體力學在實際工程中的應用節能型建筑水庫大壩水電站45流體力學在實際工程中的應用電廠冷卻塔污水凈化設備模型環境46土木建筑

流體力學在實際工程中的應用楊浦大橋南浦大橋47航空航天航海流體力學在實際工程中的應用船舶運動航空航天48交通運輸流體力學在實際工程中的應用蒸汽機車貨運汽車海上運輸船49石油開采

流體力學在實際工程中的應用海底鉆井平臺

路上石油開采

50仿生學流體力學在實際工程中的應用51認識、規律自然現象；生活現象；工程現象；解釋物理-化學流體動力學；磁流體力學；生物流變學等；未來流體力學的發展方向53引言

(INTRODUCTION)流體力學：宏觀力學。FluidMechanics,FluidHydrodynamics，Hydrodynamics研究對象：√牛頓流體

液體——無形狀，有一定的體積；不易壓縮，存在自由（液）面。

非牛頓流體（泥漿、污水、油漆、高分子溶液等）

氣體——既無形狀，也無體積，易于壓縮。流體：生、動……研究任務：研究流體所遵循的宏觀運動規律（流體流動形式中的速度分布、壓力分布、能量損失、流體平衡的條件）以及流體和周圍物體之間的相互作用，及其在工程技術中的應用。流體靜力學：研究流體的平衡規律。流體動力學：研究流體的運動規律（3種流動形式）。一是有壓管流，如流體在管道中的流動；