第1章_绪论_流体力学

早期的流体力学
• 达朗贝尔（D‘Alembert Jean Le Rond ）
– 法国著名的物理学家、数学家 和天文学家；
– 十八世纪为牛顿力学体系的建 立作出卓越贡献的科学家之一 ；
– 提出了波动方程；
– 第一次提出了流体速度和加速 度分量的概念。
D‘Alembert (1717-1783)
早期的流体力学
什么是流体力学？
力学
流体力学
流体的宏观平衡 流体的运动规律
流体静力学
流体动力学
基础知识
高等数学，大学物理，理论力学
什么是流体力学？
流体力学——是力学的一个独立分支，主要研究 流体本身的静止状态和运动状态，以及流体和固 体界壁间有相对运动时的相互作用和流动的规律 。
1738年伯努利出版他的专著时，首先采用了水 动力学这个名词并作为书名；1880年前后出现了 空气动力学这个名词；1935年以后，人们概括了 这两方面的知识，建立了统一的体系，统称为流 体力学。
静压 + 动压
= 总压 = 常数
(Static pressure) (Dynamic pressure) (Total pressure) (Constant)
p
1 v2
2
pT
• 流速高处压力低，流速低处压力高。
早期的流体力学
–伯努利方程的应用
机翼升力原理
早期的流体力学
足球场上著名的“贝氏弧线”
研究内容：研究得最多的流体是水和空气。
早期的流体力学
• 牛顿（Isaac Newton，1642-1727） –英国伟大的数学家、物理学家、 天文学家和自然哲学家。
–牛顿在科学上最卓越的贡献是微 积分和经典力学的创建。
–得到阻力与流体密度、物体迎流 截面积以及运动速度的平方成正 比的关系。
–提出了“牛顿粘性定律”；
二十世纪的流体力学
我国流体力学研究做出奠基工作的陆士嘉教授也曾 是普朗特的学生。
陆士嘉教授（1911-1986） ❖北京航空学院的筹建者之一； ❖中国第一个空气动力学专业奠基者。
陆士嘉（1911-1986）
二十世纪的流体力学
❖ 20世纪上半叶的哥廷根大学——物理学领域的“麦加”
在20世纪上半叶创造了“哥廷根诺贝尔奇迹”；
哥廷根大学
二十世纪的流体力学
❖ 2. 美国的崛起 冯·卡门（ T.von Kármán， 1881-1963），匈牙利犹太人。 提出“卡门涡街”理论、建立 “湍流”概念； 我国著名科学家钱学森博士的导 师； “全世界闻名的工程力学和航空 技术权威” ；
Bernoulli (1700-1782)
《流体动力学》 (Hydrodynamica) (1738年出版)
早期的流体力学
– 伯努利血压测量方法 • 优点：血压测量准确； • 缺点：给病人带来痛苦；
这种测量血压的方法，在伯努利之 后仍然应用了达170年之久。
伯努利发明的血压测量原理
–伯努利方程 • 1738年伯努利(D. Bernoulli)提出了著名的伯努利方程.
人类早期的梦想和探索
• 阿基米德（Archimedes, BC287－BC212） – 古希腊哲学家、数学家、物理学家。 – 兼力学和物理学的伟大学者，享有“力学之父”的美 称。
“假如给我一个支点，我就能撬起地球。”
人类早期的梦想和探索
– 发现阿基米德定律 （浮力原理）； – 浸在静止流体中的物体受到流体作用的合力
– 《动力学》于1743年出版，是达朗贝尔最伟大的物理学著作 – 《动力学》中阐述了著名的达朗贝尔原理：
• 作用于一个物体的外力与动力的反作用之和等于零．即
F (ma) N 0
• 在没有约束时 ，与牛顿的运动第二定律一致； • 但这是概念上的变化，有下列重要意义：
– 把动力学问题转化为静力学问题来处理； – 用于刚体的平面运动时，可利用平面静力学方法，使问
❖ 1. 德国哥廷根学派的创立 普朗特（Ludwig Prandtl， 1875－1953），德国物理学家， 哥廷根大学教授，近代力学奠 基人之一； 将19世纪末期的水力学和水 动力学研究统一起来，被称为 “现代流体力学之父”。
L. Prandtl (1875－1953)
二十世纪的流体力学
1904年，普朗特完成他最著名的一篇论文——《非 常小摩擦下的流体流动》。在这篇论文中，普朗特首 次描述了边界层及其在减阻和流线型设计中的应用， 描述了边界层分离，并提出失速概念。 由此，创造 了边界层理论。
–牛顿并没有建立起流体动力学的 理论基础，他提出的许多力学模 型和结论同实际情形还有较大的 差距。
Newton (1642-1727)
早期的流体力学
• 伯努利（Daniel Bernoulli，1700-1782） – 瑞士物理学家、数学家、医学家； – 著名的伯努利家族中最杰出的一位； – 被称为“流体力学之父”。
三、十九世纪的流体力学
十九世纪的流体力学
• 纳维（Claude Louis Navier, 1785-1836） –法国工程师和物理学家； –建立了流体平衡和运动的基本方程。
• 斯托克斯（1819-1903） –英国力学家、数学家； –建立粘性流体运动的基本方程组 ；
Navier (1785-1836)
萨顿曾指出：“写一部有关他 的天才作品的完整研究著作， 也就意味着写一部十五世纪科 学技术的真正百科全书。”
Da Vinci (1452-1519)
人类早期的梦想和探索
– 在许多学科学领域都颇有建树
水利机械 达•芬奇遗留手稿
鸟的飞翔原理
人类早期的梦想和探索
– 航空科学研究的创始人。
Martin Kemp, Leonardo lifts off: A wing designed by Leonardo da Vinci proves to be aerodynamic. Nature Vol. 421, 20 February 2003
流体边界层
二十世纪的流体力学
❖ 失速
飞机的升力系数随飞机迎角的增加而增大。当迎角 增加到某一数值后，升力系数不升反降，导致飞机升 力迅速小于飞机重力，飞机便很快下坠，这种现象称 为失速。
当失速时，飞机会产生失控的俯冲颠簸运动，发动 机发生振动，驾驶员感到操纵异常。
二十世纪的流体力学
避免边界层分离以及失速的方法——超临界翼型；
–理想流体基本方程——欧拉方程
（1736）；
V

(V )V


1
p
t

• 能被用来研究冲击波。
Euler (1707-1783)
早期的流体力学
欧拉方程和拉普拉斯（Laplace）方程至今仍空气动力
学和水波等理论中应用。
V

(V
)V


1
p
t

2 0
第一节 流体力学的任务及发展简史
二、重点内容
掌 握 ——基本概念、基本原理
基本计算方法
明 确 ——公式推导的前提条件、适用范围
各种系数的确定方法 结合实际灵活运用
熟 悉 ——测压、测速、测流量的仪器原理
使用方法
人类早期的梦想和探索
• 《墨子》记载：“公输子削竹木以为鹊，成而飞之，三 日不下。”(公元前507-公元前444)
过渡流（Re=2000~4000）
湍流（Re>4000）
十九世纪的流体力学
找到了实验研究粘性流体流 动规律的相似准则数──雷 诺数：
Re UL
核爆蘑菇云
提出了雷诺平均N-S方程，至 今还是湍流计算中的主要数 学模型。
烟缕由层流转变为湍流
火山爆发
四、二十世纪的流体力学
二十世纪的流体力学
只平动(向下)
只旋转
香蕉球的原理
平动加旋转
早期的流体力学
– 为什么两艘轮船相离很近前进时容易相撞？
一艘渡船和一艘运输船在巴哈马水域相撞
两船相撞的原理
早期的流体力学
• 欧拉（Leonhard Euler ，17071783）,瑞士数学家和物理学家。
–数学：第一个使用“函数”，把 微积分应用于物理学的先驱者之 一；
被称之为“开尔文-赫姆霍兹波浪”的疯狂的云朵
十九世纪的流体力学
❖ 雷诺（O.Reynolds，1842-1912）； 英国力学家、物理学家和工程师； 1883年用实验证实了粘性流体的两种流动状态── 层流和紊流。
Reynolds (1842-1912)
雷诺的实验装置
十九世纪的流体力学
层流（Re＜2000）
❖ 亥姆霍兹（ Hermannvon Helmholtz,1821-1894） 德国物理学家，生理学家。 亥姆霍兹涡量定理（1858）；
Helmholtz (1821-1894)
十九世纪的流体力学
❖ 开尔文（Lord Kelvin ，1824～1907) 原名威廉·汤姆森(William Thomson）， 爱尔兰的数学物理学家、工程师； 受勋后的名为凯尔文男爵一世或领主凯 尔文(1st Baron Kelvin或Lord Kelvin)； 开尔文是热力学的主要奠基人之一，被 称为热力学之父。于1848年创立了热力 学温标。
45位诺贝尔奖得主曾在哥廷根大学学习、任教或研究；
著名校友还包括：
❖ 德意志帝国的宰相奥托·冯·俾斯麦；
❖ 联邦德国前总统里夏德·冯·魏茨泽克；
❖ 前总理格哈特·施罗德；
❖ 德国大诗人海涅；
❖ 童话作家格林兄弟；
❖ 第一批原子弹制造者罗伯特·奥本海默；
❖ 金融家约翰·皮尔蒙特·摩根； ❖ 哲学家亚瑟·叔本华，也曾求学于哥廷根；
Kelvin (1824-1907)
十九世纪的流体力学
–1869年发现 Kelvin环量定理（开尔文-赫姆霍兹定理） • 被用来解释很多重要的流体现象。
–开尔文-赫姆霍兹不稳定性
这些疯狂的云朵被称之为“开尔文-赫姆霍兹波浪”，外形好似一层层海浪。它们 是在两个密度不同的空气层或者液体层以不同速度彼此穿过对方时在分界线上被 “剪”出来的。
超临界翼型验证试飞中的TF－8A
高尔夫球，表面光滑还是粗糙？
高尔夫球表面有很多窝 坑在同样大小和重量下，飞 行距离为光滑球的5倍
二十世纪的流体力学
研究了带弯度翼型的气动问题，并提出简化的薄翼 理论；
可压缩性问题：普朗特－葛劳渥修正公式 ；
二十世纪的流体力学
–培养了很多著名科学家，其中包括冯.卡门（von Kármán ）、 梅耶（Theodor Meyer ）、贝茨（A.Betz）、贝克尔（E. Becker）、施利希廷（H. Schlichting）、阿道夫.布斯曼 （A.Busemann）等著名流体力学家，影响深远的流体力学哥 廷根学派。
流体力学 绪 论
流体力学及其任务 作用在流体上的力 流体的主要物理性质 牛顿流体和非牛顿流体
第一节 流体力学的任务及发展简史
一、研究内容
流体静力学
平衡规律
绝对静止 相对静止
流动规律
管流 绕流 明 渠流
压力分布 压力计算
流体运动学 速度分布 压力分布 能量损失
流、固体相互作用
力与流动的关系
流体动力学
Stokes (1819-1903)
十九世纪的流体力学
❖ N-S方程的具体形式
( vx
vx
vx x

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2vx y 2

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( vyБайду номын сангаас

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题简化； – 在有约束情况下，用达朗贝尔原理式非常有利； – 而且为分析力学的创立打下了基础。
早期的流体力学
❖ 研究流体的力学研究从牛顿开始，但作为一 门学科——流体力学，则是18世纪的欧拉， 伯努利(Bernoulli)，克莱洛和达朗贝尔打下 的基础；
❖ 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。
大小等于物体排开的流体的重力。
浮力原理
曹冲（196-208）称象
人类早期的梦想和探索
– 阿基米德螺旋（线）；
阿基米德螺旋抽水机
常见的阿基米德螺线
人类早期的梦想和探索
• ·列奥纳多•达•芬奇（ Leonardo Da Vinci, 1452-1519） – 文艺复兴的代表人物之一，是世界文化史上最伟大的人物之一； – 意大利著名的艺术家、科学家和工程师，航空科学研究的创始人。
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十九世纪的流体力学