流体力学及其应用

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流体力学的研究展望
从阿基米德到二十一世纪，特别是从20世纪 以来，流体力学已发展成为基础科学体系的一 部分，同时又在工业、农业、交通运输、天文 学、地学、生物学、医学等方面得到广泛应用。 今后，人们一方面将根据工程技术方面的需要 进行流体力学应用性的研究，另一方面将更深 入地开展基础研究以探求流体的复杂流动规律 和机理。后一方面主要包括：通过湍流的理论 和实验研究，了解其结构并建立计算模式；多 相流动；流体和结构物的相互作用；边界层流 动和分离；生物地学和环境流体流动等问题； 有关各种实验设备和仪器等。
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流体力学的应用领域： 除水和空气以外，流体还指作为汽轮机工作介 质的水蒸气、润滑油、地下石油、含泥沙的江 水、血液、超高压作用下的金属和燃烧后产生 成分复杂的气体、高温条件下的等离子体等等。 气象、水利的研究，船舶、飞行器、叶轮机械 和核电站的设计及其运行，可燃气体或炸药的 爆炸，汽车制造（联众集群），以及天体物理 的若干问题等等，都广泛地用到流体力学知识。 许多现代科学技术所关心的问题既受流体力学 的指导，同时也促进了它不断地发展。1950 年后，电子计算机的发展又给予流体力学以极 大的推动
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21242P 束余欢 周兆明 杨柳
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流体力学的理论基础
19世纪科学家部分地运用流体力学，部分地 采用归纳实验结果的半经验公式进行研究，这 就形成了水力学 1822年，纳维建立了粘性流体的基本运动方 程； 1845年，斯托克斯纳维-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 的特例普朗特学派从1904年到1921年逐步 将N-S方程作了简化，从推理、数学论证和实 验测量等各个角度，建立了边界层理论，能实 际计算简单情形下，边界层内流动状态和流体 同固体间的粘性力。
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流体力学的概念
按照研究对象的运动方式分为流体静力学和 流体动力学，还可按应用范围分为水力学， 空气动力学等等。 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的力学分支
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流过机翼的气流与河床中的流水类似， 由于机翼一般是不对称的，上表面比较 凸，而下表面比较平，流过机翼上表面 的气流就类似于较窄地方的流水，流速 较快，而流过机翼下表面的气流正好相 反，类似于较宽地方的流水，流速较上 表面的气流慢。根据流体力学的
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基本原理，流动慢的大气压强较大，而 流动快的大气压强较小，这样机翼下表 面的压强就比上表面的压强高，换一句 话说，就是大气施加与机翼下表面的压 力(方向向上)比施加于机翼上表面的压 力(方向向下)大，二者的压力差便形成 了飞机的升力。简单来说，飞机向前飞 行得越快，机翼产生的气动升力也就越 大。当升力大于重力时，飞机就可以向 上爬升；当升力小于重力时，飞机就可 以降低高度。
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流体的流动曲线
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流体力学中研究得最多的流体是水和空 气。它的主要基础是牛顿运动定律和质 量守恒定律，常常还要用到热力学知识， 有时还用到宏观电动力学的基本定律、 本构方程和高等数学、物理学、化学的 基础知识。 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
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流体力学的发展与典例
20世纪初，飞机的出现极大地促进了空 气动力学的发展。航空事业的发展，期 望能够揭示飞行器周围的压力分布、飞 行器的受力状况和阻力等问题，这就促 进了流体力学在实验和理论分析方面的 发展。20世纪初，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。机翼理论的正确性，使人们重新认 识无粘流体的理论，肯定了它指导工程 设计的重大意义。
Contents
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流体力学的概念
流体力学的理论基础
流体力学的发展与典例
流体力学的研究展望
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流体力学的概述
理论流体力学的基本方程是纳维-斯托克 斯方程，简称N-S方程。纳维-斯托克斯 方程由一些微分方程组成，通常只有通 过一些边界条件或者通过数值计算的方 式才可以求解。它包含速度v= （u,v,w),压强,密度，粘度温度等变量， 而这些都是位置(x,y,z) 和时间t的函数。 通过质量守恒、能量守恒和动量守恒， 以及热力学方程 f(ρ,P,T)和介质的材 料性质我们可以确定这些变量。