流体力学的研究方法
流体力学实验 (2)
流体力学实验
流体力学实验是研究流体运动、流体性质和流体力学现象的实验方法和实验技术。
在流体力学实验中，通常会使用各种仪器设备和测量装置来观测、记录和分析流体的运动状态、流速、压力、温度等重要参数。
流体力学实验的目的可以是验证理论模型、研究流体流动的规律、探究流体与固体的相互作用等。
以下是一些常见的流体力学实验：
1. 流体的静力学实验：通过测量流体中的压力分布，来研究流体静力学的规律，常用的实验方法有水压实验和气压实验。
2. 流体的动力学实验：研究流体运动的规律，常见的实验包括流体的流速测量、流体的流线观测、流体的密度测量等。
3. 流体的粘性实验：用来研究流体粘性特性的实验方法，通常会测量流体的粘度和黏滞阻力。
4. 流体与固体相互作用的实验：研究流体在固体表面上的附着和流动的实验，如流体在管道中的摩擦阻力实验、流体在物体表面的湿润实验等。
5. 流体流动模拟实验：通过模拟实验方法来研究流体流动的现象和规律，常见的方法有模型试验和数值模拟。
流体力学实验通常需要使用精密的仪器设备和仔细的实验操作，以确保实验结果的准确性和可靠性。
实验结果可以为理论研究提供验证和支持，也可以为工程应用提供参考和指导。
流体力学的研究内容与研究方法
工程流体力学
流体力学的研究内容与研究方法
1.3 流体力学的应用及其分支
在人们的生活和生产活动中随时随地都可遇到流体，所以流体力学是与人 类日常生活和生产事业密切相关的。大气和水是最常见的两种流体，大气包 围着整个地球，地球表面的70%是水面。大气运动、海水运动（包括波浪、 潮汐、中尺度涡旋、环流等）乃至地球深处熔浆的流动都是流体力学的研究 内容。
流体力学的研究内容与研究方法
1.2 流体力学的研究方法
理论分析
理论分析是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 用数学分析的手段，研究流体的运动，解释已知的现象，预测可能发生的结果。理 论分析的步骤大致如下：首先是建立“力学模型”，即针对实际流体的力学问题， 分析其中的各种矛盾并抓住主要方面，对问题进行简化而建立反映问题本质的“力 学模型”。流体力学中最常用的基本模型有：连续介质、牛顿流体、不可压缩流体、 理想流体、平面流动等。
20世纪初，世界上第一架飞机出现以后，飞机和其他各种飞行器得到迅速 发展。20世纪50年代开始的航天飞行，使人类的活动范围扩展到其他星球和 银河系。航空航天事业的蓬勃发展是同流体力学的分支学科——空气动力学 和气体动力学的发展紧密相连的。这些学科是流体力学中最活跃、最富有成 果的领域。
流体力学的研究内容与研究方法
流体力学的研究内容与研究方法
1.2 流体力学的研究方法
流体力学的 研究方法
现场观测
实验室模拟
理论分析
数值计算
流体力学的研究内容与研究方法
1.2 流体力学的研究方法
现场观测
现场观测是对自然界固有的流动现象或已有工程的全尺寸流动现象，利用各种 仪器进行系统观测，从而总结出流体运动的规律，并借以预测流动现象的演变。 过去对天气的观测和预报，基本上就是这样进行的。
流体力学欧拉法和拉格朗日法
流体力学欧拉法和拉格朗日法流体力学是研究流体运动规律的学科，它是物理学、数学和工程学的交叉学科。
在流体力学中，欧拉法和拉格朗日法是两种常用的描述流体运动的方法。
欧拉法是以欧拉方程为基础的一种描述流体运动的方法。
欧拉方程是描述流体运动的基本方程，它是由质量守恒、动量守恒和能量守恒三个基本方程组成的。
欧拉法的基本思想是将流体看作是一个连续的介质，通过对流体的宏观性质进行描述，如流体的密度、速度、压力等。
欧拉法适用于研究流体的宏观性质，如流体的流量、压力、速度等。
拉格朗日法是以拉格朗日方程为基础的一种描述流体运动的方法。
拉格朗日方程是描述流体运动的另一种基本方程，它是由质点的运动方程和流体的连续性方程组成的。
拉格朗日法的基本思想是将流体看作是由无数个质点组成的，通过对每个质点的运动进行描述，如质点的位置、速度、加速度等。
拉格朗日法适用于研究流体的微观性质，如流体的粘性、湍流等。
欧拉法和拉格朗日法各有优缺点，应用范围也不同。
欧拉法适用于研究流体的宏观性质，如流量、压力、速度等，但对于流体的微观性质，如粘性、湍流等，欧拉法的描述能力较弱。
而拉格朗日法适用于研究流体的微观性质，如粘性、湍流等，但对于流体的宏观性质，如流量、压力、速度等，拉格朗日法的描述能力较弱。
在实际应用中，欧拉法和拉格朗日法常常结合使用，以充分发挥它们各自的优势。
例如，在研究飞机的气动力学问题时，可以使用欧拉法来研究飞机的气动力学特性，如升力、阻力等；而在研究飞机的流场问题时，可以使用拉格朗日法来研究流体的微观性质，如湍流、涡旋等。
欧拉法和拉格朗日法是描述流体运动的两种基本方法，它们各有优缺点，应用范围也不同。
在实际应用中，需要根据具体问题选择合适的方法，以充分发挥它们的优势。
物理实验技术中的流体力学实验方法与注意事项
物理实验技术中的流体力学实验方法与注意事项引言：流体力学是研究流体的运动规律和力学特性的学科。
在物理学和工程学等领域中，流体力学实验是非常重要的手段之一。
本文将介绍物理实验技术中的流体力学实验方法与注意事项。
一、流体静力学实验方法与注意事项1. 压力测量：在流体静力学实验中，常常需要测量流体的压力。
为此，可采用鞅管法、液柱法或压力传感器等多种方法进行测量。
在进行压力测量时，应注意排除空气泡和外界干扰，并保证测量系统的密封性和稳定性。
2. 测量巨大压力：当需要测量巨大压力时，常常采用高压流体静力学实验仪器。
在进行实验时，需注意选择适当的仪器，确保仪器的耐压性和安全性，以防止事故的发生。
3. 测量液体表面张力：液体表面张力的测量是流体静力学实验的重要内容之一。
测量方法多样，如静水柱、悬挂法等。
在进行测量时，需注意消除外界干扰，控制环境温度和湿度，并对实验仪器进行校正，以提高测量的准确性和可重复性。
二、流体动力学实验方法与注意事项1. 流体流动实验装置：进行流体动力学实验时，通常需设计和搭建适当的流动装置。
在设计装置时，需考虑流体的性质、流动模式和实验目标等因素，以确保实验的可靠性和有效性。
2. 流速测量：在流体动力学实验中，常常需要测量流体的流速。
可采用流量计、涡街流量计或热式流量计等多种方法进行测量。
在进行流速测量时，应注意选择适当的测量方法和仪器，并进行校正，以保证测量的精确性和可靠性。
3. 测量流体粘度：流体粘度的测量是流体动力学实验的一项重要任务。
可采用转子陀螺、滴管法或霍普金森法等多种方法进行测量。
在进行测量时，需注意消除测量装置的摩擦和振动，并对实验结果进行统计分析，以提高测量的准确性和可靠性。
三、流体力学实验的实例与应用1. 空气动力学实验：空气动力学实验是研究空气流动和空气力学特性的实验。
在航空、航天和汽车等领域中，空气动力学实验是非常重要的手段之一。
通过实验，可以获得空气流动的速度场、气压分布等相关数据，为产品设计和性能优化提供依据。
第一章流体力学基本概念
分别运动至A’,B’,C’,D’点，则有
A
B
A'
B'
udt
E D D D A A (u d)d u u t d dtudt
图1-2 速度梯度
由于
du ED
dt
因此得速度梯度 duED tgd d
dy dydt dt dt
可以看出dθ为矩形ABCD在dt时间后剪切变形角度，这就表明速度梯度实质上就 是流体运动时剪切变形角速度
•第一章流体力学基本概念
随着科学技术的不断进步，计算机的发展和应用，流体力学的研究领域和应用范 围将不断加深和扩大。从总的发展趋势来看，随着工业应用日益扩大，生产技术 飞速发展，不仅可以推动人们对流动现象深入了解，为科学研究提供丰富的课题 内容，而且也为验证已有的理论、假设和关系提供机会。理论和实践密切结合， 科学研究和工业应用相互促进，必将推动本学科逐步成熟并趋于完善。
第一章 流体力学基本概念
第一节 流体力学的发展、应用及其研究方法 第二节 流体的特征和连续介质假设 第三节 流体的主要物理性质及分类 第四节 作用在流体上的力
•第一章流体力学基本概念
第一节 流体力学的发展、应用及其研究方法
一、流体力学发展简史
流体力学是研究流体的平衡及运动规律，流体与固体之间的相互作 用规律，以及研究流体的机械运动与其他形式的运动（如热运动、化学 运动等）之间的相互作用规律的一门学科。 流体力学属于力学范畴，是 力学的一个重要分支。其发展和数学、普通力学的发展密不可分。流体 力学起源于阿基米德（Archimedes，公元前278~公元前212）对浮力的 研究。
流体的压缩性及相应的体积弹性模量是随流体的种类、温度和压力而变化 的。当压缩性对所研究的流动影响不大，可以忽略不计时，这种流动成为不可 压缩流动，反之称为可压缩流动。通常，液体的压缩性不大，所以工程上一般 不考虑液体的压缩性，把液体当作不可压缩流体来处理。当然，研究一个具体 流动问题时，是否考虑压缩性的影响不仅取决于流体是气体还是液体，而更主 要是由具体条件来决定。
流体力学研究方法
流体力学研究方法
1.实验方法：通过实验装备对流体力学问题进行测量、控制和观察，以获得实验数据，进而验证和解决问题。
2.数值模拟方法：利用计算机模拟程序，将流体力学问题变成数学模型，通过迭代求解数值解来分析问题。
3.理论分析方法：基于流体力学学理论和基本方程建立数学模型，通过数学分析方法解决流体力学问题。
4.实时间方法：通过在实际运行流体力学系统中安装传感器和控制系统，进行实时监测和控制，从而获得流体力学问题的最优解决方案。
5.多学科方法：以物理学、数学、化学、计算机科学等多学科综合知识为基础，在解决流体力学问题时采用多学科的理论、技术或方法共同进行研究和解决。
第六章 流体力学的试验研究方法相似原理和量纲分析
和管径d有关，试用瑞利量纲分析法建立Vc的公式结构。 和管径d有关，试用瑞利量纲分析法建立V 的公式结构。 [解] 假定 vc = kρ α ⋅ µ β ⋅ d γ 为无量纲常数。 式中k为无量纲常数。 将各物理量的量纲
vc ] = LT −1 , [ ρ ] = ML−3 [
µ ] = ML−1T −1 , [ d ] = L [
（8-5b） 5b）
§8.2 相似准则与量纲分析
若模型与原型系统相似， 若模型与原型系统相似， 几何相似 运动相似 满足相似条件
x p = Cl xm , y p = Cl ym , z p = Cl zm
v px = Cv vmx , v py = Cv vm y , v pz = Cv vm z , t p = Ct tm
∂vpz
∂vpz
∂vpz
（8-5a） 5a）
∂vmz ∂vmz ∂vmz ∂vmz 1 ∂pm µm ∂2vmz ∂2vmz ∂2vmz + vpx + vmy + vmz = −gm − + 2 + 2 + 2 ρm ∂zm ρm ∂x m ∂y m ∂z m ∂tm ∂xm ∂ym ∂zm
动力相似
p p = C p pm , g p = Cg g m ,
其他物理量
ρ p = C ρ ρ m , µ p = Cµ µ m ,
（8-6）
§8.2 相似准则与量纲分析
（8-6）代入（8-5），可得到以模型参数和相似比例尺 代入（ ），可得到以模型参数和相似比例尺 表示的原型流动方程
2 CV ∂vmz CV ∂vmz ∂vmz ∂vmz + vmx + vmy + vmz = Ct ∂tm Cl ∂xm ∂ym ∂zm Cp 1 ∂pm Cv Cµ µm ∂2vmz ∂2vmz ∂2vmz −Cg gm − + 2 2 + 2 + 2 （8-7） CCρ ρm ∂zm C lCρ ρm ∂x m ∂y m ∂z m l
流体力学的实验研究方法
流体力学的实验研究方法流体力学是研究液体和气体运动规律的学科，是物理学的一个重要分支。
在流体力学的研究中，实验方法是非常重要的手段之一。
本文将介绍几种常用的流体力学实验研究方法。
一、定量实验方法定量实验方法是通过对流体中各种参数的测量来获取数据，并进行定量分析。
最常用的定量实验方法包括流速测量、压力测量、流量测量等。
1. 流速测量流速是流体运动中的一个重要参数，在流体力学研究中具有重要意义。
常见的流速测量方法有浮标法、旋转测速法、超声波测速法等。
浮标法是通过在流体中放置一个浮标，并测量浮标的位移来确定流速。
旋转测速法则是利用测速仪表中的叶片旋转频率与流速成正比的原理进行测量。
超声波测速法则是通过发送超声波并测量其回波时间来计算流速。
2. 压力测量压力是流体力学研究中另一个重要的参数。
常用的压力测量方法有水柱法、压力传感器法、毛细管法等。
水柱法是利用流体的压力传递性质，通过测量流体压力对应的水柱高度来计算压力值。
压力传感器法则是利用压力传感器测量流体压力，通过变换电信号获得压力值。
毛细管法则是利用毛细管压力差与流动速度之间的关系来计算压力值。
3. 流量测量流量是流体力学研究中对流体运动强度的衡量。
常见的流量测量方法有流量计法、测地阀法、热敏电阻法等。
流量计法是通过使用流量计器来测量流体通过的体积或质量，从而得到流量值。
测地阀法则是利用流体通过定型孔等装置时的流动特性来计算流量。
热敏电阻法则是利用流体的传导特性，通过测量电阻值来计算流量值。
二、定性实验方法定性实验方法是通过观察流体现象的形态和规律来进行研究。
定性实验方法主要包括流动可视化、颗粒示踪、涡旋检测等。
1. 流动可视化流动可视化是将流体运动过程通过染色或其他方式使其可见，并观察流体现象。
常用的流动可视化方法有染色法、粒子轨迹法等。
染色法是通过向流体中加入染料，使染料在流动中呈现特殊颜色或变化，从而观察流体的运动情况。
粒子轨迹法则是通过在流体中加入颗粒物，在流动中观察颗粒物的轨迹，从而推测流体的流动方式。
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理论分析方法
理论分析的一般过程是：建立力学模型，用物理学基本定律推导流体力学数学方程，用数学方法 求解方程，检验和解释求解结果。理论分析结果能揭示流动的内在规律，具有普遍适用性，但分析范 围有限。
数值方法
数值研究的一般过程是：对流体力学数学方程作简化和数值离散化，编制程序作数值计算，将计 算结果与实验结果比较。
元计算秉承中国科学院数学与系统科学研究院有限元自动生成核心技术（曾获中科院科技进 步二等奖、国家科技进步二等奖），通过自身不懈的努力与完善，形成一系列范围广泛，目前有国内外专业客户300余家，涉及美、加、日、韩、澳、德、 新等国，遍布石油化工、土木建筑、电磁电子、国防军工、装备制造、航空航天……等多个领域。
首先，基础研究非常重要，打好基础对人的一生成长、成就至关重要，同时我们也要注意知 识的广度和交叉性。阿基米德能编写出《论浮体》这本书与他扎实的力学和数学功底是分不开的， 伯努力和欧拉方程的建立是离不开微积分的推导的 ，更离不开他们在其它学科上的造诣。
其次，我们要有一定的哲学和辩证唯物法的观点，在以后的研究过程中一定不要出现与自然 界的基本规律相矛盾的课题。从古到今很多优秀的人才为永动机等不可实现的东西耗费了大量的 时间和精力，有的甚至是毕生的，但最后一无所获，这一点我是深有体会，因为中学阶段我也曾 构思和制造过永动机。用纯理论推导得出的“达朗贝尔佯谬”这种理论在一些时期也有追随者， 这就是对哲学和大自然的一般规律无知的后果。学好哲学能够从战略上指导我们流体力学的研究。
统计学现在已经发展成一门比较成熟学科，其在量子物理等诸多方面都有十分重大的作用。 我觉得统计学很有可能发展成为一种流体力学分析方式。
元计算科技发展有限公司是一家既年青又悠久的科技型企业。年青是因为她正处在战略重组 后的初创期，悠久是因为她秉承了中国科学院数学研究所在有限元和数值计算方面所开创的光荣 传统。元计算的目标是做强中国人自己的计算技术，做出中国人自己的CAE软件。
常用的方法有：有限差分法、有限元法、有限体积法、边界元法、谱分析法等。计算的内容包括： 飞机、汽车、河道、桥梁、涡轮机等流场计算;湍流、流动稳定性、非线性流动等数值模拟。大型工程 计算软件已成为研究工程流动问题的有力武器。数值方法的优点是能计算理论分析方法无法求解的数 学方程，比实验方法省时省钱，但毕竟是一种近似解方法， 适用范围受数学模型的正确性和计算机的 性能所限制。
最后，我们要注意观察，注意自身动手能力的提高，培养自己的创新思维。在刮风、下雨、 游泳、呼吸等日常生活现象中，流体力学的知识是无处不在。只要我们注意观察、勤于思考创 意的火花就会像“苹果落地”一样在我们的脑海中震荡一番，然后一个像牛顿第一定律一样的 理论可能由此诞生。但我们决不能忽视实验，因为实践是检验真理的唯一标准，只有经的起实 践推敲的理论和思想才能最终为世人所接受。
三种方法各有优缺点，我们应取长补短，互为补充。流体力学力学的研究不仅需要深厚的理论基 础，而且需要很强的动手能力。学习流体力学应注意理论与实践结合，理论分析、实验研究和数值计 算并重。
流体力学的研究方法固然重要，但俗话说的好“态度决定一切”真正决定我们研究成果高低 的是我们的思维方式。作为工科学生我们在流体力学的研究和学习过程中要注重自身的思维方式 的培养。我们在以后的研究和学习中要注意以下几点：
有限元语言及编译器（Finite Element Language And it’s Compiler，以下简称FELAC） 是中国科学院数学与系统科学研究院梁国平研究院于1983年开始研发的通用有限元软件平 台，是具有国际独创性的有限元计算软件，是PFEPG系列软件三十年成果（1983年—2013 年）的总结与提升，有限元语言语法比PFEPG更加简练，更加灵活，功能更加强大。目前 已发展到2.0版本。其核心采用元件化思想来实现有限元计算的基本工序，采用有限元语
在实际工程中，如水利工程、动力工程、航空工程、化学工程、机械工程等诸多领域流体力学都 起着十分重要的作用。
流体力学的研究对象包括液体和气体，它们统称为流体。流体力学主要研究在各种力的作用下， 流体本身的静止状态和运动状态特征，以及流体和相邻固体界面有相对运动时的相互作用和流动规律。 我们在工程流体力学中主要是研究流体中大量分子的宏观平均运动规律，而忽略对其具体分子运动的 研究。
流体力学的研究方法
流体力学是研究流体平衡和运动规律的一门学科，是力学的一个重要分支。按其研究内容的侧重 点不同，分为理论流体力学和工程流体力学。其中理论流体力学主要采用严密的数学推理方法，力求 准确性和严密性，工程流体力学侧重于解决工程实际中出现的问题，而不追求数学上的严密性。当然 由于流体力学研究的复杂性，在一定程度上，两种方法都必须借助于实验研究，得出经验或半经验的 公式。
言来书写程序的代码，为各领域，各类型的有限元问题求解提供了一个极其有力的工具。 FELAC可以在数天甚至数小时内完成通常需要一个月甚至数月才能完成的编程劳动。
Thank you
再次，我们要注重经验而不迷信权威，注重理论而不依赖理论。经验是我们的祖先通过 世代的所积累的，有些可能没有理论依据，但它来源于生活有着不可否认的正确性，在我们工 程流体力学中有着大量经验，半经验公式，它们将是是我们以后解决工程实际问题的一把利剑， 堪称世界奇迹的都江堰水利工程的成功是靠的就是我们祖先祖祖辈辈的经验。理论对实际的研 究有着十分重要的指导意义，我们决不能忽视理论的学习，但也不能过于依赖，否则就会出现 “达朗贝尔佯谬”这种错误，我们要相信经过实践检验的理论。