1.1 流体力学研究内容及发展简史
流体力学的发展简史【范本模板】
流体力学的发展简史流体力学是在人类同自然界作斗争和在生产实践中逐步发展起来的。
古时中国有大禹治水疏通江河的传说；秦朝李冰父子带领劳动人民修建的都江堰，至今还在发挥着作用；大约与此同时，古罗马人建成了大规模的供水管道系统等等.对流体力学学科的形成作出第一个贡献的是古希腊的阿基米德，他建立了包括物理浮力定律和浮体稳定性在内的液体平衡理论，奠定了流体静力学的基础。
此后千余年间,流体力学没有重大发展。
直到15世纪，意大利达·芬奇的著作才谈到水波、管流、水力机械、鸟的飞翔原理等问题；17世纪，帕斯卡阐明了静止流体中压力的概念。
但流体力学尤其是流体动力学作为一门严密的科学，却是随着经典力学建立了速度、加速度，力、流场等概念,以及质量、动量、能量三个守恒定律的奠定之后才逐步形成的。
17世纪,力学奠基人牛顿研究了在流体中运动的物体所受到的阻力，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。
他针对粘性流体运动时的内摩擦力也提出了牛顿粘性定律。
但是，牛顿还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别。
之后，法国皮托发明了测量流速的皮托管;达朗贝尔对运河中船只的阻力进行了许多实验工作，证实了阻力同物体运动速度之间的平方关系；瑞士的欧拉采用了连续介质的概念,把静力学中压力的概念推广到运动流体中,建立了欧拉方程，正确地用微分方程组描述了无粘流体的运动；伯努利从经典力学的能量守恒出发,研究供水管道中水的流动，精心地安排了实验并加以分析，得到了流体定常运动下的流速、压力、管道高程之间的关系——伯努利方程。
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。
从18世纪起，位势流理论有了很大进展，在水波、潮汐、涡旋运动、声学等方面都阐明了很多规律。
法国拉格朗日对于无旋运动，德国赫尔姆霍兹对于涡旋运动作了不少研究…….在上述的研究中,流体的粘性并不起重要作用，即所考虑的是无粘流体。
流体力学发展历程
流体力学发展历程流体力学是研究流体的运动和力学性质的学科，其发展历程可以追溯到古代。
本文将从古代到现代，梳理流体力学的发展历程。
古代，人们对水的运动和性质有了初步的认识。
古希腊的亚里士多德提出了流体的连续性原理，他认为流体是连续不断的。
在古代中国，张衡发明了地动仪，通过水的流动来模拟地震，这也是古代流体力学的重要成果之一。
17世纪，随着科学革命的兴起，流体力学开始得到系统的发展。
英国科学家牛顿提出了流体的黏性理论，他认为流体的黏性是导致流体摩擦的原因。
此后，德国数学家伯努利提出了伯努利原理，揭示了流体运动中能量守恒的基本原理。
18世纪，瑞士数学家欧拉为流体力学奠定了坚实的理论基础。
他提出了欧拉方程，描述了理想流体的运动规律。
欧拉方程是流体力学的基本方程之一，对后来的研究具有重要影响。
19世纪，流体力学的研究逐渐扩展到气体和空气动力学领域。
德国物理学家克劳修斯提出了克劳修斯方程，描述了气体的运动规律。
克劳修斯方程是流体力学中重要的方程之一，被广泛应用于航空航天领域。
20世纪初，爱尔兰数学家雷诺为流体力学的发展做出了重要贡献。
他提出了雷诺数，用于描述流体流动的稳定性。
雷诺数在流体力学中具有重要的应用价值，被广泛用于流体力学实验和数值模拟中。
20世纪中叶以后，随着计算机技术和数值模拟方法的发展，流体力学得到了广泛的应用和研究。
计算流体力学（CFD）成为流体力学研究的重要工具之一，可以通过数值方法模拟和预测流体的运动和性质。
近年来，随着科学技术的不断进步，流体力学的研究也在不断深入。
人们开始研究微观尺度下的流体力学问题，如纳米流体力学和微流体力学。
此外，流体力学在生物医学领域的应用也越来越广泛，如血液流动、呼吸系统等。
总结起来，流体力学的发展历程可以追溯到古代，经过了古代的初步认识、17世纪的理论建立、18世纪的基础奠定、19世纪的扩展应用以及20世纪的数值模拟和应用拓展。
随着科学技术的发展，流体力学的研究也在不断深入，为我们认识和应用流体提供了重要的理论和方法。
流体力学
力学的分支
01 发展简史
03 研究方法
目录
02 学科内容 04 展望
力学的一个分支，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以及流体和固体界壁间有相 对运动时的相互作用和流动规律。
发展简史
出现
流体力学是在人类同自然界作斗争和在生产实践中逐步发展起来的。中国有大禹治水疏通江河的传说。秦朝 李冰父子（公元前3世纪）领导劳动人民修建了都江堰，至今还在发挥作用。大约与此同时，罗马人建成了大规模 的供水管道系统。
在实验室内，流动现象可以在短得多的时间内和小得多的空间中多次重复出现，可以对多种参量进行隔离并 系统地改变实验参量。在实验室内，人们也可以造成自然界很少遇到的特殊情况（如高温、高压），可以使原来 无法看到的现象显示出来。现场观测常常是对已有事物、已有工程的观测，而实验室模拟却可以对还没有出现的 事物、没有发生的现象（如待设计的工程、机械等）进行观察，使之得到改进。因此，实验室模拟是研究流体力 学的重要方法。但是，要使实验数据与现场观测结果相符，必须使流动相似条件（见相似律）完全得到满足。不 过对缩尺模型来说，某些相似准数如雷诺数和弗劳德数不易同时满足，某些工程问题的大雷诺数也难以达到。所 以在实验室中，通常是针对具体问题，尽量满足某些主要相似条件和参数，然后通过现场观测验证或校正实验结 果。
③求解方程组
在给定的边界条件和初始条件下，利用数学方法，求方程组的解。
前面提到的采用简化模型后的方程组或封闭的流体力学基本方程组用数值方法求解。电子计算机的出现和发 展，使许多原来无法用理论分析求解的复杂流体力学问题有了求得数值解的可能性。数值方法可以部分或完全代 替某些实验，节省实验费用。数值计算方法最近发展很快，其重要性与日俱增。
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。
第01讲绪论流体力学发展史
连续介质模型 理想流体平衡微分方程 理想流体运动微分方程
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第1章 绪论
流体力学的西方史
拉格朗日（grange,1736－1813）
提出了新的流体动力学微分方程，使流体 动力学的解析方法有了进一步发展。
严格地论证了速度势的存在，并提出了流 函数的概念，为应用复变函数去解析流体 定常的和非定常的平面无旋运动开辟了道 路。
在1952年发表的《在轴流式、
径流式和混流
式亚声速和超声速叶轮机械中的三元流普遍理 论》和在1975年发表的《使用非正交曲线坐标
的叶轮机械三元流动的基本方程及其解法》两
篇论文中所建立的叶轮机械三元流理论，至今 仍是国内外许多优良叶轮机械设计计算的主要 依据。
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第1章 绪论
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第1章 绪论
机翼升力来至下部还是上部？
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第1章 绪论
第 1 章
绪
论
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第1章 绪论
本章内容
1.1 流体力学发展史简述 1.2 流体力学的研究内容、研究方法和应用 1.3 流体的定义和特征 连续介质模型
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第1章 绪论
流体力学的西方史
雷诺（O.Reynolds，1842-1912）
英国力学家、物理学家和工程师，杰 出的实验科学家。
层流与紊流——雷诺数 雷诺应力
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工程流体力学
§1.1 流体的定义
一、流体特征（续）
液体与气体的区别 液体的流动性小于气体； 液体具有一定的体积，并取容器的形状； 气体充满任何容器，而无一定体积。
流体的定义
流体是一种受任何微小的剪切力作用时，都 会产生连续变形的物质。 流动性是流体的主要特征。
§1.2 连续介质假说
微观：流体是由大量作无规则热运动的分子所组成， 分子间存有空隙，在空间上是不连续的。
在通常情况下，一个很小的体积内流体的分子数量极多；
例如，在标准状态下，1mm3体积内含有2.69×1016个气体分 子，分子之间在10-6s内碰撞1020次。
宏观：流体力学研究流体的宏观机械运动，研究的是 流体的宏观特性，即大量分子的平均统计特性。 结论：不考虑流体分子间的间隙，把流体视为由无 数连续分布的流体微团组成的连续介质。
1686年牛顿（Newton,I.）发表了名著《自然哲学的数学原理》 对普通流体的黏性性状作了描述，即现代表达为黏性切应力 与速度梯度成正比—牛顿内摩擦定律。为了纪念牛顿，将黏 性切应力与速度梯度成正比的流体称为牛顿流体。 18世纪～ 19世纪，流体力学得到了较大的发展，成为独立的一门学科。 古典流体力学的奠基人是瑞士数学家伯努利(Bernoulli，D．) 和他的亲密朋友欧拉(Euler，L.)。1738年，伯努利推导出了 著名的伯努利方程，欧拉于17 55年建立了理想流体运动微分 方程，以后纳维(Navier,C .-L.-M.-H.)和斯托克斯(Stokes， G．G．)建立了黏性流体运动微分方程。拉格朗（Lagrange）、 拉普拉斯(Laplace)和高斯(Gosse)等人，将欧拉和伯努利所 开创的新兴的流体动力学推向完美的分析高度。但当时由于 理论的假设与实际不尽相符或数学上的求解困难，有很多疑 不能从理论上给予解决。
流体力学
流体力学（简介）流体力学是在人类与自然界相处和生产实践中逐步发展起来的。
对流体力学学科的形成做出卓越贡献的是古希腊哲学家阿基米德（《论浮体》，公元前250年）建立了包括浮力定律和浮体稳定性在内的液体平衡理论，奠定了流体静力学的基础。
流体力学原理主要指计算流体动力学中的数值方法的现状；运用基本的数学分析，详尽阐述数值计算的基本原理；讨论流域和非一致结构化边界适应网格的几何复杂性带来的困难等。
一、发展简史各物理量关系构成牛顿内摩擦定律,τ=μ*du/dy动压和总压。
显然，流动中速度增大，压强就减小；速度减小，压强就增大；速度降为零，压强就达到最大(理论上应等于总压)。
飞机机翼产生举力，就在于下翼面速度低而压强大，上翼面速度高而压强小，因而合力向上。
据此方程，测量流体的总压、静压即可求得速度，成为皮托管测速的原理。
在无旋流动中，也可利用无旋条件积分欧拉方程而得到相同的结果但涵义不同，此时公式中的常量在全流场不变，表示各流线上流体有相同的总能量，方程适用于全流场任意两点之间。
在粘性流动中，粘性摩擦力消耗机械能而产生热，机械能不守恒，推广使用伯努利方程时，应加进机械能损失项[1]。
图为验证伯努利方程的空气动力实验。
补充：p1+1/2ρv1^2+ρgh1=p2+1/2ρv2^2+ρgh2（1）p+ρgh+(1/2)*ρv^2=常量（2）均为伯努利方程其中ρv^2/2项与流速有关，称为动压强，而p和ρgh称为静压强。
伯努利方程揭示流体在重力场中流动时的能量守恒。
由伯努利方程可以看出，流速高处压力低，流速低处压力高。
后人在此基础上又导出适用于可压缩流体的N-S方程。
N-S方程反映了粘性流体（又称真实流体）流动的基本力学规律，在流体力学中有十分重要的意义。
它是一个非线性偏微分方程，求解非常困难和复杂，目前只有在某些十分简单的流动问题上能求得精确解；但在有些情况下，可以简化方程而得到近似解。
例如当雷诺数Re1时，绕流物体边界层外，粘性力远小于惯性力，方程中粘性项可以忽略，N-S方程简化为理想流动中的欧拉方程（=－Ñp+ρF）；而在边界层内，N-S方程又可简化为边界层方程，等等。
流体力学的发展历程与研究方法综述
流体力学的发展历程与研究方法综述导言流体力学是研究流体（包括液体和气体）的运动规律和性质的科学分支。
作为物理学和工程学重要的基础学科，流体力学的发展历程可以追溯到古代。
从最早的实验观察和经验总结，到现代数值模拟和实验技术的发展，流体力学在科学研究和工程应用中发挥着重要作用。
本文将对流体力学的发展历程与研究方法进行综述。
古代流体力学的起源早在古埃及和古希腊时期，人们对流体的运动性质进行了观察和总结。
例如，埃及人通过灌溉系统的设计和运行，掌握了水流的基本规律。
希腊哲学家亚里士多德在其著作《流体论》中提出了流体力学的基本原理，阐述了流体的基本性质和运动规律。
这些古代文明的研究成果为后来的科学家提供了重要的启示。
流体力学的数学基础流体力学的数学基础主要包括连续性方程、动量方程和能量方程。
这些方程描述了流体的质量守恒、动量守恒和能量守恒等基本性质。
在17世纪和18世纪，许多数学家和物理学家对流体力学的基本方程进行了深入研究和推导。
瑞士数学家欧拉和伯努利等人对流体的运动进行了系统的数学分析，为流体力学建立了坚实的理论基础。
实验方法在流体力学研究中的应用实验方法在流体力学研究中扮演着重要角色。
通过搭建实验装置和进行定量观测，科学家们可以获取流体的运动参数和基本性质。
19世纪末和20世纪初，德国物理学家雷诺在他的著名流动实验中提出了“雷诺数”的概念，用以描述流体的流动特性。
实验结果验证了流体力学的基本原理，并为后来的理论研究提供了重要的实验数据。
数值模拟在流体力学研究中的应用随着计算机技术的发展，数值模拟方法在流体力学研究中得到了广泛应用。
数值模拟利用计算机模拟流体的运动过程，可以得到流体的详细信息和运动规律。
通过建立数值模型和采用数值方法，科学家们可以研究流体的复杂流动行为，探索流体力学中的一些难题。
数值模拟方法为流体力学的发展提供了新的视角和研究工具。
流体力学在工程领域的应用与进展流体力学在工程领域的应用广泛而深入。
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2. 流体力学课程的地位和作用 流体学在科学技术和工程实际中都有广泛的实用意 义。例如流体工程、机械制造、金属工艺、仪器仪表、热 能工程、航天航海、水利工程、生物工程、水电工程、石 油化工等等，都离不开流体力学。
3. 流体力学发展简史 流体力学的发展大致可以分为以下几个时期。 远古时期 公元前2286-2278年中国的大禹治水； 公元前2000-1000年埃及、罗马、希腊等地的水利工程 和造船业； 公元前300年中国成都都江堰灌渠工程； 公元前250年希腊哲学家阿基米德的著作“论浮体”； 等等。
十五、十六、十七世纪 达.芬奇（Leonardo Do Vinci 1452-1519）系统研究了沉浮、 孔口出流、阻力等问题，在米兰附近建造了世界上第一个 小型水渠。 1687年牛顿（Newton 1642-1727）在名著“原理”中讨论 了阻力、波浪等问题，并提出了著名的“牛顿内摩擦定律”。
1612年伽利略（Gallileo 1564-1642）建立了沉浮的基本 原理； 1643年托里拆利（Torricelli 1608-1647）论证了孔口出 流的基本规律； 1650年帕斯卡（B.Pascal 1623-1662）论证了流体中压 力传递的基本定律； 达朗贝尔（J. ďAlembert 1717-1783）提出了著名的达 朗贝尔佯谬； 十八、十九世纪
现代 雷诺（O.Reynolds 1842-1912）研究并确定了两种流态； 普朗特（L.Prandtl 1875-1953）建立了“边界层理论”；
齐奥尔科夫斯基、儒可夫斯基、恰普雷金等研究了翼栅 和绕流理论，奠定了现代空气动力学的基础。 周培源（1902-1993）、钱学森（1911-2009）等我国科 学家在湍流理论和空气动力学等领域作出了杰出贡献； 等等。
流体力学研究内容及发展简史
主讲人：季天晶
§1-1 流体力学研究内容及发展简史
1. 流体力学研究的内容和方法 流体力学研究流体平衡和运动的规律。流体力学是力学的 一个重要分支，属于连续介质力学的范畴。 流体力学研究流体大量分子的宏观运动规律，不追究流体 的分子运动。 流体力学的研究方法总体上可以分为三种：理论分析方法、 实验方法和数值分析方法。三种方法相互配合与补充。 流体力学的研究遵循“实践—理论—实践”的基本规律。 建立数学模型和实验研究在流体力学的研究中具有尤其重要的 作用。
欧拉（L.Euler 1707-1783）经典流体力学 的创始人，提出了一系列的流体力学基本 方程，著有“流体运动的一般原理”等名著；
伯努利（D.Bernoulli 1700-1782）建立了一系列适用于 工程计算的基本方程，著有“流体动力学”等名著。 纳维（L.Navier 1785-1836）和斯托克斯（G.Stokes 1819-1903）建立了粘性流体运动基本方程； 等等。