流体力学第一章

阿基米德（Archimedes， 公元前287－212） 古希腊学者阿基米德在公 元前250年发表学术论文 《论浮体》，第一个阐明 了相对密度的概念，发现 了物体在流体中所受浮力 的基本原理──阿基米德 原理。

伯努利（D.Bernoulli，
1700－1782）瑞士科学家。 在1738年出版的名著《流 体动力学》中，建立了流 体位势能、压强势能和动 能之间的能量转换关系 ──伯努利方程。在此历 史阶段，诸学者的工作奠 定了流体静力学的基础， 促进了流体动力学的发展。
第一章 流体性质
课程简介

工程流体力学是力学中的一个分支，是研究流体的 平衡和运动规律以及流体和固体之间相互作用的一门科学， 是石油工程、油气储运工程、城市燃气输配工程等专业的 一门专业技术基础课。在高等数学、大学物理、线性代数、 工程力学等课程基础上开设，是后续水射流理论化工工艺、 热工学、化工过程安全、化工安全设计、消防设计等专业 课程的理论基础。通过对本课程的学习，使学生正确理解 工程流体力学中若干重要的基本概念、基本原理，加深对 水力现象本质的认识，学会流体的基本分析方法，熟练掌 握流体力学的基本计算方法。通过流体力学实验，增强学 生对流体的感性认识，掌握测量流体的基本技能，提高学 生在石油天然气工业生产领域、科研实践中应用基本理论 和解决实际问题的能力。
学习基础
高等数学、线性代数、材料力学、理论力
学、矢量分析方面的知识。
学习方法
基本原则：抓基本知识点，适当提高，注意 理论联系实际 （1）课前预习 （2）课中认真听讲 （3）课后复习，积极认真理解基本概念， 把握所讲解例题和要求的作业题
本章导学
本章简单介绍流体力学的发展简况以及流
90年代后，科研人员研制开发的未来型汽
车，阻力系数仅为0.137。

经过近80年的研究改进，汽车阻力系数从0.8降至 0.137，阻力减小为原来的1/5。 目前，在汽车外形设计中流体力学性能研究已占 主导地位，合理的外形使汽车具有更好的动力学 性能和更低的耗油率。 试验表明，空气阻力系数每降低10%，燃油节 省7%左右。
箱式汽车：
20世纪30年代起，人们开始运用流体力学原
理改进汽车尾部形状，出现甲壳虫型（流线 型），阻力系数降至0.6。（缺点：重心偏后， 对横风不稳定的问题 ）
20世纪50－60年代改进为船型，阻力系数
为0.45。 （重心前移，使风压中心位于汽 车重心之后，遇到横风就不会摇头摆尾， 车尾部过分向后伸出形成阶梯状，在高速 时会产生较强的空气涡流）

1.0.5 流体力学的研究对象
包括液体和气体，它们统称为流体。液体
和气体各有特性，而且具有共性。液体的 特性是容积一定，存在一个自由液面（水 表面）。 气体的特性是没有固定容积，不存在自由 液面，却易于压缩。
1.0.6 流体力学的中心问题
1、研究流体中速度和压力的分布及变化规
律； 2、研究流体对物体的作用力和力矩，研究 它们产生的原因、计算方法以及影响因素。
1.0 绪论
本节主要介绍以下内容： 1、流体力学的发展简况； 2、流体学在生产生活中的地位和作用。 3、流体力学学习内容及方法
1.0.1工程流体力学的发展简况
1、
第一阶段——经验阶段： 十七世纪前， 主要是人们在与大自然斗争中的经验总结。 例如，我国秦代李冰父子设计建造的四川 都江堰工程，隋代大运河，水车，汉代张 衡发明的水力浑天仪，古代铜壶滴漏计时 等。
1.0.2流体运动与流体力学
1、有关流体运动的三个问题
(2) 汽车阻力：来自前部还是后部？
汽车发明于19世纪末，当时人们认为汽车 的阻力主要来自前部对空气的撞击，因此 早期的汽车后部是陡峭的，称为箱型车， 阻力系数（CD）很大，约为0.8。

实际上汽车阻力主要来自后部形成的尾流， 称为形状阻力 。（次要：摩擦阻力）
1.0.3 流体力学的任务
在于建立描述流体运动的基本方程，确定
流体流经各种通道及绕流不同物体时速度、 压强的分布规律，探求能量转换和损失计 算方法，并解决流体与固体之间的相互作 用问题。
1.0.4 流体力学的研究内容
按其研究内容侧重方法不同，分为理论流体力学 （通称流体力学）和应用流体力学（通称工程流 体力学）。 按其研究内容的组成：流体运动学（用几何观点 来研究流体的运动，而不涉及力的问题），流体 动力学（用力学的观点来研究流体的运动，研究 力和运动之间关系，特别是研究压力和速度之间 的关系）和流体静力学（流体动力学的特例，研 究物体平衡时的压力分布）。
1.0.1工程流体力学的发展简况

2、 第二阶段——理论阶段： 十七世纪～十九世纪一些水力原理论 著出现，标志着流体力学的发展进入了理论阶段。 1643年：托里拆 利提出孔口泄流定理 1650年：巴斯加提出压强传递定律 1686年： 牛顿提出液流内摩擦定理 1700年—1783年：D.Bernoulli定理 1717年—1783年：d’Alembert达朗贝尔——连续性方程 1707 年—1783年：Euler理想流体运动方程 1785年—1863年：Navier 粘性流体运动方程 1819年—1903年：Stokes也导出粘性流体运动 方程 1820年—1872年：兰金（Rankine）发展了源汇理论 1821 年—1894年：Helmholtz提出速度势，建立了旋涡运动和间断运动 理论 1824年—1887年：客希霍夫继续研究间断运动及阻力 1842 年—1912年：O.Reynolds提出了层流、紊流理论 1847年—1921 年：茹可夫斯基研究机翼获得成功 1868年—1945年：兰彻斯特 （Lanchester）研究了升力原因的环量概念 1875年—1953年： Prandtl在1904年提出边界层理论，从而使粘性流体和无粘性流体的 概念协调起来

1.0.2流体运动与流体力学
1、有关流体运动的三个问题 (1)高尔夫球：表面光滑还是粗糙？
最早的高尔夫球（皮革已龟裂)
后来发现表面有很多划痕的旧球反而飞得更
远，这个谜直到20世纪建立流体力学 边界 层理论后才解开。 见P155
现在的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。
80年代经过风洞实验系统研究后，又改进
为鱼型，阻力系数为0.3 。（背部象鱼的脊 背 ，在高速时会产生一种升力使车轮附着 力减小，从而抵挡不佳横风的吹袭，发生 偏离的危险。 ）
以后进一步改进为楔型，阻力系数为0.2。
（车身前部呈尖形且向下倾斜，高速行驶时的空 气流可在前轮产生向下的压力，防止前轮发飘。 车身尾部如同刀切一样平直，可减小车顶以后部 分的负压，增大后轮的附着力。这种造型最大限 度地解决了升力问题。）
风能力；防洪堤、船闸的设计直接与水动力 有关等等。
流体力学在安全、消防专业中的应用举例 1、储罐中液体经小孔（或管道）泄漏 2、气体（或蒸汽）经小孔（或管道）泄漏
3、火灾烟气的运动规律
4、消防给水系统：例如自动喷水灭火（冷
却）系统
相关的 水力计算

例：西气东输工程：西气东输输气管线西起新疆塔里木轮 南油田，经甘肃、宁夏、陕西、山西、河南、安徽、江苏， 最后抵达上海。沿途将穿越戈壁沙漠、黄土高原，以及吕 梁山、太行山、太岳山，并跨越黄河、长江、淮河等江河， 全长4000多公里。预计工程总投资1500亿元，输量最终 达到200亿立方米／年。 2000年3月西气东输工程项目 正式启动，今年7月4日全线开工建设，2005年将全线贯 通投产。西气东输工程的目标市场是长江三角洲地区的上 海市、江苏省、浙江省以及沿线的河南省、安徽省等。 2004年元旦正式对上海供气。 西气东输要解决的关键问 题是：管网设计、防腐、安全、环保等，与流体力学紧密 相关。


1.0.2流体运动与流体力学
1、有关流体运动的三个问题来自百度文库
(3) 机翼升力：来自下部还是上部？
航空、航天、造船、机械、动力、冶金、化
工、石油、建筑等部门的设备中工作介质都 是流体（主要是指水，空气），为了改进流 程、提高效率，需要流体力学的知识。
高层建筑的设计、卧式储罐的设计要考虑抗
斯托克斯（G.Stokes， 1819－1903，英国）
雷 诺（O.Reynolds， 1842-1912）1883年用实验 证实了粘性流体的两种流动 状态──层流和紊流的客观 存在，找到了实验研究粘性 流体流动规律的相似准则数 ──雷诺数，以及判别层流 和紊流的临界雷诺数，为流 动阻力的研究奠定了基础。 见P151
体力学在生产生活中的地位和作用，主要 介绍流体的概念，流体的主要物理性质。 在讨论流体的平衡和运动的规律之前，学 会分析流体的性质是流体力学课程学习的 重要基础。
主要讲解内容
1、工程流体力学概述 2、流体的概念、连续介质模型 3、流体的密度、重度、压缩性、膨胀性
4、理想气体及状态方程
5、流体的粘性、牛顿内摩擦定律
6、表面张力
7、液体的蒸气压力
学习要求
【了解】 1、 流体在各种水力现象中的表现取决于内 因——流体的主要物理性质以及外因—— 作用在流体上的力； 2、 工程流体力学的发展简况； 3、 流体力学在生产生活中的地位和作用。
学习要求
【掌握】 1、 流体的概念，连续介质模型及其引入的目的； 2、 流体的主要物理性质：密度、重度、相对密 度、压缩性、膨胀性、粘性、表面张力等； 3、 流体的分类：理想流体与实际流体、可压缩 流体与不可压缩流体、牛顿流体与非牛顿流体； 4、 牛顿内摩擦定律基本内容和公式。
欧
拉（L.Euler，1707－1783）
经典流体力学的奠基人，1755年 发表《流体运动的一般原理》， 提出了流体的连续介质模型，建 立了连续性微分方程和理想流体
的运动微分方程，给出了不可压
缩理想流体运动的一般解析方法。

拉格朗日（J.-L.Lagrange 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。

纳维（C.-L.-M.-H.Navier）首先提出了不可压缩粘 性流体的运动微分方程组。斯托克斯（G.G.Stokes） 严格地导出了这些方程，并把流体质点的运动分解 为平动、转动、均匀膨胀或压缩及由剪切所引起的 变形运动。后来引用时，便统称该方程为纳维-斯托 克斯方程。 见P164
纳维（L.Navier， 1785－1836，法国）
1.0.7 流体力学研究方法
力学原理的应用
质量守恒，能量守恒，动量定理等。 分析问题的方法 理论分析方法 实验分析方法 数值计算方法
1、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。
1.0.1工程流体力学的发展简况
3、
第三阶段 20世纪初至中叶，流体力学 理论、实验全面展开，航空航天迅速发展， 湍流，稳定性等。
1.0.1工程流体力学的发展简况
4、
第四阶段——多学科互相渗透。 工业 流体力学，实验流体力学，地球流体力学， 非牛顿流体力学，多相流体力学，生物流 体力学，物理—化学流体力学，渗流力学 等，都已形成相对独立的学科。
学习要求
【重点】 1、 流体概念，并从流体力学角度比较液体 与气体有何不同； 2、 基本物理性质（密度、重度、相对密度、 压缩性、膨胀性、粘性、表面张力、蒸汽 压力）； 3、 牛顿内摩擦定律。
学习要求
【难点】 牛顿内摩擦定律的应用。
1.0 绪论
内容提要： 工程流体力学属于力学的一个分支，是研 究流体的平衡和运动的基本规律，以及流 体与固体的相互作用的力学特点，用以分 析解决工程设计和使用中的实际问题的一 门科学。工程流体力学趋向于理论流体力 学与水力学的互相结合，从实用角度对工 程实际中涉及的问题建立相应的理论基础。