第一章导论 §1-1流体力学的任务及发展状况 §1-2流体的特征和连续介质假设 §1-3流体的主要物理性质 §1-4作用在流体上的 2021/2/20 3
2021/2/20 3 第一章 导论 §1–1 流体力学的任务及发展状况 §1–2 流体的特征和连续介质假设 §1–4 作用在流体上的 §1–3 流体的主要物理性质
第一节流体力学的任务及发展概况 流体力学是一门基础性很强和应用性很广的学科,是力 学的一个重要分支。它的研究对象随着生产的需要与科学 的发展在不断地更新、深化和扩大。60年代以前,它主要 围绕航空、航天、大气、海洋、航运、水利和各种管路系 统等方面,研究流体运动中的动量传递问题,即局限于研 究流体的运动规律,和它与固体、液体或大气界面之间的 相互作用力问题。60年代以后,能源、环境保护、化工和 石油等领域中的流体力学问题逐渐受到重视,这类问题的 特征是:尺寸小、速度低,并在流体运动过程中存在传热、 传质现象。这样,流体力学除了研究流体的运动规律以外, 还要研究它的传热、传质规律。同样,在固体、液 2021/220
2021/2/20 4 第一节 流体力学的任务及发展概况 流体力学是一门基础性很强和应用性很广的学科，是力 学的一个重要分支。它的研究对象随着生产的需要与科学 的发展在不断地更新、深化和扩大。60年代以前，它主要 围绕航空、航天、大气、海洋、航运、水利和各种管路系 统等方面，研究流体运动中的动量传递问题，即局限于研 究流体的运动规律，和它与固体、液体或大气界面之间的 相互作用力问题。60年代以后，能源、环境保护、化工和 石油等领域中的流体力学问题逐渐受到重视，这类问题的 特征是：尺寸小、速度低，并在流体运动过程中存在传热、 传质现象。这样，流体力学除了研究流体的运动规律以外， 还要研究它的传热、传质规律。同样，在固体、液
液体或气体界面处,不仅研究相互之间的作用力,而且还 需要研究它们之间的传热、传质规律。 工程流体力学是研究流体(液体、气体)处于平衡状 态和流动状态时的运动规律及其在工程技术领域中的应用 流体力学的基础理论由三部分组成。一是流体处于平 衡状态时,各种作用在流体上的力之间关系的理论,称为 流体静力学;二是流体处于流动状态时,作用在流体上的 力和流动之间关系的理论,称为流体动力学;三是气体处 于高速流动状态时,气体的运动规律的理论,称为气体动 力学。工程流体力学的研究范畴是将流体流动作为宏观机 械运动进行研究,而不是研究流体的微观分子运动,因而 2021/220
2021/2/20 5 液体或气体界面处，不仅研究相互之间的作用力，而且还 需要研究它们之间的传热、传质规律。 工程流体力学是研究流体（液体、气体）处于平衡状 态和流动状态时的运动规律及其在工程技术领域中的应用。 流体力学的基础理论由三部分组成。一是流体处于平 衡状态时，各种作用在流体上的力之间关系的理论，称为 流体静力学；二是流体处于流动状态时，作用在流体上的 力和流动之间关系的理论，称为流体动力学；三是气体处 于高速流动状态时，气体的运动规律的理论，称为气体动 力学。工程流体力学的研究范畴是将流体流动作为宏观机 械运动进行研究，而不是研究流体的微观分子运动，因而
在流体动力学部分主要研究流体的质量守恒、动量守恒和 能量守恒及转换等基本规律 流体力学在工程技术中有着广泛的应用。在能源、化 工、环保、机械、建筑(给排水、暖通)等工程技术领域 的设计、施工和运行等方面都涉及到流体力学问题。不同 工程技术领域的流体力学问题有各自不同的特点,概括起 来主要有三种不同流动形式:一是有压管流,如流体在管 道中的流动;二是绕流,如流体在流体机械中绕过翼型的 流动;三是射流,如流体从孔口或管嘴喷出的流动。流体 力学就是要具体地研究流体流动形式中的速度分布、压力 分布、能量损失,以及流体同固体之间的相互作用,同时 也要研究流体平衡的条件 2021/220
2021/2/20 6 在流体动力学部分主要研究流体的质量守恒、动量守恒和 能量守恒及转换等基本规律。 流体力学在工程技术中有着广泛的应用。在能源、化 工、环保、机械、建筑（给排水、暖通）等工程技术领域 的设计、施工和运行等方面都涉及到流体力学问题。不同 工程技术领域的流体力学问题有各自不同的特点，概括起 来主要有三种不同流动形式：一是有压管流，如流体在管 道中的流动；二是绕流，如流体在流体机械中绕过翼型的 流动；三是射流，如流体从孔口或管嘴喷出的流动。流体 力学就是要具体地研究流体流动形式中的速度分布、压力 分布、能量损失，以及流体同固体之间的相互作用，同时 也要研究流体平衡的条件
流体力学作为一门独立的学科,同其他自然科学一样 是人类为了满足自身生活和生产的需要,在认识与改造自 然的斗争中,随着实践经验的不断积累,技术与知识水平 的不断提高才形成和发展起来的,有着漫长的发展历程 其发展既依赖于科学实验和生产实践,又受到许多社会因 素的影响。我国是世界上三大文明古国之一,有着悠久的 历史和灿烂的文化,由于生产发展的需要,远在两三千年 以前,古代劳动人民就利用孔口出流的原理发明了刻漏、 铜壶滴漏(西汉时期的计时工具)。同时又发明了水磨、 水碾等。在唐代以前,我国就出现了水轮翻车,宋元时代 出现的水轮大纺车比英国早四五百年(英国在1796年发明)。 北宋时期,在运河上修建的真州复闸,与14世纪末在荷兰 出现的同类船闸相比约早300多年。清朝雍正年 2021/220
2021/2/20 7 流体力学作为一门独立的学科，同其他自然科学一样 是人类为了满足自身生活和生产的需要，在认识与改造自 然的斗争中，随着实践经验的不断积累，技术与知识水平 的不断提高才形成和发展起来的，有着漫长的发展历程。 其发展既依赖于科学实验和生产实践，又受到许多社会因 素的影响。我国是世界上三大文明古国之一，有着悠久的 历史和灿烂的文化，由于生产发展的需要，远在两三千年 以前，古代劳动人民就利用孔口出流的原理发明了刻漏、 铜壶滴漏（西汉时期的计时工具）。同时又发明了水磨、 水碾等。在唐代以前，我国就出现了水轮翻车，宋元时代 出现的水轮大纺车比英国早四五百年(英国在1796年发明)。 北宋时期，在运河上修建的真州复闸，与14世纪末在荷兰 出现的同类船闸相比约早300多年。清朝雍正年
间,何梦瑶在《算迪》一书中提出了流量为过水断面上平 均流速乘以过水断面面积的计算方法。我国在防止水患 兴修水利方面也有着悠久的历史。相传4000多年前的大禹 治水,就表明我国古代进行过大规模的防洪工作。在公元 前256年至前210年间修建的都江堰、郑国渠和灵渠三大 水利工程,两千多年来效益卓著。以上都说明了我国劳动 人民的聪明智慧,当时对流体流动规律的认识已达到相当 高的水平。14世纪以前,我国的科学技术在世界上是处于 领先地位的。但是,近几百年来由于闭关锁国使我国的科 学得不到应有的发展,以致在流体力学方面由古代的领先 地位而落在后面 有明确记载的最早的流体力学原理是在公元前250年, 希腊数学家及力学家阿基米德( Archimedes)发表 2021/220 8
2021/2/20 8 间，何梦瑶在《算迪》一书中提出了流量为过水断面上平 均流速乘以过水断面面积的计算方法。我国在防止水患、 兴修水利方面也有着悠久的历史。相传4000多年前的大禹 治水，就表明我国古代进行过大规模的防洪工作。在公元 前256年至前210年间修建的都江堰、郑国渠和灵渠三大 水利工程，两千多年来效益卓著。以上都说明了我国劳动 人民的聪明智慧，当时对流体流动规律的认识已达到相当 高的水平。14世纪以前，我国的科学技术在世界上是处于 领先地位的。但是，近几百年来由于闭关锁国使我国的科 学得不到应有的发展，以致在流体力学方面由古代的领先 地位而落在后面。 有明确记载的最早的流体力学原理是在公元前250年， 希腊数学家及力学家阿基米德（Archimedes）发表
了一篇“论浮体”的论文,提出了浮体定律,这是流体力 学的第一部著作。由于奴隶制、神权和宗教观念的束缚, 直到15世纪文艺复兴时期,尚未形成系统的理论。16世纪 以后,在欧洲由于封建制度的崩溃,资本主义开始萌芽, 生产力有了发展。在城市建设、航海和机械工业发展需要 的推动下,逐步形成近代的自然科学,流体力学也随之得 到发展。意大利的达芬奇nc,L.da)是文艺复兴时期 出类拔萃的美术家、科学家兼工程师,他倡导用实验方法 了解水流性态,并通过实验描绘和讨论了许多水力现象, 如自由射流、旋涡形成原理等等。1612年伽利略( Galilei) 提出了潜体的沉浮原理;1643年托里拆利( Torricelli,E, 给出了孔口泄流的公式;1650年帕斯卡( Pasca,B.)提 出液体中压力传递的定理;1686年牛顿( Newton,,)发 2021/220 9
2021/2/20 9 了一篇“论浮体”的论文，提出了浮体定律，这是流体力 学的第一部著作。由于奴隶制、神权和宗教观念的束缚， 直到15世纪文艺复兴时期，尚未形成系统的理论。16世纪 以后，在欧洲由于封建制度的崩溃，资本主义开始萌芽， 生产力有了发展。在城市建设、航海和机械工业发展需要 的推动下，逐步形成近代的自然科学，流体力学也随之得 到发展。意大利的达·芬奇(Vinci，L. da)是文艺复兴时期 出类拔萃的美术家、科学家兼工程师，他倡导用实验方法 了解水流性态，并通过实验描绘和讨论了许多水力现象， 如自由射流、旋涡形成原理等等。1612年伽利略（Galilei） 提出了潜体的沉浮原理；1643年托里拆利(Torricelli，E．) 给出了孔口泄流的公式；1650年帕斯卡(Pascal，B．)提 出液体中压力传递的定理；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一 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(Euer,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。拉格朗日( 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 2021/220 10
2021/2/20 10 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。拉格朗日（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,有很多疑难问题不能 不能从理论上给予解决。 19世纪末以来,现代工业迅猛发展,生产实践要求理 论与实际更加密切结合才能解决问题。1883年,雷诺 ( Reynolds,O)用不同直径的圆管进行实验,研究了黏性 流体的流动,提出了黏性流体存在层流和紊流两种流态, 并给出了流态的判别准则一雷诺数。12年后,他又引进紊 流(或雷诺)应力的概念,并用时均方法,建立了不可压 缩流体作紊流运动时所应满足的方程组,雷诺的研究为紊 流的理论研究奠定了基础。1891年,兰彻斯特(FW.)提 出速度环量产生升力的概念,这为建立升力理论创造了条 件,他也是第一个提出有限翼展机翼理论的人 进入20世纪以后,流体力学的理论与实验研究除了在 2021/220
2021/2/20 11 实际不尽相符或数学上的求解困难，有很多疑难问题不能 不能从理论上给予解决。 19世纪末以来，现代工业迅猛发展，生产实践要求理 论与实际更加密切结合才能解决问题。1883年，雷诺 (Reynolds，O.)用不同直径的圆管进行实验，研究了黏性 流体的流动，提出了黏性流体存在层流和紊流两种流态， 并给出了流态的判别准则—雷诺数。12年后，他又引进紊 流（或雷诺）应力的概念，并用时均方法，建立了不可压 缩流体作紊流运动时所应满足的方程组，雷诺的研究为紊 流的理论研究奠定了基础。1891年，兰彻斯特（F.W.）提 出速度环量产生升力的概念，这为建立升力理论创造了条 件，他也是第一个提出有限翼展机翼理论的人。 进入20世纪以后，流体力学的理论与实验研究除了在
已经开始的各个领域继续开展以外,在发展航空航天事业 方面取得了迅猛的发展。在运动物体的升力方面,库塔 (WM.)和儒可夫斯基(NE.)分别在1902年和1906年 独立地提岀特殊的与一般的库塔—儒可夫斯基定理和假定, 奠定了二维升力理论的基础。至于运动物体的阻力问题, 至此仍缺乏完善的理论,人们普遍认为:尾涡是物体阻力 的主要来源,遂将注意力转向物体尾流的研究。1912年, 卡门(Tvon)从理论上分析了涡系(即卡门涡街)的稳 定性。1904年普朗特( Prandtl,L)提出了划时代的边界层 理论,使黏性流体概念和无黏性流体概念协调起来,使流 体力学进入了一个新的历史阶段。 20世纪中叶以后,流体力学的研究内容,有了明显的 转变,除了一些较难较复杂的问题,如紊流、流动稳定性 2021/220 12
2021/2/20 12 已经开始的各个领域继续开展以外，在发展航空航天事业 方面取得了迅猛的发展。在运动物体的升力方面，库塔 （W.M.）和儒可夫斯基（N.E.）分别在1902年和1906年 独立地提出特殊的与一般的库塔—儒可夫斯基定理和假定， 奠定了二维升力理论的基础。至于运动物体的阻力问题， 至此仍缺乏完善的理论，人们普遍认为：尾涡是物体阻力 的主要来源，遂将注意力转向物体尾流的研究。1912年， 卡门（T.von）从理论上分析了涡系（即卡门涡街）的稳 定性。1904年普朗特(Prandtl，L.)提出了划时代的边界层 理论，使黏性流体概念和无黏性流体概念协调起来，使流 体力学进入了一个新的历史阶段。 20世纪中叶以后，流体力学的研究内容，有了明显的 转变，除了一些较难较复杂的问题，如紊流、流动稳定性