流體力學流體力學與物體運動

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1、《流體力學與流體機械》課件流體力學與物體的運動雖然生活在流體環(huán)境中，人們對一些流體運動卻缺乏認識，比如：1.高爾夫球：表面光滑還是粗糙？2.汽車阻力：來自前部還是后部？3.機翼升力：來自下部還是上部？高爾夫球運動起源于15世紀的蘇格蘭。最早的高爾夫球（皮革已龜裂）起初，人們認為表面光滑的球飛行阻力小，因此當時用皮革制球。后來發(fā)現(xiàn)表面有很多劃痕的舊球反而飛得更遠。這個謎直到20世紀建立流體力學邊界層理論后才解開。光滑的球和非光滑球對比現(xiàn)在的高爾夫球表面有許多窩，在同樣大小和重量下，飛行距離為光滑球的5倍。汽車阻力汽車發(fā)明于19世紀末。當時人們認為汽車高速前進時的阻力主要來自車前部對空氣的

2、撞擊。因此早期的汽車后部是陡峭的，稱為箱型車，阻力系數(shù)CD很大，約0.8實際上，汽車阻力主要取決于后部形成的尾流。20世紀30年代起，人們開始運用流體力學原理，改進了汽車的尾部形狀，出現(xiàn)了甲殼蟲型，阻力系數(shù)下降至0.6。50～60年代又改進為船型，阻力系數(shù)為0.45。80年代經(jīng)風洞實驗系統(tǒng)研究后，進一步改進為魚型，阻力系數(shù)為0.3。后來又出現(xiàn)楔型，阻力系數(shù)為0.2。90年代以后，科研人員研制開發(fā)了氣動性能更優(yōu)良的未來型汽車，阻力系數(shù)僅為0.137。目前在汽車外形設計中，流體力學性能研究已占主導地位，合理的外形使汽車具有更好的動力學性能和更低的耗油率。機翼升力人們的直觀印象是空氣從下面沖

3、擊著鳥的翅膀，把鳥托在空中。19世紀初流體力學環(huán)流理論徹底改變了人們的傳統(tǒng)觀念。脫體渦量與機翼環(huán)量大小相等方向相反機翼的特殊形狀使它不用旋轉就能產(chǎn)生環(huán)流，上部流速加快形成吸力，下部流速減慢形成壓力。測量和計算表明上部吸力的貢獻比下部要大。NACA2412翼型在7.4度攻角時的壓強分布總之，沒有流體力學的發(fā)展，現(xiàn)代工業(yè)和高新技術的發(fā)展是不可能的。流體力學在推動社會發(fā)展方面做出過很大貢獻，今后仍將在科學與技術各個領域發(fā)揮更大的作用。第一章緒論第一節(jié)流體力學的概念與發(fā)展簡史第二節(jié)流體的概念及連續(xù)介質假設第三節(jié)流體的主要物理性質第四節(jié)流體的分類第一節(jié)流體力學的概念與發(fā)展簡史一、流體力學的概念流

4、體力學是力學的一個獨立分支，是一門研究流體的平衡和流體機械運動規(guī)律及其實際應用的技術科學。流體力學所研究的基本規(guī)律，有兩大組成部分：２.流體動力學：它研究流體在運動狀態(tài)時，作用于流體上的力與運動要素之間的關系，以及流體的運動特征與能量轉換等，這一部分稱為流體動力學。１.流體靜力學：它研究流體處于靜止（或相對平衡）狀態(tài)時，作用于流體上的各種力之間的關系。流體力學在研究流體平衡和機械運動規(guī)律時，要應用物理學及理論力學中有關物理平衡及運動規(guī)律的原理，如力系平衡定理、動量定理、動能定理等等。因為流體在平衡或運動狀態(tài)下，也同樣遵循這些普遍的原理。所以物理學和理論力學的知識是學習流體力學課程必要的

5、基礎。目前，根據(jù)流體力學在各個工程領域的應用，流體力學可分為以下四類：水利類流體力學：面向水工、水動、海洋等；機械類流體力學：面向機械、冶金、化工、水機等；土木類流體力學：面向市政、工民建、道橋、城市防洪等。大氣類流體力學：飛機、飛行器外行的設計，天氣預報，環(huán)境污染預報等。二、流體力學的發(fā)展歷史流體力學的萌芽，是自距今約2200年以前，西西里島的希臘學者阿基米德寫的“論浮體”一文開始的。他對靜止時的液體力學性質作了第一次科學總結。流體力學的主要發(fā)展是從牛頓時代開始的，1687年牛頓在名著《自然哲學的數(shù)學原理》中討論了流體的阻力、波浪運動，等內容，使流體力學開始成為力學中的一個獨立分支。

6、此后，流體力學的發(fā)展主要經(jīng)歷了三個階段：１.伯努利所提出的液體運動的能量估計及歐拉所提出的液體運動的解析方法，為研究液體運動的規(guī)律奠定了理論基礎，從而在此基礎上形成了一門屬于數(shù)學的古典“水動力學”（或古典“流體力學”）。2.在古典“水動力學”的基礎上納維和斯托克斯提出了著名的實際粘性流體的基本運動方程——納維-斯托克思方程(N-S方程)。從而為流體力學的長遠發(fā)展奠定了理論基礎。但由于其所用數(shù)學的復雜性和理想流體模型的局限性，不能滿意地解決工程問題，故形成了以實驗方法來制定經(jīng)驗公式的“實驗流體力學”。但由于有些經(jīng)驗公式缺乏理論基礎，使其應用范圍狹窄，且無法繼續(xù)發(fā)展。3.從19世紀末起，人

7、們將理論分析方法和實驗分析方法相結合，以解決實際問題，同時古典流體力學和實驗流體力學的內容也不斷更新變化，如提出了相似理論和量綱分析，邊界層理論和紊流理論等，在此基礎上，最終形成了理論與實踐并重的研究實際流體模型的現(xiàn)代流體力學。在20世紀60年代以后，由于計算機的發(fā)展與普及，流體力學的應用更是日益廣泛。其他重要的科學家：李冰達芬奇第二節(jié)流體的概念及連續(xù)介質假設在地球上，物質存在的主要形態(tài)有：固體、流體。其中流體包括液體和氣體，相對于固體，它在力