【正文】 第一章 緒論 167。 1— 1 工程流體力學(xué)的任務(wù)及其發(fā)展簡(jiǎn)史 167。 1— 2 連續(xù)介質(zhì)假設(shè) 流體的主要物理性質(zhì) 167。 1— 3 作用在流體上的力 167。 1— 4 工程流體力學(xué)的研究方法 第一章 緒論 167。 1— 1 工程流體力學(xué)的任務(wù)及其發(fā)展簡(jiǎn)史 一、流體力學(xué) (fluid mechanics)的定義和任務(wù) 167。 1— 1 工程流體力學(xué)的任務(wù)及其發(fā)展簡(jiǎn)史 研究對(duì)象 研究內(nèi)容 研究目的 牛頓力學(xué)定律 質(zhì)量守恒定律 能量守恒定律 動(dòng)量守恒定律 環(huán)境市政、給水排水、土木建筑、交通運(yùn)輸、化工機(jī)械、能源資源、水利氣象 研究 對(duì)象 為水流，且又側(cè)重于應(yīng)用的，稱為 水力學(xué)(hydraulics)。 流體力學(xué) 是力學(xué)的一個(gè)分支，是研究流體運(yùn)動(dòng)規(guī)律及其應(yīng)用的一門學(xué)科。 二、流體力學(xué)發(fā)展簡(jiǎn)史： 167。 1— 1 工程流體力學(xué)的任務(wù)及其發(fā)展簡(jiǎn)史 古代水力學(xué) 中國的大運(yùn)河 、都江堰、鄭國渠和靈渠 。古羅馬供水管道系統(tǒng)等。 公元 1360年，元代歐陽玄著 《 至正河防記 》一書，成為世界第一部水利工程書籍； 公元前 250年，希臘阿基米德 (Archimedes，公元前 287前 212) 《 論浮體 》 ，提出了 浮體原理 ，是第一篇闡述流體運(yùn)動(dòng)的文獻(xiàn)。 古典流體力學(xué) 167。 1— 1 工程流體力學(xué)的任務(wù)及其發(fā)展簡(jiǎn)史 意大利 達(dá) 芬奇 (Leonardeda Vinci,14521519) 《 論水的流動(dòng)和水的測(cè)量 》 。 法國帕斯卡 (Blaise Pascal， 16231662)通過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，提出了流體靜力學(xué)的基本關(guān)系式，建立了流體中 壓強(qiáng)傳遞的 帕斯卡定律 。 英國 牛頓 (Isaac Newton， 16421727)提出了著名的牛頓 三大運(yùn)動(dòng)定律 ，提出 粘性流體 切應(yīng)力 (剪應(yīng)力 )公式 。 瑞士伯努利 (Daniel bernoulli， 1700— 1782) 將牛頓力學(xué)和流體物性、壓強(qiáng)概念相結(jié)合，提出了有名的恒 定不可壓縮理想流體運(yùn)動(dòng)的能量方程 —— 伯努利方程 。 古典流體力學(xué) 167。 1— 1 工程流體力學(xué)的任務(wù)及其發(fā)展簡(jiǎn)史 瑞士歐拉 (Leonhard Euler， 1707— 1783)提出了連續(xù)介質(zhì)假設(shè)；流體運(yùn)動(dòng)的描述方法 —— 歐拉法和理想 (無粘性 )流體運(yùn)動(dòng)方程 ，應(yīng)用微積分的數(shù)學(xué)分析方法來研究流體力學(xué)的問題，奠定了古典流體力學(xué)的基礎(chǔ)，并研究理想流體無旋流動(dòng)，提出了速度勢(shì)概念。 法國拉格朗日 (Joseph Louis Lagrange， 1736— 1813) 表述了另一描述流體運(yùn)動(dòng)的方 法 —— 拉格朗日法 ； 引進(jìn)流函數(shù)的概念，獲得理想流體無旋流動(dòng)所應(yīng)滿足的動(dòng)力學(xué)條件，提出求解這類流體運(yùn)動(dòng)的方法，進(jìn)一步完善了理想流體無旋 流動(dòng)的基本理論。 法國工程師納維 (Louis Marie Henri Navier， 1785— 1836)和英國斯托克斯 (Gee Gabriel Stokes,1819— 1903) 建立了不可壓縮實(shí)際 (粘性 )流體的運(yùn)動(dòng)方程 —— 納維 斯托克斯方程 ，提供了研究實(shí)際流體運(yùn)動(dòng)的基礎(chǔ)。 傅里葉 (Fourier J B)和裴克 (Fick A E)與牛頓切應(yīng)力公式相對(duì)應(yīng)，分別提出了 傅里葉熱傳導(dǎo)公式 和 裴克 (第一 )擴(kuò)散定律 ，為研究流 體的傳熱、傳質(zhì)問題提供了基礎(chǔ)。 現(xiàn)代流體力學(xué) 167。 1— 1 工程流體力學(xué)的任務(wù)及其發(fā)展簡(jiǎn)史 德國尼古拉茲 (Johann Nikuradse)對(duì)采用人工粗糙的管道進(jìn)行了 阻力系數(shù) 系統(tǒng)的測(cè)定工作，為補(bǔ)充邊界層理論、推導(dǎo)湍流的 半經(jīng)驗(yàn)公式提供了可靠的依據(jù)。 1946年電子計(jì)算機(jī)出現(xiàn)，以計(jì)算機(jī)為工具的 數(shù)值計(jì)算方法 得到迅速發(fā)展，它繼理論分析和實(shí)驗(yàn)方法之后，成為工程流體力學(xué)的第三種研究方法。 英國雷諾 (Osborne Reynolds,1842— 1912)首先闡明了相似原理，促進(jìn)了理論和實(shí)驗(yàn)的結(jié)合。 1883年，他在圓管中進(jìn)行了一系列的流體流動(dòng)實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)流體流動(dòng)有兩種形態(tài)，即 層流 和 湍流 (紊流 )，及其判別準(zhǔn) 則 —— 特征數(shù)。 英國瑞利 (Lord John William Rayleigh， 1842— 1919) 首先提出了用 量綱分析法 求流動(dòng)相似準(zhǔn)則，這是用理論分析和實(shí)驗(yàn)研究相結(jié)合，來解決工程流體力學(xué)問題的重要方法，在實(shí)驗(yàn)研究中有著重要的意義 和作用。 匈牙利卡門 (Theodore Von K225。rm225。n， 1881— 1963)用動(dòng)量方程導(dǎo)出邊界層的動(dòng)量積分方程， 解決壁面 邊界層 的計(jì)算問題。 167。 1— 2 連續(xù)介質(zhì)假設(shè) 流體的主要物理性質(zhì) 167。 1— 2 連續(xù)介質(zhì)假設(shè) 流體的主要物理性質(zhì) 121 連續(xù)介質(zhì)假設(shè)： 一、流體微觀特點(diǎn)： 流體的微觀結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)，在空間和時(shí) 間上都是不連續(xù)的，呈現(xiàn)著離散性、不均勻性和隨機(jī)性 。 流體 (fluid)由許多不連續(xù) (continue)的、相隔一定距離的分子 (molecule)所組成，而分子則由更小的原子所組成； 所有物體的分子和原子都處在永不停息的不規(guī)則運(yùn)動(dòng)之中，相互間經(jīng)常碰撞、摻和，進(jìn)行動(dòng)量 (momentum)、熱量 /能量 (heat/energy)、質(zhì)量的交換。 167。 1— 2 連續(xù)介質(zhì)假設(shè) 流體的主要物理性質(zhì) 167。 1— 2 連續(xù)介質(zhì)假設(shè) 流體的主要物理性質(zhì) 121 連續(xù)介質(zhì)假設(shè)： 一、流體微觀特點(diǎn)： 工程流體力學(xué)主要是研究流體的宏觀 (機(jī)械 )運(yùn)動(dòng)。有兩種研究方法。 一種是從分子和原子微觀運(yùn)動(dòng)出發(fā)的統(tǒng)計(jì)平均方法。 二是把流體看成質(zhì)點(diǎn)連續(xù)地充滿流體所占有的空間的的連續(xù)介質(zhì)方法。 二、連續(xù)介質(zhì)（ Continuum/Continuous Medium）： 167。 1— 2 連續(xù)介質(zhì)假設(shè) 流體的主要物理性質(zhì) 連續(xù)介質(zhì) ：由比分子大很多的，微觀上充分大，而宏觀上充分小的分子團(tuán)，可以近似地看成幾何上沒有大小和形狀的一個(gè)點(diǎn)的質(zhì)點(diǎn)所組成，質(zhì)點(diǎn)之間沒有空隙，連續(xù)地充滿所占有的空間 的流體 。 在很多情況下，連續(xù)介質(zhì)假設(shè)所得的理論結(jié)果，與相當(dāng)多的實(shí)驗(yàn)結(jié)果很符合。 在某些情況，例如海拔高度為 5Okm以上的高空的稀薄氣體不作為連續(xù)介質(zhì)。 流體質(zhì)點(diǎn) (fluid particle)：又稱 “ 流體微團(tuán) ” 。含有足夠的分子，可作為連續(xù)介質(zhì)基本單元的最小流體團(tuán)。 特征體積 (characteristic volume) ?V? ：是使平均密度具有確定的數(shù)值，并表征其中足夠多分子的統(tǒng)計(jì)平均值即液體的宏觀密度時(shí)的體積。 167。 1— 2 連續(xù)介質(zhì)假設(shè) 流體的主要物理性質(zhì) 液體微團(tuán) ：即特征體積 ?V?中所有液體分子的集合。 o非均質(zhì)均質(zhì)分子作用區(qū) 連續(xù)區(qū)/3?cm )(g.三、連續(xù)介質(zhì)模型（ Continuum Medium Model）： 167。 1— 2 連續(xù)介質(zhì)假設(shè) 流體的主要物理性質(zhì) 把一個(gè)本來是大量離散的分子或原子運(yùn)動(dòng)問題，近似為充滿整個(gè)空間流體質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)問題，而且每個(gè)空間點(diǎn)和每個(gè)時(shí)刻都有確定的物理量，它們都是空間坐標(biāo)和時(shí)間的連續(xù)函數(shù)，從而可以運(yùn)用數(shù)學(xué)分析工具來建立和求解宏觀物理量之間的方程。 這種不考液體的微觀結(jié)構(gòu)，而采用連續(xù)介質(zhì)簡(jiǎn)化的模型來代替其微觀結(jié)構(gòu)，稱為 連續(xù)介質(zhì)模型 。 ),( tzyx?? ?),( tzyxuu ?),( tzyxpp ? 在連續(xù)介質(zhì)假設(shè)的基礎(chǔ)上，一般還認(rèn)為：流體具有均勻等向性，即流體是均質(zhì)的。 均質(zhì) (homogeneous)： 各部分的物理性質(zhì)是一樣的。反之，為非均質(zhì) (nonhomogeneous)。 各向同性 (isotrop)： 各方向的物理性質(zhì)是一樣的。反之，為各向異性 (anisotrop fluid)。 122 流體的主要物理性質(zhì)： 167。 1— 2 連續(xù)介質(zhì)假設(shè) 流體的主要物理性質(zhì) 一、易流動(dòng)性： 易流動(dòng)性 是流體在靜止時(shí)不能承 受剪力、抵抗剪切變形的性質(zhì) 。 流體 固體 流體不能抵抗拉力，而只能抵抗對(duì)它的壓力。 二、質(zhì)量 密度 重量： 167。 1— 2 連續(xù)介質(zhì)假設(shè) 流體的主要物理性質(zhì)