【正文】 求能量轉(zhuǎn)換及各種損失的計(jì)算方法，并解決流體與限制其流動(dòng)的固體壁之間的相互作用問(wèn)題。 Development history目錄緒論 1第一章 流體力學(xué)的研究發(fā)展歷史與研究?jī)?nèi)容 3第一節(jié) 流體力學(xué)的研究發(fā)展歷史 3一、中國(guó)古代流體力學(xué)的發(fā)展 3二、世界流體力學(xué)的發(fā)展 3第二節(jié) 流體力學(xué)的研究?jī)?nèi)容與研究方法 6一、流體力學(xué)基本假設(shè) 6二、流體力學(xué)的研究?jī)?nèi)容 7三、流體力學(xué)的研究方法 8第二章 日常生活現(xiàn)象中的流體力學(xué)原理 11第一節(jié) 運(yùn)動(dòng)中的阻力 11第二節(jié) 輪船的相互吸引 12第三章 流體力學(xué)在工程實(shí)際中的應(yīng)用 15第一節(jié) 體育工程學(xué)中流體力學(xué)的應(yīng)用 15一、F1賽車(chē) 15二、帆船 15三、賽艇、皮劃艇 16四、游泳 17五、自行車(chē)、摩托車(chē) 17第二節(jié) 都江堰工程中流體力學(xué)的應(yīng)用 18一、都江堰工程簡(jiǎn)介 18二、魚(yú)嘴——分水堤 18三、飛砂堰——泄洪道 19四、寶瓶口——引水口 19第三節(jié) 土木工程中流體力學(xué)的應(yīng)用 20第四節(jié) 汽車(chē)設(shè)計(jì)中流體力學(xué)的應(yīng)用 21總結(jié) 23致謝 24參考文獻(xiàn) 25緒論流體力學(xué)，是研究流體(液體和氣體)的力學(xué)運(yùn)動(dòng)規(guī)律及其應(yīng)用的學(xué)科。緊接著普朗特、皮托、達(dá)朗貝爾、伯努利等人對(duì)流體力學(xué)的發(fā)展與完善也做出了不可磨滅的貢獻(xiàn)。西漢武帝時(shí)期，在黃土高原上修建了龍首渠以引洛水灌溉農(nóng)田，并且創(chuàng)造了井渠法，有效地防止了黃土塌方。第一個(gè)闡明了相對(duì)密度的概念，發(fā)現(xiàn)了物體在流體中所受浮力的基本原理——阿基米德原理。創(chuàng)立階段隨著十八世紀(jì)第一次技術(shù)革命給近代自然科學(xué)的發(fā)展帶來(lái)了黎明，流體力學(xué)也伴隨其他學(xué)科有了較大的發(fā)展，并逐漸形成獨(dú)立的學(xué)科。在旋渦流動(dòng)上，柯西與英國(guó)的斯托克斯分別提出渦旋概念，將渦旋解釋為流體微元體的轉(zhuǎn)動(dòng)。諸如流量計(jì)、黏度計(jì)均是在這一時(shí)期被發(fā)明出的。后來(lái)又針對(duì)航空技術(shù)和其他工程技術(shù)中出現(xiàn)的紊流邊界層，提出混合長(zhǎng)度理論。伯金漢在1914年提出了著名的∏定理，進(jìn)一步完善了量綱分析法。近年來(lái)又開(kāi)始了用有限元方法研究高速流的問(wèn)題，也出現(xiàn)了有限元方法和差分方法的互相滲透和融合。20世紀(jì)50年代開(kāi)始的航天飛行，使人類(lèi)的活動(dòng)范圍擴(kuò)展到其他星球和銀河系。此外，還研究鳥(niǎo)類(lèi)在空中的飛翔，動(dòng)物在水中的游動(dòng)，等等。因此，實(shí)驗(yàn)室模擬是研究流體力學(xué)的重要方法。聲學(xué)是流體力學(xué)中采用小擾動(dòng)方法而取得重大成就的最早學(xué)科。第二章 日常生活現(xiàn)象中的流體力學(xué)原理第一節(jié) 運(yùn)動(dòng)中的阻力物體在水或空氣等流體中的運(yùn)動(dòng)會(huì)受到流體對(duì)空氣的作用力，這種力的方向總是與物體運(yùn)動(dòng)的方向相反，這就是我們常說(shuō)的阻力。8。風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)和理論分析都證明，流線型是產(chǎn)生阻力最小的形狀，這也是在高速情況下廣泛采用流線型的原因。1985年，瑞典選手波卡羅夫首創(chuàng)了將兩只平行的滑雪板變成V字形，也就是一個(gè)“外八字”，是飛行距離提高了10%，并成為了跳雪的標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)作。丹尼爾球旋轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)帶動(dòng)周?chē)每諝飧黄鹦D(zhuǎn)，至使球的下方空氣的流速增大，上方的流速減小，球下方的流速大，壓強(qiáng)小，上方的流速小，壓強(qiáng)大。受到這種力量吸引的人是不容易站住的，特別是在水里，當(dāng)我們身體本身的重量不能使自己保持穩(wěn)定的時(shí)候。計(jì)算流體力學(xué)技術(shù)能夠更快地、更便宜地評(píng)估流動(dòng)問(wèn)題，并且風(fēng)險(xiǎn)會(huì)比常規(guī)的試驗(yàn)方法更小，計(jì)算流體力學(xué)也提供了比風(fēng)洞試驗(yàn)多得多的流動(dòng)數(shù)據(jù)。在帆面與尾流的交界線上，通過(guò)滿足Kutte條件，使升力問(wèn)題和尾流得到耦合。在槳葉的研究方面，通過(guò)利用循環(huán)水槽研究了一種老式的槳葉隨攻角、浸水深度等參數(shù)變化的流體動(dòng)力性能。五、自行車(chē)、摩托車(chē) 計(jì)算流體力學(xué)在自行車(chē)上的研究應(yīng)用非常廣泛。它昂首于岷江干流江心洲上，起第一級(jí)分水排砂作用。岷江從萬(wàn)山叢中急馳而來(lái)，挾著大泥沙、石塊，飛砂堰將其大部分引入外江，保證了寶瓶口和灌區(qū)的河道暢通。然而在現(xiàn)代水利工程中，為解決這相互對(duì)立、相互影響的3大功能，大多采用設(shè)置引水閘、分洪閘和沖砂閘的方法，在時(shí)間和空間上分開(kāi)控制。[5]流體力學(xué)不僅用于解決單項(xiàng)土木工程的水和氣的問(wèn)題，更能幫助工程技術(shù)人員進(jìn)一步認(rèn)識(shí)土木工程與大氣和水環(huán)境的關(guān)系。氣道內(nèi)氣體流動(dòng)的特點(diǎn)是氣體流速較高，一般將氣體作為可壓縮流體來(lái)處理，同時(shí)，氣道的外形十分復(fù)雜，對(duì)計(jì)算網(wǎng)格劃分要求較高。今后，人們一方面將根據(jù)工程技術(shù)方面的需要進(jìn)行流體力學(xué)應(yīng)用性的研究，另一方面將更深入地開(kāi)展基礎(chǔ)研究以探求流體的復(fù)雜流動(dòng)規(guī)律和機(jī)理。而在我情緒最低落的日子里，也正是父母的鼓勵(lì)讓自己能夠繼續(xù)前進(jìn)。唯一遺憾的是我自己不夠主動(dòng)，錯(cuò)過(guò)了許多與您交流的機(jī)會(huì)。當(dāng)前流體力學(xué)的發(fā)展趨勢(shì)是廣泛深入地向邊緣學(xué)科交叉滲透，這使得許多流體力學(xué)問(wèn)題不再能從現(xiàn)成的書(shū)本中尋求到答案，而要求流體力學(xué)研究者具備更強(qiáng)的主動(dòng)進(jìn)取精神和創(chuàng)新思維能力，更善于從錯(cuò)綜復(fù)雜的工程實(shí)際中獨(dú)立地提出問(wèn)題并解決問(wèn)題。例如，車(chē)燈、后視鏡等局部不規(guī)則形狀的影響，車(chē)底部、車(chē)輪與路面間的作用以及空氣阻力系數(shù)絕對(duì)數(shù)值的精度等有待進(jìn)一步研究。修明渠和城市管網(wǎng)設(shè)計(jì)（市政工程）用到的基本上都是經(jīng)典的流體力學(xué)。在重力作用下，表層水流含泥砂較少，底層水流含泥砂較多；而在橫向環(huán)流作用下，表層水流流向凹岸，底層水流流向凸岸。三、飛砂堰——泄洪道“飛砂堰”的命名源自其顯著的泄洪排砂功能。在以上設(shè)施中，魚(yú)嘴、飛砂堰、寶瓶口為3大主要設(shè)施，有“都江堰3大件”之稱(chēng)。近幾年來(lái)，一些學(xué)者借鑒魚(yú)類(lèi)推進(jìn)的成果，開(kāi)始應(yīng)用流體力學(xué)理論來(lái)揭示游泳的推進(jìn)機(jī)理，Huub應(yīng)用環(huán)流理論研究自由泳的推進(jìn)機(jī)理，在游泳池中，測(cè)量和顯示了自由泳手臂上的流速分布和環(huán)量，闡述了自由泳時(shí)手臂的作用類(lèi)似于船舶推進(jìn)時(shí)螺旋槳的作用觀點(diǎn)。通過(guò)淺水興波阻力的研究，發(fā)現(xiàn)在水深3m的時(shí)候，在比賽速度下，八人賽艇會(huì)出現(xiàn)興波阻力的峰值。Charvet進(jìn)行了帆船迎風(fēng)航行時(shí)的計(jì)算，在不考慮帆上流動(dòng)分離情況下，可以將誤差控制在10%以內(nèi)。這種設(shè)計(jì)方法改變了F1賽車(chē)的空氣動(dòng)力設(shè)計(jì)過(guò)程。這就是為什么大船很快地在小船旁邊駛過(guò)的時(shí)候會(huì)出現(xiàn)特別強(qiáng)大的引力的緣故。旋轉(zhuǎn)球和不轉(zhuǎn)球的飛行軌跡不同，是因?yàn)榍虻闹車(chē)諝饬鲃?dòng)情況不同造成的。這種現(xiàn)象完全有別的原因：丹尼爾跳臺(tái)滑雪是一項(xiàng)高速的運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目，合理的克服和利用阻力，效果更明顯。運(yùn)動(dòng)速度對(duì)阻力的影響很大，一般情況下速度越快，阻力越大，應(yīng)該是與速度的n次方成比例，究竟n是多大與很多因素有關(guān)。如在空氣中，物體運(yùn)動(dòng)的前方總要擠壓和排開(kāi)空氣，壓力較大，而在后方形成尾流區(qū)，尾流區(qū)中壓力較小，這就產(chǎn)生了壓差阻力。[6]集中研究方法要相輔相成　　解決流體力學(xué)問(wèn)題時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)、實(shí)驗(yàn)室模擬、理論分析和數(shù)值計(jì)算幾方面是相輔相成的。　　在流體力學(xué)理論中，用簡(jiǎn)化流體物理性質(zhì)的方法建立特定的流體的理論模型，用減少自變量和減少未知函數(shù)等方法來(lái)簡(jiǎn)化數(shù)學(xué)問(wèn)題，在一定的范圍是成功的，并解決了許多實(shí)際問(wèn)題。這里所說(shuō)的模型是指根據(jù)理論指導(dǎo)，把研究對(duì)象的尺度改變(放大或縮小)以便能安排實(shí)驗(yàn)。研究等離子體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律的學(xué)科稱(chēng)為等離子體動(dòng)力學(xué)和電磁流體力學(xué)，它們?cè)谑芸責(zé)岷朔磻?yīng)、磁流體發(fā)電、宇宙氣體運(yùn)動(dòng)等方面有廣泛的應(yīng)用。若流體黏度不為零，而且流體被容器包圍（如管子），則在邊界處流體的速度為零。從50年代起，電子計(jì)算機(jī)不斷完善，使原來(lái)用分析方法難以進(jìn)行研究的課題，可以用數(shù)值計(jì)算方法來(lái)進(jìn)行，出現(xiàn)了計(jì)算流體力學(xué)這一新的分支學(xué)科。在1930年，卡門(mén)建議重疊層混合長(zhǎng)度與離壁面的距離成比例。機(jī)翼理論的正確性，使人們重新認(rèn)識(shí)無(wú)粘流體的理論，肯定了它指導(dǎo)工程設(shè)計(jì)的重大意義。19世紀(jì)，工程師們?yōu)榱私鉀Q許多工程問(wèn)題，尤其是要解決帶有粘性影響的問(wèn)題。發(fā)展階段19世紀(jì)第二次技術(shù)革命將近代自然科學(xué)發(fā)展推向了一個(gè)新的高潮，流體力學(xué)理論逐步改善，水力學(xué)也在迅速發(fā)展。此外，他還研究了質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)學(xué)，為牛頓力學(xué)的誕生開(kāi)辟了道路。以上成就均說(shuō)明了我們的祖先對(duì)水流的性質(zhì)及其規(guī)律已有了充分的認(rèn)識(shí)。在我國(guó)古代建起了很多水利工程，發(fā)明了各種利用水能的水力機(jī)械，這些都是對(duì)工程流體力學(xué)的早期應(yīng)用。但是對(duì)流體力學(xué)做出科學(xué)認(rèn)識(shí)的還是古希臘科學(xué)家阿基米德寫(xiě)的《論浮體》一書(shū)，此書(shū)對(duì)流體力學(xué)做了一個(gè)比較科學(xué)的總結(jié)，可以算得上流體力學(xué)的鼻祖了。流體力學(xué)廣泛應(yīng)用在航天，石油和天然氣開(kāi)采，地下水的開(kāi)發(fā)利用，武器的爆炸，沙漠遷移等等。主要研究在各種力的作用下，流體本身的狀態(tài)，以及流體和固體壁面、流體和流體間、流體與其他運(yùn)動(dòng)形態(tài)之間的相互作用的力學(xué)分支。[1]流體力學(xué)廣泛應(yīng)用于航空航天、城市給排水、航海、冶金采礦、天文氣象、環(huán)境保護(hù)、水利水電、消防、食品、化工、大氣、海洋、生物、土木建筑、軍工核能等，都有許多流體力學(xué)的應(yīng)用問(wèn)題。在我國(guó)古代，以水為動(dòng)了的簡(jiǎn)單機(jī)械也有了長(zhǎng)足的發(fā)展。它不但是流體力學(xué)的一條重要定律，而且也為物理學(xué)的產(chǎn)生奠定了基礎(chǔ)。在這一時(shí)期瑞士數(shù)學(xué)家伯努利對(duì)古典流體力學(xué)做出巨大貢獻(xiàn)，被稱(chēng)為流體力學(xué)的奠基人，建立了流體位勢(shì)能、壓強(qiáng)勢(shì)能和動(dòng)能之間的能量轉(zhuǎn)換關(guān)系——伯努利方程。亥姆霍茲和基爾霍夫?qū)u旋運(yùn)動(dòng)和分離流動(dòng)進(jìn)行了大量的理論分析和實(shí)驗(yàn)研究，提出了表征渦旋基本性質(zhì)的渦旋定理、帶射流的物體繞流阻力等成果。德國(guó)工程師魏斯巴赫和法國(guó)工程師達(dá)西分別通過(guò)實(shí)驗(yàn)總結(jié)了管道流動(dòng)阻力計(jì)算公式：達(dá)西——魏斯巴赫公式。并且在1918——1919年間論述了大展弦比的有限翼展機(jī)翼理論，對(duì)現(xiàn)代航空工業(yè)的發(fā)展做出了重要貢獻(xiàn)。尼古拉茲在1933年公布了他對(duì)砂粒粗糙管內(nèi)水流阻力系數(shù)的實(shí)測(cè)結(jié)果——尼古拉茲曲線。從20世紀(jì)60年代起，流體力學(xué)開(kāi)始了流體力學(xué)和其他學(xué)科的互相交叉滲透，形成新的交叉學(xué)科或邊緣學(xué)科，如物理化學(xué)流體動(dòng)力學(xué)、磁流體力學(xué)等；原來(lái)基本上只是定性地描述的問(wèn)題，逐步得到定量的研究，生物流變學(xué)就是一個(gè)例子。航空航天事業(yè)的蓬勃發(fā)展是同流體力學(xué)的分支學(xué)科——空氣動(dòng)力學(xué)和氣體動(dòng)力學(xué)的發(fā)展緊密相連的。因此，流體力學(xué)既包含自然科學(xué)的基礎(chǔ)理論，又涉及工程技術(shù)科學(xué)方面的應(yīng)用。理論分析　　理論分析是根據(jù)流體運(yùn)動(dòng)的普遍規(guī)律如質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒、能量守恒等，利用數(shù)學(xué)分析的手段，研究流體的運(yùn)動(dòng)，解釋已知的現(xiàn)象，預(yù)測(cè)可能發(fā)生的結(jié)果。聲學(xué)中的所謂小擾動(dòng)，就是指聲音在流體中傳播時(shí)，流體的狀態(tài)(壓力、密度、流體質(zhì)點(diǎn)速度)同聲音未傳到時(shí)的差別很小。日常生活中我們都有體會(huì)，當(dāng)你在高速行駛的汽車(chē)上把手伸出窗外時(shí)會(huì)明顯感覺(jué)到阻力的作用。實(shí)際上汽車(chē)阻力主要來(lái)自后部形成的尾流，稱(chēng)為形狀阻力。在正常情況下，物體表面越光滑，在邊界層越不容易產(chǎn)生湍流，摩擦阻力越小。雖然張開(kāi)的滑雪板的空氣阻力大于平行的滑雪板，但因?yàn)榛┌邋e(cuò)開(kāi)漏出了身體使飛行面積增大，從而增加了升力，是“升阻比”更接近合理的值。伯努利在1726年首先提出時(shí)的內(nèi)容就是：在水流或氣流里，如果速度小，壓強(qiáng)就大，如果速度大，壓強(qiáng)就小。跟不轉(zhuǎn)球相比，旋轉(zhuǎn)球因?yàn)樾D(zhuǎn)而受到向下的力，飛行軌跡要向下彎曲。第三章 流體力學(xué)在工程實(shí)際中的應(yīng)用流體力學(xué)既包含自然科學(xué)的基礎(chǔ)理論，又涉及工程技術(shù)科學(xué)方面的應(yīng)用。F1方程式賽車(chē)氣動(dòng)布局的計(jì)算流體力學(xué)研究，不僅設(shè)計(jì)出了新型的器材，而且通過(guò)這些研究還建立起了多種新型的器材設(shè)計(jì)方法。帆的調(diào)整要考慮單帆，更要考慮帆之間的相互影響。分別采用了數(shù)值模擬和循環(huán)水槽實(shí)驗(yàn)的方法對(duì)賽艇槳葉水動(dòng)力性能進(jìn)行了研究，分析了攻角、浸水深度、斜角、槳頻、幅度等各種參數(shù)對(duì)常用的賽艇槳葉性能的影響。自行車(chē)的空氣動(dòng)力性能研究還包括自行車(chē)的彎道的空氣動(dòng)力性能，競(jìng)速自行車(chē)的盤(pán)狀輪胎和輻條輪胎的空氣動(dòng)力性能比較，選手騎行的姿勢(shì)，自行車(chē)團(tuán)體賽的隊(duì)形的阻力問(wèn)題等等，這些研究為器材的改進(jìn)和運(yùn)動(dòng)員技術(shù)的完善提供了科學(xué)依據(jù)。它把岷江分成內(nèi)外二江。解釋“飛砂”的原理需要先理解“彎道螺旋流”的形成。相比之下，兩級(jí)分水排砂、無(wú)壩引水的都江堰工程，延續(xù)大禹治水的思想，因地制宜，因勢(shì)利導(dǎo)，確為古今中外水利工程中的奇葩。大氣和水環(huán)境對(duì)建筑物和構(gòu)筑物的作用是長(zhǎng)期的，多方面的，其中臺(tái)風(fēng)，洪水通過(guò)直接摧毀房屋，橋梁，堤壩，造成巨大的自然災(zāi)害；另一方面，興建大型廠礦，公路，鐵路，橋梁，隧道，江海堤壩和水壩等，都會(huì)對(duì)大氣和水環(huán)境造成不利影響，導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境惡化，甚至加重自然災(zāi)害，這方面國(guó)內(nèi)外都已有慘痛教訓(xùn)，只有處理好土木工程與大氣和水環(huán)境的關(guān)系，才能更好的做土木建設(shè)。 80年代以來(lái)．國(guó)外一些研究單位和企業(yè)相繼開(kāi)展了氣道三維流動(dòng)模擬方面的研究，且已取得了較大的進(jìn)展，目前氣道的幾何模型已趨近實(shí)際氣道，流動(dòng)分析的計(jì)算精度也可達(dá)到5%以內(nèi)。后一方面主要包括：通過(guò)湍流的理論和實(shí)驗(yàn)研究，了解其結(jié)構(gòu)并建立計(jì)算模式；多相流動(dòng)；流體和結(jié)構(gòu)物的相互作用；邊界層流動(dòng)和分離；生物地學(xué)和環(huán)境流體流動(dòng)等問(wèn)題；有關(guān)各種實(shí)驗(yàn)設(shè)備和儀器等。“按照自己的方式，去度過(guò)人生。您的指導(dǎo)意見(jiàn)一直給我很大的啟發(fā)。從阿基米德到現(xiàn)在的二千多年，特別是從20世紀(jì)以來(lái)，流體力學(xué)已發(fā)展成為基礎(chǔ)科學(xué)體系的一部分，同時(shí)又在工業(yè)、農(nóng)業(yè)