【正文】 式中： Cl — 長度相似常數(shù) CS — 面積相似常數(shù) CV — 體積相似常數(shù) 39。 實驗研究 理論研究 可以解決許多理論分析無法解決的復(fù)雜問題 ! 參量多：速度、壓力、密度、溫度等等 各自具有不同的邊界條件和初始條件 依靠相似理論，通過模型實驗還原實物的實際狀況 流體力學(xué)實驗 模型實驗，比實物小得多，實驗條件與實物運動條件不完全相同 揭示客觀現(xiàn)象的規(guī)律性 27 進行流體力學(xué)實驗必須要考慮的問題： 1. 合理安排實驗，使得模型實驗的流動狀態(tài)和實際流動相似，使模型實驗的結(jié)果符合實際。但是總體上看，實驗研究工作的狀況和水平與實際需求還有很大差距。 25 （ 7）改善計算方法和理論，開發(fā)新的計算機硬件和軟件 各種復(fù)雜流場的出現(xiàn)、精確捕捉激波和分辨漩渦運動、處理非線性自由表面及湍流問題等，對現(xiàn)有的計算方法及軟硬件都提出了更高的要求。 （ 6）滲流機理的定量研究，多相流及非牛頓流體在典型化工裝置中的流 動特性 滲流機理的定量研究有助于了解多孔介質(zhì)內(nèi)液體的運動規(guī)律，對盡可能多開采地下油氣有直接的現(xiàn)實意義。 （ 4）高性能船舶在各種海況下的波浪載荷計算 （ 未定的自由表面、表面邊界的非線性、波浪的隨機性、流體與船舶運動的耦合等 ） 貼近水面航行、必要時可升空飛行或降落在水面上的船艇，如果波浪載荷計算不準會導(dǎo)致在惡劣海況下失事。相關(guān)機理的解明對未來空中及水中航行器的研制具有重大意義。 計算機技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用在實驗流體力學(xué)中產(chǎn)生了巨大的影響，加速了測量儀器的智能化和自動化，特別是在 流速測量和流場顯示 技術(shù)方面 激光多普勒測速儀 LDV 激光流場顯示儀 PIV 23 2. 實驗流體力學(xué)面臨的問題 流體力學(xué)或?qū)嶒灹黧w力學(xué)在工程技術(shù)中的應(yīng)用有目共睹： 超聲速飛行、航空航天、海上石油天然氣鉆井平臺、大型水利樞紐的設(shè)計建造、大型建筑物及大跨度橋梁風(fēng)載破壞實驗 ??, 總之，沒有流體力學(xué)的發(fā)展， 21世紀的許多工程技術(shù)、個別是高新技術(shù)的發(fā)展是不可能的 . 流體力學(xué)或?qū)嶒灹黧w力學(xué)在取得巨大進展的同時，也留下了大量亟待解決的問題： （ 1）湍流 的形成機制及其內(nèi)在規(guī)律 雖然經(jīng)過幾代人的努力，對湍流的認識已經(jīng)大為深入，但是隨著高新技術(shù)的發(fā)展，過去的經(jīng)驗局限性逐漸顯露，因此在湍流的研究上亟待突破。 自行研究、設(shè)計和開發(fā)新的儀器或測量方法。實驗結(jié)果決定某一設(shè)計方案的取舍。 21 （ 3）利用模擬技術(shù)解決工程實際問題和研究流動規(guī)律 例如： 將對某些對流體運動過程起主要作用的力（如慣性力、粘性力、浮力、或重力等）組成無量綱參數(shù)來確定這些相似性參數(shù)和流動狀態(tài)及流場特性的定量關(guān)系，最大限度地精簡實驗內(nèi)容，使大尺度流體運動的原型可以在實驗室簡單的條件下得到重現(xiàn)。 稀薄氣體中粘性的影響區(qū)大大超出通常的邊界層概念的數(shù)量級。 例如： 物體繞流問題，遠離物體的流體運動 忽略粘性影響，只有法向力； 物體附近，看作粘性流體，切向應(yīng)力隨流態(tài)變化。 近年來數(shù)值計算方法發(fā)展迅速，重要性與日俱增 ! 雖然流體力學(xué)的研究手段和方法在飛速發(fā)展、不斷進步，但是自然界及人們?nèi)粘３苫钪腥匀挥写罅康膶嶋H問題仍然沒有被解決，相對于其它學(xué)科，實驗流體力學(xué)的新任務(wù)和面臨的新問題仍然十分艱巨，有待于依賴科學(xué)技術(shù)的進步得到更深入的發(fā)展 ! 20 實驗流體力學(xué)的任務(wù)和面臨的問題 （ 1）不斷觀察、研究流體的新現(xiàn)象和探索相應(yīng)的基本規(guī)律 流體力學(xué)在許多分支中的新發(fā)現(xiàn)和重大研究成果不斷涌現(xiàn)，更多的研究領(lǐng)域和課題還有待于發(fā)掘，這些工作遠非單純的理論分析和數(shù)值方法能夠勝任。流體流動的數(shù)值模擬促進了流體力學(xué)研究的深入，并形成了一門新的學(xué)科分支：“計算流體力學(xué)”。對于進行流體力學(xué)研究的人來說，數(shù)學(xué)基礎(chǔ)十分重要 ! 19 4. 數(shù)值計算 流體力學(xué)基本方程組非常復(fù)雜特別是考慮粘性流動時，幾乎很少能夠得到解析解。通常還需將求解結(jié)果與實驗結(jié)果進行比較，確定解的準確程度及所建力學(xué)模型的適用范圍。 2）建立連續(xù)性方程、動量方程和能量方程 針對流體運動特點，應(yīng)用質(zhì)量、動量、能量守恒定律得到方程組，此外還要加上某些聯(lián)系流動參量的關(guān)系式或其它方程。 3. 理論分析 根據(jù)流體運動的普遍規(guī)律如質(zhì)量守恒、動量守恒及能量守恒等，利用數(shù)學(xué)分析、物理學(xué)和基礎(chǔ)力學(xué)等手段，觀測和研究流體的運動規(guī)律，解釋已知現(xiàn)象、預(yù)測可能發(fā)生的現(xiàn)象。 2. 實驗室模擬 根據(jù)數(shù)學(xué)、物理和流體力學(xué)基本理論的指導(dǎo)以及實驗室條件，改變研究對象的尺度建立模型，根據(jù)模型實驗結(jié)果依據(jù)相似理論推算出原型的數(shù)據(jù)。 本研究室：低剪切速率下熱量質(zhì)量傳遞過程強化技術(shù)、機理研究 人工肺、換熱器、反應(yīng)器 17 實驗流體力學(xué)的研究方法 1. 現(xiàn)場觀測 對自然界固有的流動現(xiàn)象或工程全尺寸實物，利用各種儀器進行系統(tǒng)觀測，總結(jié)出流體運動規(guī)律，預(yù)測流動現(xiàn)象的演變。 9. 生物流變學(xué) 研究與人體或其它動植物有關(guān)的流體力學(xué)問題。在磁場的作用下等離子體有特殊的運動規(guī)律。 16 6. 多相流體力學(xué) 沙漠遷移、河流中的泥沙流動、管道中煤粉輸送、化工單元操作中催化劑的運動等，涉及到流體中攜帶固體顆?；蛘咭后w中帶有氣泡等問題。 4. 物理 —化學(xué)流體動力學(xué) 具有化學(xué)反應(yīng)和熱能變化的流體力學(xué)問題 燃燒過程。 2. 空氣動力學(xué)、氣體動力學(xué) （ 最活躍、成果豐富的領(lǐng)域 ） 飛機及各種新型飛行器、航空航天。 爆炸波理論，爆炸力學(xué) 研究原子彈、炸藥爆炸后激波在空氣或水中的傳播等的需要。機翼理論的正確性，使人們重新認識到了無粘流體理論對指導(dǎo)工程設(shè)計的重大意義。 ? 20世紀初，空氣動力學(xué)飛速發(fā)展 航空事業(yè)的發(fā)展要求揭示飛行器周圍的壓力分布、受力狀況和阻力等問題，促進了流體力學(xué)在 實驗 和 理論分析 方面的發(fā)展。 2Au?13 ? 18世紀， 勢流理論 （理想流體）快速發(fā)展 揭示了水波、潮汐、渦旋運動、聲學(xué)等方面的許多規(guī)律。 11 梵 高的 《 星夜 》 12 ? 17世紀，帕斯卡 靜止流體中壓力的概念 最基本的流體力學(xué)理論已經(jīng)建立，但是流體力學(xué)作為一門嚴謹?shù)膶W(xué)科，是在經(jīng)典力學(xué)建立了速度、加速度、力和流場等概念，以及動量、質(zhì)量和能量三個守恒定律之后才逐步形成。） ? 古希臘，阿基米德 包括浮力定律和浮體穩(wěn)定性的液體平衡理論，奠定了 流體靜力學(xué) 基礎(chǔ) 此后千余年，流體力學(xué)停滯，沒有重大發(fā)展 ! ? 15世紀，達 鉛制供水管道，直接通到私人住宅。1 流體力學(xué)實驗 學(xué) 分 總 學(xué) 時 32 課 堂 講 授 8學(xué)時 實 驗 24學(xué)時 流體力學(xué)研究室 卞永寧 2 教 材： 《 應(yīng)用流體力學(xué)實驗 》 毛根海 主編 毛根海，章軍軍，陳少慶，胡衛(wèi)紅 編著 高等教育出版社 定 價： 其它材料： , student 實驗報告要求及實驗指導(dǎo)書 流體力學(xué)實驗教學(xué)安排 2022年 實驗輪流表（空白） 3 主要內(nèi)容 （一）實驗流體力學(xué)緒論 （二）基本理論及其方法 1. 相似理論 2. 水電比擬（略） 3. 數(shù)值模擬 4. 誤差分析與數(shù)據(jù)處理 4 （三）流體力學(xué)實驗設(shè)備簡介 1. 循環(huán)水槽 2. 風(fēng)洞 3. 小型流體力學(xué)實驗設(shè)備 4. 流動顯示設(shè)備及技術(shù) （四）流體力學(xué)測試儀器 1. 壓力的測量 2. 液體式壓力機 3. 壓力傳感器 4. 速度的測量 5. 流量的測量 5 （五）繞流問題 1. 勢流理論中的圓柱繞流 2. 機翼繞流 （六）邊界層 1. 邊界層基本理論 2. 邊界層的測量 （七）管道流動 1. 管流基本理論 2. 管道流動實驗 6 （八）實驗教學(xué)環(huán)節(jié) 演示實驗 第 6周 操作實驗 第 716周 1. 孔口管嘴 2. 動量定律 3. 雷諾實驗 4. 沿程阻力 5. 局部阻力 6. 畢托管 7. 文丘里 8. 能量方程 7 實驗流體力學(xué)及其發(fā)展簡史 基礎(chǔ)理論 +測試系統(tǒng)及方法 +數(shù)據(jù)處理和誤差分析 實驗流體力學(xué) 理論流體力學(xué) 計算流體力學(xué) 流體力學(xué) 實驗流體力學(xué) 第 1章 實驗流體力學(xué)緒論 8 實驗流體力學(xué) 貫穿于流體力學(xué)研究的各個領(lǐng)域 !!! 精細的觀察和測量 揭示流動過程中流場各處的流動狀態(tài)和特征 流動參數(shù)的直接測量 提供了各種特定流動的物理模型 關(guān)鍵性作用 9 實驗流體力學(xué)的發(fā)展歷程 ? 秦朝，李冰父子 都江堰 1,都江堰 2 利用岷江出山口的山麓弧形，運用彎道環(huán)流原理，采用疏導(dǎo)型無壩引水方式，建成由魚嘴（ 自動分水 ）、飛沙堰（ 泄洪、排沙 ）、寶瓶口（ 引水口 ）三大主體相輔相成的系統(tǒng)水利工程，至今仍然發(fā)揮著作用。 自然災(zāi)害，生產(chǎn)實踐，社會發(fā)展 實驗流體力學(xué) 10 ? 古羅馬，大規(guī)模供水管道系統(tǒng) 較為完整的給排水體系，大型噴水池。因“鉛中毒”而衰亡？ （中國最早“城市供水系統(tǒng)” ： 1879年 ,旅順北郊水師營三八里村開始修建龍引泉水源 ,當時是為了解決向清朝北洋水師基地旅順港供水問題 ,李鴻章上奏‘鑿石引泉’ ,這成就了我國歷史上第一個“城市供水系統(tǒng)”。芬奇 談到水波、管流、水力機械、鳥的飛翔原理等，正確推導(dǎo)了一維不可壓流動的質(zhì)量守恒方程 在達芬奇和梵高的繪畫作