【正文】 品中，旋渦圖案及光與影的模式與流體力學(xué)理論驚人相符 。 17世紀(jì)，牛頓 Fr∝ ， 牛頓粘性定律 皮托 測量流速的皮托管 達(dá)朗貝爾 船只阻力與船體運(yùn)動速度之間的平方關(guān)系 歐拉 —連續(xù)介質(zhì)概念，建立了 歐拉方程 ，用微分方程組描述了無粘流體的運(yùn)動 伯努力 —能量守恒，管道流動，得到了流體定常運(yùn)動下的流速、壓力與管道揚(yáng)程之間的關(guān)系，即 伯努力方程 歐拉方程和伯努力方程的建立，標(biāo)志著流體力學(xué)學(xué)科的形成 ，從此開始了利用數(shù)學(xué)方法和實(shí)驗測量進(jìn)行流體運(yùn)動 定量研究 的新階段。 拉格朗日 無旋運(yùn)動 亥姆霍茲 漩渦運(yùn)動 ? 19世紀(jì)，工程中的粘性流問題 納維 總結(jié)出 粘性流體 的基本運(yùn)動方程 斯托克斯 基于更合理的理論推導(dǎo)出該方程 流體力學(xué)的理論基礎(chǔ) 普朗特 通過推理、數(shù)學(xué)論證和實(shí)驗測量，建立 邊界層理論 計算簡單情形下邊界層內(nèi)的流動狀態(tài)和流固間的粘性力。 NS方程 14 ? 20世紀(jì)初，儒科夫斯基、恰普雷金、普朗克 機(jī)翼理論 以無粘性不可壓縮勢流理論為基礎(chǔ)，闡明了機(jī)翼升力產(chǎn)生的機(jī)理。 20時 40年代開始，航天飛行 氣體動力學(xué) 隨著噴氣式發(fā)動機(jī)和火箭技術(shù)的應(yīng)用，滿足超音速飛行的需要。 流體力學(xué)的分支 —高超聲速空氣動力學(xué)、超聲速空氣動力學(xué)、稀薄空氣動力學(xué)、電磁流體力學(xué)等 ? 20世紀(jì) 60年代起，與其它學(xué)科交叉滲透形成新的學(xué)科或邊緣學(xué)科 物理 —化學(xué)流體動力學(xué)、磁流體力學(xué)、生物流變學(xué)等 隨著社會的發(fā)展和技術(shù)的進(jìn)步，實(shí)驗流體力學(xué)的理論和方法必將得到完善，解決更多的實(shí)際問題 !!! 15 實(shí)驗流體力學(xué)的研究內(nèi)容 流體 =氣體 +液體 （顆粒懸濁液， 非牛頓 ） 1. 大氣運(yùn)動、海水運(yùn)動、巖漿流動 最常見的兩種流體 大氣、水。 3. 滲流力學(xué) 石油和天然氣的開采、地下水的開發(fā)利用 多孔介質(zhì)或縫隙介質(zhì)中的流體流動。 5. 爆炸力學(xué) 猛烈的瞬間能量變化及傳遞過程，涉及到氣體動力學(xué) 。 7. 等離子體動力學(xué)和電磁流體力學(xué) 等離子體是自由電子、帶等量正電荷的離子及中性粒子的集合體，常見于受控?zé)岷朔磻?yīng)、磁流體發(fā)電等過程中。 8. 環(huán)境流體力學(xué) （ 環(huán)境空氣動力學(xué)、建筑空氣動力學(xué) ） 風(fēng)對建筑物、橋梁、電纜等作用使他們承受載荷并激發(fā)振動；廢氣、廢水的排放造成環(huán)境污染；河床沖刷遷移 和海岸遭受侵蝕 —研究這些流體本身與人類和自然界間的相互作用。如血液在血管中的流動、心、肺中生理流體的運(yùn)動和植物中營養(yǎng)液的輸送；鳥類在空中的飛翔、動物在水中的游動等等。（ 氣象觀測、預(yù)報 ） 問題 ：對現(xiàn)場的流動現(xiàn)象不能控制，發(fā)生條件不可能完全重復(fù)出現(xiàn)；花費(fèi)大量的人力、物力、財力。 現(xiàn)場觀測是對已有事物已有工程的觀測，實(shí)驗室模擬則可以對還沒有出現(xiàn)的事物及現(xiàn)象進(jìn)行觀察、預(yù)測，是一種研究流體力學(xué)問題的重要方法。 18 理論分析步驟 1）建立力學(xué)模型 針對實(shí)際的流體力學(xué)問題，分析主要矛盾，對問題進(jìn)行適當(dāng)簡化，使得建立的力學(xué)模型能夠反映問題的本質(zhì)。 3）求解方程組 結(jié)合具體流動，回歸解的物理意義，解釋流動機(jī)理。 從基本概念到基本方程的一系列定量研究均涉及到很深的數(shù)學(xué)問題，因此流體力學(xué)的發(fā)展是以數(shù)學(xué)的發(fā)展為前提。 隨著數(shù)學(xué)的發(fā)展和計算機(jī)的不斷進(jìn)步，各種數(shù)值計算方法不斷涌現(xiàn)，這使得原來無法求解的復(fù)雜流體力學(xué)問題有了求得數(shù)值解的可能性。數(shù)值模擬和實(shí)驗?zāi)M相互配合，使得 流體相關(guān)的科學(xué)研究和工程設(shè)計的速度大大加快，并節(jié)省了大量開支。 （ 2）研究各種流動現(xiàn)象的本構(gòu)關(guān)系 運(yùn)動流體的本構(gòu)關(guān)系隨流體的流動狀態(tài)、可壓縮性、外力的作用以及邊界條件的不同或者變化而異。 流體流速接近聲速時，流體的應(yīng)力和應(yīng)變之間的關(guān)系必須考慮可壓縮性。 對于大量的實(shí)際流體來說，其本構(gòu)關(guān)系大多有待于研究和確定。 利用模擬技術(shù)以最小的代價和最少的實(shí)驗條件來發(fā)現(xiàn)、證實(shí)有價值的物理規(guī)律或工程問題，具有重要意義！ 大型化工設(shè)備在設(shè)計制造過程中要在數(shù)十或數(shù)千分之一的模型中進(jìn)行實(shí)驗。 新型號的飛機(jī)、艦船設(shè)計需要做大量的模型實(shí)驗： 飛機(jī)的氣動力學(xué)實(shí)驗 風(fēng)洞實(shí)驗 ； 艦船阻力拖曳、自航及耐波性實(shí)驗、操縱性實(shí)驗 方形水池 22 （ 4）研制新型實(shí)驗儀器及其設(shè)備系統(tǒng)，發(fā)展新的測量方法 實(shí)驗儀器及設(shè)備系統(tǒng) 實(shí)驗研究的重要手段 利用或購買現(xiàn)有的專門產(chǎn)品，正確和熟練地使用儀器， 根據(jù)儀器和設(shè)備的性能來設(shè)計實(shí)驗放案、實(shí)現(xiàn)確定的目標(biāo)。 各學(xué)科的實(shí)驗研究方法通?？梢韵嗷ソ梃b，要熟知其中的一些方法和技巧。（ NSFC支持的重點(diǎn) !） （ 2）各種渦系的生成、消長及流動分離的過程機(jī)理 各種飛行器、船舶在流體中運(yùn)動特別是作非定常運(yùn)動時會產(chǎn)生包括漩渦、分離流動在內(nèi)的非線性復(fù)雜流場。 24 （ 3）吸氣式發(fā)動機(jī)在超聲速流動狀態(tài)下的混合、點(diǎn)火；超聲速流動邊界 層的控制、減阻及降噪控制 新一代航天飛機(jī)和超聲速民航機(jī)的開發(fā)將取決于流體力學(xué)研究的進(jìn)展，必須考慮高溫空氣動力學(xué)中放棄原先的熱力學(xué)平衡的假定之后新的替代方法。 （ 5）風(fēng)浪的相互作用機(jī)制，旋流對波浪的影響 天氣預(yù)報的重要環(huán)節(jié)，遙測水面波參數(shù)以測量近水面風(fēng)速；海面波浪的遙測參數(shù)還可以用來探測潛航的潛艇及海流。深入了解化工裝置中流動的復(fù)雜性，發(fā)揮裝置的最大效益。 實(shí)驗室 —國家的科學(xué)技術(shù)水平 實(shí)驗流體力學(xué)研究 —流體力學(xué)學(xué)科的水平 我國建造了大量用于尖端科學(xué)研究的設(shè)備，試制并引進(jìn)了大量先進(jìn)的科學(xué)儀器，實(shí)驗流體力學(xué)的研究有良好的條件。 大連理工大學(xué) —流體力學(xué)學(xué)科的研究和實(shí)驗水平 薄弱 前途光明，道路曲折 ! 26 第 2章 基本理論及其方法 相似理論 各種流體流動現(xiàn)象的 規(guī)律性 ，通常表現(xiàn)為描述該現(xiàn)象特征的各個物理量之間所存在的一定的 函數(shù)關(guān)系。 2. 能夠把在保持相似條件下進(jìn)行的模型實(shí)驗所得的數(shù)據(jù)應(yīng)用到實(shí)際問題中去（還原到實(shí)物） 相似理論 作為流體力學(xué)實(shí)驗的理論基礎(chǔ)之一，為解決上述問題提供了科學(xué)依據(jù) ! 相似的概念 流體流動問題 研究中物理現(xiàn)象的相似包括： 幾何相似、運(yùn)動相似、動力相似以及熱相似 等。39。39。 39。 1 1 2 2,iliiillll Cl l l l? ? ? ? ? ??? ? ? ??? ? ???? ? ? ??? ??39。i? i?（ 21） 39。 39。 保持幾何相似是模型實(shí)驗的最 基本要求 。 30 2. 運(yùn)動相似 兩個流場中，如果 流經(jīng)任意兩條對應(yīng)途徑所需的時間之比是常數(shù) 運(yùn)動相似。1l 39。3l 39。2t 39。39。39。 39。 1 1 2 2, , ,iiiiC? ? ? ? ? ?? ? ? ? ??? ? ???? ? ? ??? ??vvvvvv v v vC?39。39。39。 39。 000l i ml i ml i mt lt tttllCtlClt Ctt????????????? ? ? ???vvv （ 25） lC tC（ 26） 31 ? 兩個幾何相似的物體，流場上各 對應(yīng)點(diǎn)的速度 成比例，且 對應(yīng)點(diǎn)的速度矢量的方位角 相等 兩物體或流場的運(yùn)動為 運(yùn)動相似 3. 動力相似 兩個流場中的任意對應(yīng)點(diǎn)上，如果 各種作用力的力多邊形幾何相似 則這兩個流場 動力相似 。39。39。 39。 1 1 2 2, , ,iFiiiFFFF CF F F F? ? ? ? ? ?? ? ? ? ??? ? ???? ? ? ??? ??（ 27） FC32 在動力相似條件下有： ＝ 為密度相似常數(shù)， 即對應(yīng)點(diǎn)上密度成同一比例 動力系數(shù) ： 39。39。39。39。 39。 39。39。 39。 2 2 2 1 1 12 2 2FFpSSC p CppCC C CS C C C S S??? ? ?? ? ? ?vvv v v2 4Ft pplCC CCCC???（ 29） 33 Cp –為壓力常數(shù) 結(jié)論： 相似系統(tǒng)間， 對應(yīng)動力系數(shù)是相等的 。 4. 熱相似 對于幾何相似的兩個流場， 對應(yīng)點(diǎn)的溫度成比例 ，并且在 對應(yīng)點(diǎn)上通過其對應(yīng)微元上的熱流量方向相同及大小成比例 ，即滿足溫度場和熱流量相似 熱相似 。 39。 39。 39。 39。從 非定常粘性不可壓縮流體 流動的基本方程出發(fā)，考察 x方向的運(yùn)動。 39。 39。 39。39。 39。 2 39。39。39。 39。 2 39。t x y zpXvx x y z?? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ?????? ? ? ?? ? ? ?xxxv v v vv v vvvv 2 2 2 2 2 21()x x x xx y zt x y zpXvx x y z?? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ?????? ? ? ?? ? ? ?xxxv v v vv v vvvv（ 212） （ 211） 35 兩系統(tǒng)相似，各物理量之間有如下關(guān)系： 代入原型方程 ( 211 ) 得： 39。 39。 39。 39。 39。 39。39。 22p vFt l l lC CCCC CC C C C C?? ? ? ?vvv （ 215） ① ② ③ ④ ⑤ ① ② ③ ④ ⑤ 37 由于流體運(yùn)動的加速，使變位慣性力 在各種流動問題中都贊有重要地位，故通常都是以變位慣性力與所選擇的作用力相比，得到無因次準(zhǔn)數(shù)，即用 去除以各項得： 由上述結(jié)果可以得到如下的相似準(zhǔn)數(shù)： 斯特勞哈爾數(shù)（ Strouhal number） 弗勞德數(shù)（ Froude number） 歐拉數(shù)（ Eular number） 雷諾數(shù) （ Reynolds number） ② 2 lCCv221pl l F vtlCC C C CC C C C C C C?? ? ? ?v v v v（ 216） lStt?v22Frg l g l????vv2pEu???vlRev?v38 2. 流場相似的充分必要條件 做模型實(shí)驗時，模型和實(shí)物首先要滿足 幾何相似 的條件； 對已經(jīng)無量綱化的方程組，只要使上述 無量綱參數(shù) 對于模型和實(shí)驗流動 完全相同 ，那么它們的方程就完全一致。 （ 218） /Re l v? v （ 219） 40 Re較小時 粘性力起主導(dǎo)作用，流體微團(tuán)受粘性力約束 層流狀態(tài)