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工程流体力学()第1页，本讲稿共26页流体力学的发展简史流体力学的发展简史 流体力学在中国大禹治水 4000多年前的大禹治水大禹治水，说明我国古代已有大规模的治河工程。(公元前256210年)秦代，在公元前256-前210年间便修建了都江堰都江堰、郑国渠郑国渠、灵渠灵渠三大水利工程，说明当时对明槽水流和堰流流动规律的认识已经达到相当水平。龙首渠（公元前156-前87）西汉武帝时期，为引洛水灌溉农田，在黄土高原上修建了龙首渠，创造性地采用了井渠法，即用竖井沟通长十余里的穿山隧洞，有效地防止了黄土的塌方。第2页，本讲稿共26页水利风力机械 在古代，以水为动力的简单机械也有了长足的发展，例如用水轮提水，或通过简单的机械传动去碾米、磨面等。东汉杜诗任南阳太守时（公元37年）曾创造水排水排（水力鼓风机），利用水力，通过传动机械，使皮制鼓风囊连续开合，将空气送入冶金炉，较西欧约早了一千一百年。第3页，本讲稿共26页流体力学在中国真州船闸 北宋（960-1126）时期，在运河上修建的真州船闸与十四世纪末荷兰的同类船闸相比，约早三百多年。潘季顺明朝的水利家潘季顺（1521-1595）提出了“筑堤防溢，建坝减水，以堤束水，以水攻沙”和“借清刷黄”的治黄原则治黄原则，并著有两河管见、两河经略和河防一揽。流流 量量清朝雍正年间，何梦瑶在算迪一书中提出流量流量等于过水断面面积乘以断面平均流速的计算方法。第4页，本讲稿共26页流体力学在中国流体力学在中国钱学森 钱学森（1911）浙江省杭州市人，他在火箭、导弹、航天器的总体、动力、制导、气动力、结构、材料、计算机、质量控制和科技管理等领域的丰富知识，为中国火箭导弹和航天事业的创建与发展作出了杰出的贡献。1957年获中国科学院自然科学一等奖，1979年获美国加州理工学院杰出校友奖，1985年获国家科技进步奖特等奖。1989年获小罗克维尔奖章和世界级科学与工程名人称号，1991年被国务院、中央军委授予“国家杰出贡献科学家”荣誉称号和一级英模奖章。第5页，本讲稿共26页流体力学在中国周培源（19021993)。1902年8月28日出生，江苏宜兴人。理论学家、流体力学家主要从事物理学的基础理论中难度最大的两个方面即爱因斯坦广义相对论引力论和流体力学中的湍流理论的研究与教学并取得出色成果。吴仲华吴仲华（Wu Zhonghua）在1952年发表的在轴流式、径流式和混流式亚声速和超声速叶轮机械中的三元流普遍理论和在1975年发表的使用非正交曲线坐标的叶轮机械三元流动的基本方程及其解法两篇论文中所建立的叶轮机械三元流理论，至今仍是国内外许多优良叶轮机械设计计算的主要依据。第6页，本讲稿共26页流体力学的西方史阿基米德阿基米德（Archimedes，公元前287212）欧美诸国历史上有记载的最早从事流体力学现象研究的是古希腊学者阿基米德阿基米德在公元前250年发表学术论文论浮体，第一个阐明了相对密度的概念，发现了物体在流体中所受浮力的基本原理阿基米德原理。第7页，本讲稿共26页流体力学的西方史列奥纳德奥纳德.达达.芬奇芬奇 （Leonardo.da.Vinci,14521519）著名物理学家和艺术家 设计建造了一小型水渠，系统地研究了物体的沉浮、孔口出流、物体的运动阻力以及管道、明渠中水流等问题。斯蒂文斯蒂文（S.Stevin,1548-1620）将用于研究固体平衡的凝结原理转用到流体上。伽利略伽利略（Galileo,1564-1642）在流体静力学中应用了虚位移原理，并首先提出，运动物体的阻力随着流体介质密度的增大和速度的提高而增大。托里析利托里析利（E.Torricelli,1608-1647）论证了孔口出流的基本规律。第8页，本讲稿共26页流体力学的西方史帕斯卡帕斯卡（B.Pascal,1623-1662）提出了密闭流体能传递压强的原理-帕斯卡原理。牛牛 顿顿 是英国伟大的数学家、物理学家、天文学家和自然哲学家。1642年12月25日生于英格兰林肯郡格兰瑟姆附近的沃 尔索普村，1727年3月20日在伦敦病逝。牛顿在科学上最卓越的贡献是微积分和经典力学的创建。牛顿的成就，恩格斯在英国状况十八世纪中概括得最为完整：牛顿由于发明了万有引力定律而创立了科学的天文学，由于进行了光的分解而创立了科学的光学，由于创立了二项式定理和无限理论而创立了科学的数学，由于认识了力的本性而创立了科学的力学。第9页，本讲稿共26页伯努利伯努利（D.Bernoulli，17001782）瑞士科学家 在1738年出版的名著流体动力学中，建立了流体位势能、压强势能和动能之间的能量转换关系伯努利方程。在此历史阶段，诸学者的工作奠定了流体静力学的基础，促进了流体动力学的发展。流体力学的西方史流体力学的西方史第10页，本讲稿共26页流体力学的西方史流体力学的西方史欧欧 拉拉（L.Euler，17071783）是经典流体力学的奠基人，1755年发表流体运动的一般原理，提出了流体的连续介质模型，建立了连续性微分方程和理想流体的运动微分方程，给出了不可压缩理想流体运动的一般解析方法。他提出了研究流体运动的两种不同方法及速度势的概念，并论证了速度势应当满足的运动条件和方程。第11页，本讲稿共26页流体力学的西方史流体力学的西方史达朗伯达朗伯（J.le R.dAlembert,17171783）1744年提出了达朗伯疑题（又称达朗伯佯谬），即在理想流体中运动的物体既没有升力也没有阻力。从反面说明了理想流体假定的局限性。拉格朗日拉格朗日（J.-L.Lagrange,17361813）提出了新的流体动力学微分方程，使流体动力学的解析方法有了进一步发展。严格地论证了速度势的存在，并提出了流函数的概念，为应用复变函数去解析流体定常的和非定常的平面无旋运动开辟了道路。第12页，本讲稿共26页流体力学的西方史流体力学的西方史弗劳德弗劳德（W.Froude，1810-1879）对船舶阻力和摇摆的研究颇有贡献，他提出了船模试验的相似准则数-弗劳德数，建立了现代船模试验技术的基础。亥姆霍兹亥姆霍兹（H.von Helmholtz,1821-1894）和基尔霍夫（G.R.Kirchhoff,1824-1887）对旋涡运动和分离流动进行了大量的理论分析和实验研究，提出了表征旋涡基本性质的旋涡定理、带射流的物体绕流阻力等学术成就。第13页，本讲稿共26页流体力学的西方史流体力学的西方史纳维（C.-L.-M.-H.Navier）首先提出了不可压缩粘性流体的运动微分方程组。斯托克斯（G.G.Stokes）严格地导出了这些方程，并把流体质点的运动分解为平动、转动、均匀膨胀或压缩及由剪切所引起的变形运动。后来引用时，便统称该方程为纳维-斯托克斯方程。纳维（L.Navier，17851836，法国）斯托克斯（G.Stokes，18191903，英国）第14页，本讲稿共26页流体力学的西方史流体力学的西方史谢谢 才才（A.de Chzy法国）在1755年便总结出明渠均匀流公式-谢才公式，一直沿用至今。雷雷 诺诺（O.Reynolds，1842-1912）1883年用实验证实了粘性流体的两种流动状态层流和紊流的客观存在，找到了实验研究粘性流体流动规律的相似准则数雷诺数，以及判别层流和紊流的临界雷诺数，为流动阻力的研究奠定了基础。第15页，本讲稿共26页流体力学的西方史流体力学的西方史瑞瑞 利利（L.J.W.Reyleigh，1842-1919英国）在相似原理的基础上，提出了实验研究的量纲分析法中的一种方法-瑞利法。库库 塔塔（M.W.Kutta，18671944）1902年就曾提出过绕流物体上的升力理论，但没有在通行的刊物上发表。儒科夫斯基儒科夫斯基（.,18471921）从1906年起，发表了论依附涡流等论文，找到了翼型升力和绕翼型的环流之间的关系，建立了二维升力理论的数学基础。他还研究过螺旋桨的涡流理论以及低速翼型和螺旋桨桨叶剖面等。他的研究成果，对空气动力学的理论和实验研究都有重要贡献，为近代高效能飞机设计奠定了基础。第16页，本讲稿共26页流体力学的西方史流体力学的西方史普朗特普朗特（L.Prandtl，18751953）建立了边界层理论，解释了阻力产生的机制。以后又针对航空技术和其他工程技术中出现的紊流边界层，提出混合长度理论。1918-1919年间，论述了大展弦比的有限翼展机翼理论，对现代航空工业的发展作出了重要的贡献。卡卡 门门（T.von Krmn，1881-1963）在1911-1912年连续发表的论文中，提出了分析带旋涡尾流及其所产生的阻力的理论，人们称这种尾涡的排列为卡门涡街。在1930年的论文中，提出了计算紊流粗糙管阻力系数的理论公式。嗣后，在紊流边界层理论、超声速空气动力学、火箭及喷气技术等方面都有不少贡献第17页，本讲稿共26页流体力学的西方史流体力学的西方史布拉休斯（H.Blasius）在1913年发表的论文中，提出了计算紊流光滑管阻力系数的经验公式。伯金汉（E.Buckingham）在1914年发表的在物理的相似系统中量纲方程应用的说明论文中，提出了著名的定理，进一步完善了量纲分析法。尼古拉兹（J.Nikuradze）在1933年发表的论文中，公布了他对砂粒粗糙管内水流阻力系数的实测结果-尼古拉兹曲线，据此他还给紊流光滑管和紊流粗糙管的理论公式选定了应有的系数。第18页，本讲稿共26页流体力学的西方史流体力学的西方史科勒布茹克科勒布茹克（C.F.Colebrook）在1939年发表的论文中，提出了把紊流光滑管区和紊流粗糙管区联系在一起的过渡区阻力系数计算公式。莫迪莫迪（L.F.Moody）在1944年发表的论文中，给出了他绘制的实用管道的当量糙粒阻力系数图-莫迪图。至此，有压管流的水力计算已渐趋成熟。第19页，本讲稿共26页流体力学在工程中的应用流体力学在工程中的应用航空航天航海 船舶运动船舶运动地地效效翼翼艇艇（WIG）浮标浮标 海洋平台海洋平台 潜器潜器 第20页，本讲稿共26页流体力学在工程中的应用流体力学在工程中的应用能源动力发动机发动机四冲程四冲程Wind Wind TurbineTurbine第21页，本讲稿共26页能源动力飞机发动机蒸汽机车第22页，本讲稿共26页建筑与环境建筑与环境杨浦大桥节能型建筑第23页，本讲稿共26页气象科学气象云图龙卷风第24页，本讲稿共26页环境控制污水净化设备模型电厂冷却塔第25页，本讲稿共26页生物仿生学信天翁滑翔信天翁滑翔信天翁滑翔信天翁滑翔 应用广泛已派生出很多新的分支:电磁流体力学、生物流体力学化学流体力学、地球流体力学高温气体动力学、非牛顿流体力学爆炸力学、流变学、计算流体力学等第26页，本讲稿共26页
