流體力學的課件

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流體力學的課件

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流體力學的課件

　　流體力學的課件1

　　流體力學的發展簡史

　　出現

　　流體力學是在人類同自然界作斗爭和在生產實踐中逐步發展起來的。中國有大禹治水疏通江河的傳說。秦朝李冰父子(公元前3世紀)領導勞動人民修建了都江堰，至今還在發揮作用。大約與此同時，羅馬人建成了大規模的供水管道系統。

　　對流體力學學科的形成作出貢獻的首先是古希臘的阿基米德。他建立了包括物體浮力定理和浮體穩定性在內的液體平衡理論，奠定了流體靜力學的基礎。此后千余年間，流體力學沒有重大發展。

　　15世紀意大利達·芬奇的著作才談到水波、管流、水力機械、鳥的飛翔原理等問題。

　　17世紀，帕斯卡闡明了靜止流體中壓力的概念。但流體力學尤其是流體動力學作為一門嚴密的科學，卻是隨著經典力學建立了速度、加速度，力、流場等概念，以及質量、動量、能量三個守恒定律的奠定之后才逐步形成的。

　　發展

　　17世紀力學奠基人I. 牛頓研究了在液體中運動的物體所受到的阻力，得到阻力與流體密度、物體迎流截面積以及運動速度的平方成正比的關系。他對粘性流體運動時的內摩擦力也提出了以下假設：即兩流體層間的摩阻應力同此兩層的相對滑動速度成正比而與兩層間的距離成反比(即牛頓粘性定律)。

　　之后，法國H. 皮托發明了測量流速的皮托管;達朗貝爾對運河中船只的阻力進行了許多實驗工作，證實了阻力同物體運動速度之間的平方關系;瑞士的L. 歐拉采用了連續介質的概念，把靜力學中壓力的概念推廣到運動流體中，建立了歐拉方程，正確地用微分方程組描述了無粘流體的運動;伯努利從經典力學的能量守恒出發，研究供水管道中水的流動，精心地安排了實驗并加以分析，得到了流體定常運動下的流速、壓力、管道高程之間的關系——伯努利方程。

　　歐拉方程和伯努利方程的建立，是流體動力學作為一個分支學科建立的標志，從此開始了用微分方程和實驗測量進行流體運動定量研究的階段。

　　從18世紀起，位勢流理論有了很大進展，在水波、潮汐、渦旋運動、聲學等方面都闡明了很多規律。法國J.-L. 拉格朗日對于無旋運動，德國H. von 亥姆霍茲對于渦旋運動作了不少研究.上述的研究中，流體的粘性并不起重要作用，即所考慮的是無粘流體，所以這種理論闡明不了流體中粘性的效應。

　　理論基礎

　　將粘性考慮在內的流體運動方程則是法國C.-L.-M.-H. 納維于1821年和英國G. G. 斯托克斯于1845年分別建立的，后得名為納維-斯托克斯方程，它是流體動力學的理論基礎。

　　由于納維-斯托克斯方程是一組非線性的偏微分方程，用分析方法來研究流體運動遇到很大困難。為了簡化方程，學者們采取了流體為不可壓縮和無粘性的假設，卻得到違背事實的達朗伯佯謬——物體在流體中運動時的阻力等于零。因此，到19世紀末，雖然用分析法的流體動力學取得很大進展，但不易起到促進生產的作用。

　　與流體動力學平行發展的是水力學(見液體動力學)。這是為了滿足生產和工程上的需要，從大量實驗中總結出一些經驗公式來表達流動參量之間關系的經驗科學。

　　使上述兩種途徑得到統一的是邊界層理論。它是由德國L. 普朗特在1904年創立的。普朗特學派從1904年到1921年逐步將N-S方程作了簡化，從推理、數學論證和實驗測量等各個角度，建立了邊界層理論，能實際計算簡單情形下，邊界層內流動狀態和流體同固體間的粘性力。同時普朗克又提出了許多新概念，并廣泛地應用到飛機和汽輪機的設計中去。這一理論既明確了理想流體的適用范圍，又能計算物體運動時遇到的摩擦阻力。使上述兩種情況得到了統一。

　　飛機和空氣動力學的發展

　　20世紀初，飛機的出現極大地促進了空氣動力學的發展。航空事業的發展，期望能夠揭示飛行器周圍的壓力分布、飛行器的受力狀況和阻力等問題，這就促進了流體力學在實驗和理論分析方面的發展。20世紀初，以茹科夫斯基、恰普雷金、普朗特等為代表的科學家，開創了以無粘不可壓縮流體位勢流理論為基礎的機翼理論，闡明了機翼怎樣會受到舉力，從而空氣能把很重的飛機托上天空。機翼理論的正確性，使人們重新認識無粘流體的理論，肯定了它指導工程設計的重大意義。

　　機翼理論和邊界層理論的建立和發展是流體力學的一次重大進展，它使無粘流體理論同粘性流體的邊界層理論很好地結合起來。隨著汽輪機的完善和飛機飛行速度提高到每秒50米以上，又迅速擴展了從19世紀就開始的，對空氣密度變化效應的實驗和理論研究，為高速飛行提供了理論指導。20世紀40年代以后，由于噴氣推進和火箭技術的應用，飛行器速度超過聲速，進而實現了航天飛行，使氣體高速流動的研究進展迅速，形成了氣體動力學、物理-化學流體動力學等分支學科。

　　分支和交叉學科的形成

　　從20世紀60年代起，流體力學開始了流體力學和其他學科的互相交叉滲透，形成新的交叉學科或邊緣學科，如物理-化學流體動力學、磁流體力學等;原來基本上只是定性地描述的問題，逐步得到定量的研究，生物流變學就是一個例子。

　　以這些理論為基礎，20世紀40年代，關于炸藥或天然氣等介質中發生的爆轟波又形成了新的理論，為研究原子彈、炸藥等起爆后，激波在空氣或水中的傳播，發展了爆炸波理論。此后，流體力學又發展了許多分支，如高超聲速空氣動力學、超音速空氣動力學、稀薄空氣動力學、電磁流體力學、計算流體力學、兩相(氣液或氣固)流等等。

　　這些巨大進展是和采用各種數學分析方法和建立大型、精密的實驗設備和儀器等研究手段分不開的。從50年代起，電子計算機不斷完善，使原來用分析方法難以進行研究的課題，可以用數值計算方法來進行，出現了計算流體力學這一新的分支學科。與此同時，由于民用和軍用生產的需要，液體動力學等學科也有很大進展。

　　20世紀60年代，根據結構力學和固體力學的需要，出現了計算彈性力學問題的有限元法。經過十多年的發展，有限元分析這項新的計算方法又開始在流體力學中應用，尤其是在低速流和流體邊界形狀甚為復雜問題中，優越性更加顯著。21世紀以來又開始了用有限元方法研究高速流的問題，也出現了有限元方法和差分方法的互相滲透和融合。

　　流體力學的課件2

　　流體力學的學科內容

　　基本假設

　　連續體假設

　　物質都由分子構成,盡管分子都是離散分布的,做無規則的熱運動.但理論和實驗都表明,在很小的'范圍內,做熱運動的流體分子微團的統計平均值是穩定的.因此可以近似的認為流體是由連續物質構成,其中的溫度,密度,壓力等物理量都是連續分布的標量場.

　　質量守恒

　　質量守恒目的是建立描述流體運動的方程組.歐拉法描述為:流進絕對坐標系中任何閉合曲面內的質量等于從這個曲面流出的質量,這是一個積分方程組,化為微分方程組就是:密度和速度的乘積的散度是零(無散場).用歐拉法描述為:流體微團質量的隨體導數隨時間的變化率為零。

　　動量定理

　　流體力學屬于經典力學的范疇。因此動量定理和動量矩定理適用于流體微元。

　　應力張量

　　對流體微元的作用力，主要有表面力和體積力，表面力和體積力分別是力在單位面積和單位體積上的量度，因此它們有界。由于我們在建立流體力學基本方程組的時候考慮的是尺寸很小的流體微元，因此流體微團表面所受的力是尺寸的二階小量，體積力是尺寸的三階小量，故當體積很小時，可以忽略體積力的作用。認為流體微團只是受到表面力(表面應力)的作用。非各向同性的流體中，流體微團位置不同，表面法向不同，所受的應力是不同的，應力是由一個二階張量和曲面法向的內積來描述的，二階應力張量只有三個量是獨立的，因此，只要知道某點三個不同面上的應力，就可確定這個點的應力分布情況。

　　粘性假設

　　流體具有粘性，利用粘性定理可以導出應力張量。

　　能量守恒

　　具體表述為：單位時間內體積力對流體微團做的功加上表面力和流體微團變形速度的乘積等于單位時間內流體微團的內能增量加上流體微團的動能增量。

　　流體力學分支

　　流體是氣體和液體的總稱。在人們的生活和生產活動中隨時隨地都可遇到流體。所以流體力學是與人類日常生活和生產事業密切相關的。

　　地球流體力學

　　大氣和水是最常見的兩種流體。大氣包圍著整個地球，地球表面的百分之七十是水面。大氣運動、海水運動(包括波浪、潮汐、中尺度渦旋、環流等)乃至地球深處熔漿的流動都是流體力學的研究內容，屬于地球流體力學范圍。

　　水動力學

　　水在管道、渠道、江河中的運動從古至今都是研究的對象。人們還利用水作功，如古老的水碓和近代高度發展的水輪機。船舶一直是人們的交通運輸工具，船舶在水中運動時所遇到的各種阻力，船舶穩定性以及船體和推進器在水中引起的空化現象，一直是船舶水動力學的研究課題。這些研究有關水的運動規律的分支學科稱為水動力學。

　　氣動力學

　　20世紀初世界上第一架飛機出現以來，飛機和其他各種飛行器得到迅速發展。20世紀50年代開始的航天飛行使人類的活動范圍擴展到其他星球和銀河系。航空航天事業的蓬勃發展是同流體力學的分支學科——空氣動力學和氣體動力學的發展緊密相連的。這些學科是流體力學中最活躍、最富有成果的領域。

　　滲流力學

　　石油和天然氣的開采，地下水的開發利用，要求人們了解流體在多孔或縫隙介質中的運動，這是流體力學分支之一滲流力學研究的主要對象。滲流力學還涉及土壤鹽堿化的防治，化工中的濃縮、分離和多孔過濾，燃燒室的冷卻等技術問題。

　　物理-化學流體動力學

　　燃燒煤、石油、天然氣等，可以得到熱能來推動機械或作其他用途。燃燒離不開氣體。這是有化學反應和熱能變化的流體力學問題，是物理-化學流體動力學的內容之一。爆炸是猛烈的瞬間能量變化和傳遞過程，涉及氣體動力學，從而形成了爆炸力學。

　　多相流體力學

　　沙漠遷移、河流泥沙運動、管道中煤粉輸送、化工流態化床中氣體催化劑的運動等都涉及流體中帶有固體顆粒或液體中帶有氣泡等問題。這類問題是多相流體力學研究的范圍。

　　等離子體動力學和電磁流體力學

　　等離子體是自由電子、帶等量正電荷的離子以及中性粒子的集合體。等離子體在磁場作用下有特殊的運動規律。研究等離子體的運動規律的學科稱為等離子體動力學和電磁流體力學(見電流體動力學，磁流體力學)。它們在受控熱核反應、磁流體發電、宇宙氣體運動(見宇宙氣體動力學)等方面有廣泛的應用。

　　環境流體力學

　　風對建筑物、橋梁、電纜等的作用使它們承受載荷和激發振動;廢氣和廢水的排放造成環境污染;河床沖刷遷移和海岸遭受侵蝕;研究這些流體本身的運動及其同人類、動植物間的相互作用的學科稱為環境流體力學(其中包括環境空氣動力學、建筑空氣動力學)。這是一門涉及經典流體力學、氣象學、海洋學和水力學、結構動力學等的新興邊緣學科。

　　生物流變學

　　生物流變學研究人體或其他動植物中有關的流體力學問題，例如血液在血管中的流動，心、肺、腎中的生理流體運動(見循環系統動力學、呼吸系統動力學)和植物中營養液的輸送(見植物體內的流動)。此外，還研究鳥類在空中的飛翔(見鳥和昆蟲的飛行)，動物(如海豚)在水中的游動，等等。

　　因此，流體力學既包含自然科學的基礎理論，又涉及工程技術科學方面的應用。以上主要是從研究對象的角度來說明流體力學的內容和分支。此外，如從流體作用力的角度，則可分為流體靜力學、流體運動學和流體動力學;從對不同“力學模型”的研究來分，則有理想流體動力學、粘性流體動力學、不可壓縮流體動力學、可壓縮流體動力學和非牛頓流體力學等。

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