人类早期的梦想和探索
– 发现阿基米德定律 （浮力原理）；
浮力原理
曹冲（196-208）称象
人类早期的梦想和探索
– 阿基米德螺旋（线）；
阿基米德螺旋抽水机
常见的阿基米德螺线
人类早期的梦想和探索
• ·列奥纳多•达•芬奇（ Leonardo Da Vinci, 1452-1519） – 文艺复兴的代表人物之一，是世界文化史上最伟大的人物之一； – 意大利著名的艺术家、科学家和工程师，航空科学研究的创始人。
早期的流体力学
• 达朗贝尔（D‘Alembert Jean Le Rond ） – 法国著名的物理学家、数学家 和天文学家； – 十八世纪为牛顿力学体系的建 立作出卓越贡献的科学家之一 ； – 提出了波动方程； – 第一次提出了流体速度和加速 度分量的概念。
D‘Alembert (1717-1783)
研究内容：研究得最多的流体是水和空气。
二、早期的流体力学
期的流体力学
• 牛顿（Isaac Newton，1642-1727） –英国伟大的数学家、物理学家、 天文学家和自然哲学家。 –牛顿在科学上最卓越的贡献是微 积分和经典力学的创建。 –得到阻力与流体密度、物体迎流 截面积以及运动速度的平方成正 比的关系。 –提出了“牛顿粘性定律”； –牛顿并没有建立起流体动力学的 理论基础，他提出的许多力学模 型和结论同实际情形还有较大的 差距。
Stokes (1819-1903)
十九世纪的流体力学
• N-S方程的具体形式
vx vx vx vx 2vx 2vx 2vx p ( vx vy vz ) ( 2 2 2 ) g x x y z x y z x 2 2 2 v y v y v y v y v y v y v y p ( vx vy vz ) ( 2 2 2 ) g y x y z x y z x 2 2 2 vz vz vz vz vz vz vz p ( vx vy vz ) ( 2 2 2 ) g z x y z x y z x
二十世纪的流体力学
– 我国流体力学研究做出奠基工作的陆士嘉教授也曾是 普朗特的学生。 – 陆士嘉教授（1911-1986） • 北京航空学院的筹建者之一； • 中国第一个空气动力学专业奠基者。
陆士嘉（1911-1986）
二十世纪的流体力学
• 20世纪上半叶的哥廷根大学——物理学领域的“麦加” – 在20世纪上半叶创造了“哥廷根诺贝尔奇迹”； – 45位诺贝尔奖得主曾在哥廷根大学学习、任教或研究； – 著名校友还包括： • 德意志帝国的宰相奥托·冯·俾斯麦； • 联邦德国前总统里夏德·冯·魏茨泽克； • 前总理格哈特·施罗德； • 德国大诗人海涅； • 童话作家格林兄弟； • 第一批原子弹制造者罗伯特·奥本海默； • 金融家约翰·皮尔蒙特·摩根； 哥廷根大学 • 哲学家亚瑟·叔本华，也曾求学于哥廷根；
三、十九世纪的流体力学
十九世纪的流体力学
• 纳维（Claude Louis Navier, 1785-1836） –法国工程师和物理学家； –建立了流体平衡和运动的基本方程。 • 斯托克斯（1819-1903） –英国力学家、数学家； –建立粘性流体运动的基本方程组 ；
Navier (1785-1836)
萨顿曾指出：“写一部有关他 的天才作品的完整研究著作， 也就意味着写一部十五世纪科 学技术的真正百科全书。”
Da Vinci (1452-1519)
人类早期的梦想和探索
– 在许多学科学领域都颇有建树
水利机械
达•芬奇遗留手稿
鸟的飞翔原理
人类早期的梦想和探索
– 航空科学研究的创始人。
Martin Kemp, Leonardo lifts off: A wing designed by Leonardo da Vinci proves to be aerodynamic. Nature Vol. 421, 20 February 2003
V 1 (V )V p t
• 能被用来研究冲击波。
Euler (1707-1783)
早期的流体力学
欧拉方程和拉普拉斯（Laplace）方程至今仍空气动力 学和水波等理论中应用。
V 1 (V )V p t
2 0
早期的流体力学
• 研究流体的力学研究从牛顿开始，但作为 一门学科——流体力学，则是18世纪的欧 拉，伯努利(Bernoulli)，克莱洛和达朗贝 尔打下的基础； • 欧拉方程和伯努利方程的建立，是流体动 力学作为一个分支学科建立的标志，从此 开始了用微分方程和实验测量进行流体运 动定量研究的阶段。
什么是流体力学？
力学
流体力学
流体的运动规律
流体的宏观平衡
流体静力学
流体动力学
基础知识
高等数学，大学物理，理论力学
什么是流体力学？
流体力学——是力学的一个独立分支，主要研究 流体本身的静止状态和运动状态，以及流体和固 体界壁间有相对运动时的相互作用和流动的规律 。 1738年伯努利出版他的专著时，首先采用了水 动力学这个名词并作为书名；1880年前后出现了 空气动力学这个名词；1935年以后，人们概括了 这两方面的知识，建立了统一的体系，统称为流 体力学。
L. Prandtl (1875－1953)
二十世纪的流体力学
– 1904年，普朗特完成他最著名的一篇论文——《非 常小摩擦下的流体流动》。在这篇论文中，普朗特首 次描述了边界层及其在减阻和流线型设计中的应用， 描述了边界层分离，并提出失速概念。 由此，创造 了边界层理论。
流体边界层
二十世纪的流体力学
二十世纪的流体力学
• 2. 美国的崛起 – 冯·卡门（ T.von Kármán， 1881-1963），匈牙利犹太人。 – 提出“卡门涡街”理论、建立“ 湍流”概念； – 我国著名科学家钱学森博士的导 师； – “全世界闻名的工程力学和航空 技术权威” ； – 美国国家科学勋章的首位获得者
超临界翼型验证试飞中的TF－8A
高尔夫球，表面光滑还是粗糙？
高尔夫球表面有很多窝 坑在同样大小和重量下，飞 行距离为光滑球的5倍
二十世纪的流体力学
– 研究了带弯度翼型的气动问题，并提出简化的薄翼 理论； – 可压缩性问题：普朗特－葛劳渥修正公式 ；
二十世纪的流体力学
–培养了很多著名科学家，其中包括冯.卡门（von Kármán ）、 梅耶（Theodor Meyer ）、贝茨（A.Betz）、贝克尔（E. Becker）、施利希廷（H. Schlichting）、阿道夫.布斯曼 （A.Busemann）等著名流体力学家，影响深远的流体力学哥 廷根学派。
– 为什么两艘轮船相离很近前进时容易相撞？
一艘渡船和一艘运输船在巴哈马水域相撞
两船相撞的原理
早期的流体力学
• 欧拉（Leonhard Euler ，17071783）,瑞士数学家和物理学家。 –数学：第一个使用“函数”，把 微积分应用于物理学的先驱者之 一； –理想流体基本方程——欧拉方程 （1736）；
• 失速 – 飞机的升力系数随飞机迎角的增加而增大。当迎角增 加到某一数值后，升力系数不升反降，导致飞机升力 迅速小于飞机重力，飞机便很快下坠，这种现象称为 失速。 – 当失速时，飞机会产生失控的俯冲颠簸运动，发动机 发生振动，驾驶员感到操纵异常。
二十世纪的流体力学
– 避免边界层分离以及失速的方法——超临界翼型；
早期的流体力学
– 《动力学》于1743年出版，是达朗贝尔最伟大的物理学著作 – 《动力学》中阐述了著名的达朗贝尔原理： • 作用于一个物体的外力与动力的反作用之和等于零．即
F (ma) N 0
• 在没有约束时 ，与牛顿的运动第二定律一致； • 但这是概念上的变化，有下列重要意义： – 把动力学问题转化为静力学问题来处理； – 用于刚体的平面运动时，可利用平面静力学方法，使问 题简化； – 在有约束情况下，用达朗贝尔原理式非常有利； – 而且为分析力学的创立打下了基础。
流 体 力 学
总学时：32学时 课堂教学：26学时 实验教学：4学时 教材： 《流体力学泵与风机》 蔡增基 龙天渝 主编 中国建筑工业出版社出版
内
第一章 第二章 第三章 第四章 第五章 第六章
容
绪论 流体静力学 流体动力学基础 流动阻力和能量损失 孔口管嘴管路流动 相似原理和因次分析
绪 论
流体力学发展史及其在实际工程中的应用
Newton (1642-1727)
早期的流体力学
• 伯努利（Daniel Bernoulli，1700-1782） – 瑞士物理学家、数学家、医学家； – 著名的伯努利家族中最杰出的一位； – 被称为“流体力学之父”。
《流体动力学》 (Hydrodynamica) (1738年出版) Bernoulli (1700-1782)
Reynolds (1842-1912) 雷诺的实验装置
十九世纪的流体力学
层流（Re＜2000）
过渡流（Re=2000~4000）
湍流（Re>4000）
十九世纪的流体力学
– 找到了实验研究粘性流体流 动规律的相似准则数──雷 诺数：
UL Re
– 提出了雷诺平均N-S方程，至 今还是湍流计算中的主要数 学模型。
一、人类早期的梦想和探索
人类早期的梦想和探索
• 《墨子》记载：“公输子削竹木以为鹊，成而飞之，三 日不下。”
人类早期的梦想和探索
• 阿基米德（Archimedes, BC287－BC212） – 古希腊哲学家、数学家、物理学家。 – 兼力学和物理学的伟大学者，享有“力学之父”的美 称。
“假如给我一个支点，我就能撬起地球。”
烟缕由层流转变为湍流