汽车：阻力来自前部还是后部 汽车发明于19世纪末，当时人们认为汽车的阻力主要来 自前部对空气的撞击，因此早期的汽车后部是陡峭的， 称为箱型车，阻力系数（CD）很大，约为0.8。
实际上汽车阻力主要来自后部形成的尾流，称为形状阻力
汽车：阻力来自前部还是后部 20世纪30年代起，人们开始运用流体力学原理改进汽车 尾部形状，出现甲壳虫型，阻力系数降至0.6。
脱体涡量与机翼环量大小相等方向相反
机翼：升力来自上部还是下部 足球的“香蕉球”现象可帮助理解环量理论。
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旋转的球带动空气形成环流，一侧气体加速，另一侧 减速，形成压差力，使足球拐弯，称为马格努斯效应
机翼：升力来自上部还是下部 机翼的特殊形状使它不用旋转就能产生环量
上部流速加快形成吸力，下部流速减慢形成压力，两者合成 形成升力。
主讲教师：孙 雷 宗智
船舶工程学院
A 绪论
A1 流体运动与流体力学 A2 流体力学与科学 A3 流体力学与工程技术 A4 流体力学的研究方法 A5 单位制
A1 流体运动与流体力学
从古至今：人类生活在被流体围绕的环境中
人类祖先在海洋里生活了 40亿年
在空气中也生活了近700万年
人类的感性认识: 流体<<固体
经过近80年的研究改进，汽车阻力系数从0.8降至0.137， 阻力减小为原来的1/5 。
机翼：升力来自上部还是下部 人们的直观印象是空气从下面冲击着鸟的翅膀，把鸟托在 空中，就像船舶受到水下面的压力把船托在水面上一样。
错误的根源：认为升力来源于对空气的拍打
机翼：升力来自上部还是下部 19世纪初建立的流体力学环量理论彻底改变了人们的传统 观念。
20世纪50－60年代改进为船型，阻力系数为0.45。
汽车：阻力来自前部还是后部 80年代经过风洞实验系统研究后，又改进为鱼型，阻力 系数为0.3。
以后进一步改进为楔型，阻力系数为0.2。
汽车：阻力来自前部还是后部
90年代后，科研人员研制开发的未来型汽车，阻力系数 仅为0.137。
汽车：阻力来自前部还是后部
A1.2 流体力学的任务
流体力学是研究流体宏观运动规律的学科。 主要研究流体的运动规律，流体之间或流体 与固体之间的相互作用力，及流动过程中动 量、能量和质量的传输规律等。
A2 流体力学与科学
纪元前人类研究流体运动取得的成就：
公元前2282年我国的大禹治水， 公元前４世纪古罗马建造城市供水系统， 公元前３世纪阿基米德发现浮力定律， 及我国四川建造都江堰水利工程等。
丰富多彩的流动图案背后隐藏着复杂的力学规律， 人类为揭示流动奥秘建立了流体力学学科。
研究和解决生产、科研、生活中的流体运动问题 就是流体力学的任务。
A1.2 流体力学的任务
航空、航海、水利、水文、气象、环境保护、农业、 渔业、国防等部门必须掌握水和空气的宏观运动规律。
船舶与海洋工程中的设备的工作介质都是流体，为 了改进流程、提高效率，更需要流体力学的知识。
因此用皮革制球
15世纪苏格兰盛行
后来发现表面有很 多划痕的旧球反而
飞得更远
这个谜直到20世纪建立流体力学边界层理论后才解开
高尔夫球：飞得远应表面光滑还是粗糙
光滑圆球体 一杆打击40
米远
老旧带划痕 球体打击更
远
螺旋线、网纹、 方格纹、凸粒、 凹坑200米开外
现在的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，飞行阻 力为光滑球的1/5。
以周培源、钱学森为代表的中国科学家在湍流理论、 空气动力学等许多重要领域内作出了基础性、开创性的 贡献。
在流体力学领域内的一些重大发现和研究成果被推广 应用到其他学科领域中，有的已成为新学科的理论基 石，开创了新的研究方向。
A2 流体力与科学
２０世纪最具代表性的例子有：

边界层理论导致应用数学中渐近展开匹配法
A1.1 有关流体运动的三个问题
一些流体运动问题的直觉往往与事实不符
高尔夫球：飞得远应表面光滑还是粗糙 汽车：阻力来自前部还是后部 机翼：升力来自上部还是下部
高尔夫球：飞得远应表面光滑还是粗糙
“捶丸”早在元世祖至元十九年（公元1282年） 就在中国出现
当时人们认为表面光 滑的球飞行阻力小，
的形成。

孤立波理论成为新学科光通信的基石，并应
用于声学、超导等其他领域。

劳伦兹方程发现混沌。劳伦兹系统中代表
无穷多天气状态的吸引子图形像蝴蝶，因此被称为“蝴蝶
效应”。
A3 流体力学与工程技术
流体力学也是工程技术的重要基础。 对航空、航天、航海技术的影响： 由于空气动力学的发展人类已研制出的战斗机；
机翼：升力来自上部还是下部 测量和计算表明，上部吸力的贡献远比下部压力要大。
上部吸力 下部压力
机翼：升力来自上部还是下部 思考题：直升飞机没有机翼，靠旋转的浆翼产生升力，你 认为它产生环量的机理是（ ） 请选择： A.与旋转的足球一样； B.与固定的机翼一样； C.其他。
A1.2 流体力学的任务
A2 流体力学与科学
公元１８世纪，随着牛顿运动定律和微积分方法的建立， 流体力学迈入理性发展的阶段。
一批著名的科学家如欧拉、伯努利、达朗贝尔、拉格朗日和拉普 拉斯等建立了关于无粘性流体的理论流体力学； 哈根、泊肃叶和谢才等一批著名的实验家则建立了关于真实流体 的实验流体力学。
公元１９世纪末，两个流体力学分支开始结合，此期间的 重大发展还有：
米格-15和F-86
米格-23
F-16战隼
５ X-51A 倍 声 速
F-22猛禽
A3 流体力学与工程技术
使载重量超过300t，面积达半个足球场的大型民航客 机靠空气动力作用，像鸟一样飞行成为现实，创造了人类 技术史上的奇迹。
安托诺夫An-225"梦想式"运输机
弗劳德建立模型实验法则， 瑞利建议采用量纲分析法， 雷诺发现两种流动状态， 纳维和斯托克斯则建立了粘性流体的运动方程。
A2 流体力学与科学 现代意义上的流体力学形成于２０世纪初，
以普朗特的边界层理论为标志，还有冯·卡门和泰 勒等一批流体力学家在空气动力学、湍流和涡旋理论等 方面的卓越成就奠定了现代流体力学基础。