第1章 绪论
➢ 流动的几个问题及流体力学发展史简介 (为什么要建立流体力学学科，该学科的发展史） ➢ 流体力学研究内容、研究方法和应用 ➢ 流体的定义和特征 ➢ 作用在流体上的力 ➢ 流体的主要物理性质
有关流动的几个问题
人类祖先在海洋里生活了40亿年
人类在空气里也生活了700万年
人们对一些流动问题的直觉常常与事实不符
（1）高尔夫球：飞得远应表面光滑还是粗 糙？
（2）汽车：阻力来自前部还是后部？ （3）机翼：升力来自上部还是下部？
高尔夫球起源于15世纪的苏格兰
起初，人们认为表面光滑的球飞行阻力小，因此用 皮革制球
后来发现用旧的球反而飞得远，这个谜到了20世 纪流体边界层理论得建立才得以解开
光滑球
粗糙球
现在高尔夫球表面制作成很多凹坑，阻力减小到光 滑球的1/5左右
1.2 流体力学研究内容、方法和应用
流体力学研究内容（任务）
➢ 流体力学就是研究流体宏观运动规律的学科。它的研 究对象是流体，主要研究在各种力的作用下，流体本 身的静止状态和运动状态特性，以及流体和相邻固体 界面间有相对运动时的相互作用规律，研究流动过程 中动量、能量和质量的传输规律。
➢ 具体地说，它的基本任务在于： ➢ （1）建立描述流体静止和运动的基本方程； ➢ （2）确定流体流经各种通道及绕流不同物体时，速
➢ 哈根（G. Hagen，德国）、泊肃叶（J. Poiseuille， 法国）和谢才（A. Chezy）建立了真实流体的实验 流体力学。
➢ 19世纪末两个流体力学分支开始结合，此期间重大 发展还有：
弗劳德（W. Froude) 1810
－1879 英国
建立了模型 实验法则
瑞利(L. Reyleigh) 1842－1919，
汽车阻力 汽车发明于19世纪末
当时，人们认为汽车阻力主要来自前部空气的撞击
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0.8。
实际上，汽车阻力主要取决于后部形成的尾流。
20世纪30年代起，人们开始运用流体力学原 理，改进了汽车的尾部形状，出现了甲壳虫型， 阻力系数下降至0.6。
➢ 流动形态变化太快
肉眼无法辨认
➢ 用特殊的技术可以让流动图像显现出来：
与圆柱绕流相似：高尔夫球和汽车后部流动图像 与前部有显著差别，正是这种差别导致运动的阻 力
机翼运动时的流动图像则表明，尾部的旋涡与绕 机翼的环流同时产生，正是这种环流导致机翼的 升力。
丰富多彩的流动图案背后隐藏着复杂的力学规 律，有些动物具有巧妙运用这些规律的本领。
机翼的特殊形状，使它不用旋转就能产生环流， 上部流速加快形成吸力，下部流速减慢成压力。 两者合力形成升力
测量和计算表明上部吸力的贡献比下部要大。
数百吨重的飞机悬浮在空气中和万吨巨轮悬 浮在水面上的流体力学原理完全不同
人们不能凭直觉认识流体运动，是因为：
➢ 空气看不见摸不着 ➢ 水无色透明
肉眼难以观察真实 流动图像
机翼升力 当鸟类停止扑翼在空中滑翔时，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，类似于船舶受念。
翼型周围的速度环流使其产生升力。
足球运动的香蕉球现象可以帮助理解环流理论：
旋转的球带动空气形成环流，一侧气流加速， 另一侧气流减速。形成压力差，使足球拐弯， 称为马格努斯效应。
➢ 公元前3世纪，阿基米德发 现浮力定律。
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阶段
欧拉
（1707-1783） 瑞士
伯努利
（1700-1782） 瑞士
拉普拉斯 拉格朗日 达朗贝尔
(1749-1827) 法国
（1736-1813) 意大利
（1717-1783） 法国
建立了无粘性理论流体力学，使流体力学基本理论 初步形成。
课程安排
学时数：40＝36（理论课）＋4（实验课） 课程性质：专业基础课 成绩评定：作业（10%）+实验（10%）+考勤（10%）
+期末考试（70%） 教材：
• 孔珑主编 《流体力学（I）》. 高等教育出版社，2000
参考书：
• 莫乃榕. 《工程流体力学》. 华中理工大学出版社，2000 • 林建忠等. 流体力学. 清华大学出版社，1999
英国
建议采用量 纲分析法
雷诺(O. Reynolds) 1842－1912，
爱尔兰
纳维(C. Navier) 1785－1836，
法国
斯托克斯(G. Stokes)
1819－1903，
英国
发现两种流 建立了粘性流体的运动方
态
程，即N－S方程
➢ 1904年，德国普朗特(L.Prandtl)发表 的边界层理论
50～60年代又改进为船型，阻力系数为0.45。
80年代经风洞实验系统研究后，进一步改 进为鱼型，阻力系数为0.3。
后来又出现楔型，阻力系数为0.2。
90年代以后，科研人员研制开发了气动性 能更优良的汽车，阻力系数仅为0.137。
经过近80年的改进，汽车的阻力已经减少到 原来的1/5
目前在汽车外形设计中，流体力学性能研究已 占主导地位，合理的外形使汽车具有更好的动 力学性能和更低的耗油率。
度、压强分布规律； ➢ （3）探求能量转换和损失的计算方法； ➢ （4）解决流体与固体之间的相互作用力的问题。
具有高度智慧的人类为了揭开流动奥秘， 建立了流体力学学科。
1.1流体力学发展史简述
流体力学是人类同自然界作斗争和生产实践中发展起 来的。最早流体知识是从治水、灌溉等方面开始的。
➢ 中国古时候有大禹治水疏通 江河的传说；
➢ 秦朝李冰父子带领劳动人民 修建的都江堰，至今还发挥 着作用；大约与此同时，古 罗马人建成了大规模的供水 管道系统
卡门
钱学森
周培源
他们在空气动力学和湍流理论作出了基础性和开创性的
贡献。边界层理论与机翼理论和气体动力学一道成为了
现代流体动力学的基石。
20世纪中叶以来，工业生产和尖端技术的发展需要促使流体 力学与其他学科进行交叉融合，形成了包括多个学科的分支 体系。目前已包括：
（普通）流体力学、粘性流体力学、气体动力学、稀薄气体 动力学、水动力学、渗流力学、非牛顿流体力学、多相流体 力学、磁、化学、生物、地球、计算流体力学等