工程流体力学
方丽萍
人类的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
虽然生活在流体环境中，人们对一些流体 运动却缺乏认识，比如：
1. 高尔夫球 ：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 ：来自下部还是上部？
3倍声速战斗机
50wt排水量油轮
长江三峡
动力机械应用：水泵与水轮机、发电站
第一章 流体及其主要物理性质
流体微团（流体质点）作为研究问题的基本单位， 满足：
宏观上无穷小：以致于可以将其看成一个几何 上没有维度的点。
微观上无穷大：包含着许许多多的分子，其行 为已经表现出大量分子的统计学性质。
引入连续介质假设的意义： 流体看成连续介质的单元体，则流体的一切宏观物理量
（如质量、流速、压力、能量等）都是时间和空间的连续 函数。因此，可以引用连续函数等数学解析方法、特别是 微积分方法，来研究流体平衡和运动状态下有关物理参数 之间的数量关系，解决流体力学问题，这对于流体力学的 理论研究具有重要意义。
均质： G
V
流体重量（N） 流体体积（m3）
非均质 lim G dG
V 0 V dV
单位： 牛顿/米3（N/m3）
密度与重度的关系:
g
第一章 流体及其主要物理性质
相对密度——比重（d）
液体的相对密度——液体的质量与同体积4ºC蒸馏 水质量之比
气体的相对密度——气体的密度与同温同压下的空
限，除去作用力
液体、气体具有流
后固体应变消失
动性，通称为流体
第一章 流体及其主要物理性质
三、连续介质假设
微观上讲，流体由分子组成，分子间是有间隙、不连续的。 但流体力学的研究着眼于宏观流体的机械运动，而非微观分 子运动。
连续介质假设由瑞士学者欧拉（Euler）在1753年提出，即： 不考虑流体分子的存在，而是把真实流体看成由无数连续分 布的流体微团（或流体质点）所组成的连续介质，流体质点 紧密接触，彼此间无任何间隙。
≈分子有效直径 >>分子有效直径
中等
很小
几何特性
保持固定的形状 和体积
体积压缩较性固为定气、体形、液没体有的固主定要区的别形状
状不固定
不易压缩，
和体积
易压缩，没
有自由表面
有自由表面
物理力学特性
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
能力若承、不受 剪超拉 切过易力 力弹流、性动极压性为固不 静 剪体能 止 切与承 时 力流受 不体拉 能的力 承主， 受要区不静剪别能止切承时力受不拉能力承、受
定义二：在静力平衡时，不能承受剪切力的物质就是流体。
定义三：流体是一种受任何微小剪切力都能连续变形的物质， 是气体和液体的通称。
要点：流体包括气体和液体，具有易流动性，且在静止状
态下不能承受剪切力。
第一章 流体及其主要物理性质
二、流体的基本特征
物质形态
固态（固体）
分子距
很小
分子引力、斥力
很大
液态（液体） 气态（气体）
第一章 流体及其主要物理性质
引言
流体的物理性质决定了流体平衡和运动规律的内部 原因。
流体上的作用力决定了流体平衡和运动规律的外部 原因。
在没有讨论流体力学规律之前，应首先了解流体的 概念、流体的主要物理性质以及作用在流体上的力。
§1.1 流体的概念 §1.2 流体及其物理性质 §1.3 作用在流体上的力
水能利用
风能利用
汽车流线型设计
血液在血管流动
研究对象：流体 （液体和气体） 研究任务：研究流体静止和运动的力学规律及 其在工程技术中的应用。
流体力学是本专业的一门重要基础课， 供热、供冷、通风、空调、给排水都是
以流体为介质的
工程流体力学
本课程的学习方法、要点 ① 重视对基本概念和基本理论的学习，做到
第一章 流体及其主要物理性质
一、密度 (Density) ρ
定义：单位体积流体的质量
均质： M
V
流体质量（kg） 流体体积（m3）
非均质： lim M dM
V 0 V dV
单位：千克/米3 （kg/m3）
第一章 流体及其主要物理性质
二、重度 (Specific weight) γ
定义：单位体积流体的重量，又称为容重
第一章 流体及其主要物理性质
连续介质假设对于大多数流体是适用的， 但对于稀薄的气体而言，必须作为不连续流体 考虑，此时连续介质假设不适用。
§1.2 流体的主要物理性质
教学 目的
教学 基本 内容
1.【掌握】密度、重度、相对密度、膨胀 性、 压缩性
2.【重点掌握】流体的粘性、牛顿内摩擦 定律。
流体的主要物理性质
基础知识 流体宏观表象的内因 流体宏观表象的外因
第一章 流体及其主要物理性质
§1.1 流体的概念
教学 目的
教学 基本 内容
1.【了解】流体的概念和特性 2.【掌握】连续介质假设
1. 流体的定义和特性 2. 连续介质模型
第一章 流体及其主要物理性质
一、流体的概念
定义一：流体包括气体和液体，既不能保持一定的形状，而 且具有很大的流动性。
气密度之比
d
0
0
0 、 0 分别为标准密度和标准重度。
第一章 流体及其主要物理性质
三、压缩性 (Compressibility)
定义：在温度不变的条件下，流体在压力作用下体积 缩小的性质 表征：体积压缩系数 （coefficient of volume compressibility） p
流体力学的研究方法
➢ 理论分析方法 建立模型 推导方程 求解方程
➢ 实验方法 相似理论 ➢ 数值方法
数学模型
离散化
模型试验
解释结果
测量
数据分析
编程计算
检验结果
网格的划分
压力分布
速度分布
日本名古屋矢田川桥抗风性能数值模拟（同济大学）
流体力学的发展简史
1. 阿基米德（公元前287-前212年） 2. 牛顿（1642-1727年） 3. 伯努力（1700-1782年） 4. 欧拉（1707-1783年） 5. 拉格朗日（1736-1831年） 6. 达朗倍尔（1717-1783年） 7. 亥姆霍兹 8. 纳维、斯托克斯（1781-1953年） 9. 普朗特（1875-1953年）
对所研究的物理过程有深刻的理解；
② 学会应用工程流体力学分析和解决实际问 题的思路和方法，培养综合分析问题的能 力和创造性的思维能力；
工程流体力学
③ 加强工程实际训练，理论与实践相结合，培养 工程分析能力和灵活应用经验公式、计算图表
的能力； ④ 充分认识自学的重要性，培养独立地获取知识
的能力； ⑤ 注意学习方法，及时复习与小结。