流体力学分支及其概述
姓名：
班级：硕5015
学号：
2015/12/20
目录
流体力学分支 (2)
地球流体力学 (2)
学科的形成 (2)
研究的地球流体运动类型： (2)
水动力学 (4)
研究内容 (5)
水动力学的应用 (6)
气动力学 (7)
内容介绍 (7)
渗流力学 (9)
物理-化学流体动力学 (11)
研究对象 (11)
研究内容 (11)
等离子体动力学和电磁流体力学 (12)
环境流体力学 (12)
生物流变学 (12)
流体力学分支
流体是气体和液体的总称。在人们的生活和生产活动中随时随地都可遇到流体。所以流体力学是与人类日常生活和生产事业密切相关的。
地球流体力学
流体力学的一个分支，研究地球以及其他星体上的自然界流体的宏观运动，着重探讨其中大尺度运动的一般规律。它是 20世纪 60年代发展起来的一个新学科。geophysical fluid dynamics按字义为"地球物理流体力学"，由于考虑到地球和自然界还有包含化学反应的许多流动过程也日渐成为这一学科的研究内容，故以译作地球流体力学为宜。另外，这个学科在国际上还有一些别的名称，其中一个比较流行的是"自然流体力学"(natural fluid dynamics)。
学科的形成
近百年来，人类对天气预报、航海和海洋资源开发的需要不断增长，大气大尺度运动和海洋大尺度运动的研究得到了发展，逐渐形成了大气动力学和海洋动力学。随着空间科学技术的发展，研究近地空间和其他星体的流体运动已成为现实，而随着地质和地球物理学的发展，研究地幔运动也成为重要的课题。流体力学的一般原理虽然也适用于上述自然界流体运动，但像天气系统和大洋环流等流体运动是由自然界中巨大的能源所推动，其时间尺度和空间尺度都比气体动力学和水动力学（见液体动力学）等与生产技术有关的流体运动的尺度要大得多，而引力、星体的自旋以及能量的交换和转移过程又在其中起着主要作用，因而这些流动具有非常鲜明的特点和共同的基本规律。研究这些共同的基本规律能使人类对大气或海洋等各种具体运动的特点和规律有深刻的认识。地球流体力学正是在这种背景下逐渐形成的。
研究的地球流体运动类型：
地球流体运动按空间尺度或性质可分为下列数种类型：重力－惯性波、行星波、埃克曼流、大气和大洋环流、涡旋、重力波和对流等。后三者为一般流体
力学所共有，这里不单独解释。
①重力-惯性波。地球流体的一种基本运动形式，由重力和科里奥利力共同作用所形成。相速（见波）远大于流速。若波长较短，则科里奥利力影响极小，与通常分层流动中的重力波无异。若波长较长，特别是和地球（或别的行星）同量级时，科里奥利力影响明显，则波的相速和结构都与重力波明显不同。
②行星波。地球的大气运动、海洋运动和其他行星大气大尺度运动的最明显和最重要的形式，流场弯曲如波状，波长大都与行星半径同量级（在洋流中波长较短），因而得名。又称罗斯比 - 阿尔文波或罗斯比波。行星波与大型天气系统密切相关，又是大气环流或大洋环流的主要组成部分，故为大气动力学、海洋动力学和地球流体力学的主要研究对象。行星波的相速和流速同量级，涡量远大于散度，故又称涡旋波。其产生机制是行星表面各处的科里奥利参数不均匀，即行星大气涡量的地面法向分量存在梯度，从而使流体微团在运动过程中改变其相对涡量，形成波动。事实上，若ω=0，和式（1）相应的线性方程除有重力波解外，还有定常的涡旋场解。若ω0，则涡旋场为非定常，成为涡旋波；且忽略二维可压缩性（取二维散度为零）时，它也存在；能量来源于流体运动自身的惯性，故又称为惯性波。
③埃克曼流。行星边界层内的流动。其主要特征是流体速度水平分量沿高度呈螺线变化，称埃克曼螺线。这是由于层内流体速度因粘性力作用而减小，使科里奥利力与压强梯度、重力之间失去平衡的结果。埃克曼流常伴有铅直速度，称埃克曼抽吸，影响行星边界层外的大尺度运动。
④大气环流。大气中各种大尺度运动的全体组成的具有最大空间尺度的运动。已发现两种非常不同的大气环流型：
a 罗斯比环流型由明显的行星波组成的非轴对称的大气环流型，为纪念阐明行星波的罗斯比而命名。地球大气环流即属此型。
b 哈得莱环流型大气环流表现为对星体自旋轴对称和准对称的大气环流型。由G.哈得莱首先阐明，故名。木星大气环流即属此型。
大气环流型主要取决于星体自转角速度ω以及星体大气受太阳辐射而造成极地和赤道之间的温差|ΔT|。若大气加热呈轴对称分布而星体不自转，则热量交换取纯对流形式，即热气反抗重力作用而上升，冷气下沉且从底层流向暖区，此即纯哈得莱环流型。但若星体自转，则在科里奥利力作用下，大气运动中沿子
午圈的速度分量vθ产生沿纬圈上的速度分量vλ。ω和|vθ|愈大，则|vλ|愈大。大到一定程度后，由这种轴对称运动所导致的热量沿子午圈的流量过小，积集起来的热量由非轴对称的水平方向的运动来输送，形成明显的行星波，大气环流变为罗斯比环流型。故当ω和|ΔT|为中等大小时，大气环流为罗斯比环流型。但若|ΔT|固定而ω增到一定程度，或ω固定而|ΔT|增加过大，则|vλ|过大，轴对称环流又占主要地位，转变为哈得莱环流型。人类经历了两百多年的研究，特别是最近三十年通过旋转圆盘内流体运动的模拟实验以及相应的理论分析才最后弄清上述机理，这对认识大气环流的本质有很重要的意义。
若大气环流为罗斯比环流型，则在一些纬度带内，暖气下沉，冷气上升，和哈得莱环流型的情况相反。这些地带的子午圈环流称为反哈得莱环流。地球大气在中纬度地区即属此情况。
⑤大洋环流。地球上海洋中各种大尺度运动的全体组成的最大空间尺度的运动。大洋环流和大气环流有许多共性，但海岸的几何约束对洋流有明显影响，使其具有特点。最简单的一种大洋环流模式是惯性洋流。在这种模式中，风应力、科里奥利力和惯性力三者互相平衡。在开阔洋面上，洋流为风应力所驱动，然后受惯性力作用流向海岸地带，科里奥利力随纬度的变化使向西流动的洋流加速，称西向强化现象；子午线走向的海岸的几何约束，使洋流转而流向高纬地区并强化（北向强化现象）。这是大西洋湾流和太平洋暖流（即黑潮）的显著特点。
地球流体运动也常按科里奥利力影响的程度分为准地转运动和非地转运动两大类：
①准地转运动。满足Ro<<1和Ek<<1的运动。在这类运动中，重力、压强梯度力和科里奥利力三者几乎平衡，且运动为准水平的，沿重力方向的速度分量很小。大气和海洋环流、行星波以及大尺度涡旋属于准地转运动，是地球流体大尺度运动的主要类型。
②非地转运动。除准地转运动外的地球流体运动。在这类运动中，重力、压强梯度力和科里奥利力三者不处于几乎平衡状态。在自由流体中，Ro <<1不成立。重力-惯性波、重力波、对流、尺度较小的强涡旋和埃克曼流属于非地转运动。
水动力学
研究水及其他液体的运动规律及其与边界相互作用的学科，又称水动力学。液体动力学和气体动力学组成流体动力学。人类很早就开始研究水的静止和运动的规律，这些规律也可适用于其他液体和低速运动的空气。20世纪以来，随着航空、航天、航海、水能、采油、医学等部门的发展，与流体动力学相结合的边缘学科不断出现并充实了液体动力学的内容。液体动力学研究的方法有现场观测、实验模拟、理论分析和数值计算。
研究内容
液体运动受两个主要方面的影响：一是液体本身的特性；另一是约束液体运动的边界特性。根据这些特性的改变，液体动力学的主要研究内容有：理想液体运动可忽略粘性的液体称为理想液体。根据普朗特的边界层理论，在边界层以外的区域中，粘性力可以不予考虑，因此理想液体的运动规律在特定条件下仍可应用。在普朗特以前，在这一领域曾进行过很多研究(见有环量的无旋运动，拉普拉斯无旋运动)。液体的压缩性很小；只有在几种情况下，如管道中的水击、水中声波、激波传播等，才要考虑液体的可压缩性。
粘性液体运动有些液体（如润滑油）的粘性很大，分析这些液体流动状态时必须予以考虑(见润滑理论,斯托克斯流动）。另外，分析船舶的摩擦阻力、边界层和波浪间的干扰、船舶和潜体的尾流等都必须考虑液体的粘性。
空化液体流经压力足够低的区域时，就会气化并在液体内部或液固交界面上形成空泡。水中常含有直径从几十到几百微米的气泡（称为气核），有气核存在才会发生空化。空泡的溃灭产生冲击，引起边壁材料的剥蚀和破坏（见空蚀）。
多相流挟有固体颗粒、掺有气泡或兼有两者的液体流动称为多相流。最常见的有河道中的含沙水流（见泥沙运动）；其次是掺气水流和发生空化后带有空泡的液体流动(见空泡流理论)。气核能影响声波的传播，当水中所含的气核与水的体积比大于10-3时,水中声速就会小于空气中的声速(纯水中的声速约为空气声速的五倍)。
非牛顿流体流动有些液体（如含沙量高的水）的剪应力和剪切变形速率不成线性关系，这些液体属于非牛顿流体。加入高分子聚合物的水也是非牛顿流体，这种流体对在其中运动的物体的阻力低得多（见非牛顿流体力学）。
自由表面流动液体流动的部分边界可以是液体和空气的分界面，沿这一部
分边界的压力接近常数。河道、渠道、海洋流动皆属于这一类型，称为无压流。自由表面流动的范围很广，包括明槽流、河道非定常流、波浪运动等（见液体自由表面波）。由于造船工程、水利工程的需要，自由表面流动的研究工作早已开始。海洋工程的发展，对这方面的研究又提出新的要求（见海洋结构物水动力学）。有时由于在液体流动区域中形成空腔而有局部和气体接触的自由表面，如鱼雷、导弹在水中运动时引起空化而形成的空腔、从空中进入水中时带入空气而形成的空腔、以及为了防止空蚀通入空气而形成的空腔等皆是（见空化，出水，入水）。
压力流液体四周都受固体边壁约束的流动称为压力流，又称满管流。水力机械和船舶螺旋桨的旋转叶片间的流动也是压力流。早期为了计算供水系统的流量分配而开始研究管流的特性。压力管道常和水力机械相连，因而出现弹性振动和水击问题。两层或多层密度不相同的液体可以形成分层流。密度差可以是由于液体不同(如水和石油)所引起，也可以是由于含盐、含沙量不同，或温度不同所引起。在石油开采，海水浸入，潜艇航行，水库排沙，电站冷却水的研究中，分层流是很重要的课题（见压力流，异重流，旋转流体和分层流体流动）。
水弹性问题液体流过固体边壁，在某些条件下可以引起边壁的振动，边壁振动又反过来改变流动特性。研究液体、水和固体边壁相互作用的理论，称为水弹性理论。
水动力学的应用
液体动力学是一门应用科学，所研究的课题皆来自生产实践，与工程技术密切相关，主要应用领域如下：
水利和水电工程是历史最久的工程科学之一。防洪工程中需要决定防洪库容、泄洪容量、堤顶高程等数据；洪水预报需要知道洪水运行规律；工业发展必须防止对河流的污染，这些问题都能从明槽水流的研究中得到解决。通过高坝下泄的掺气水流具有很大的动能，会引起冲刷；多沙河流的河道、河口以及水库的淤积，可能影响航道或使已建的工程丧失作用，这些问题可通过对泥沙运动的研究获得解决办法。建造水力发电站和抽水工程时，需要研究水力机械的出力、发生振动的条件、启闭过程中的特性变化，主要防止或减少空蚀破坏。这些方面都是水动力学的研究内容。
造船工程由于造船技术的需要，古代已对船舶力学有一定的认识。船舶匀
速前进和加速前进所遇到的阻力以及航行时的安全性，始终是造船工程中最重要的问题。长期以来研究的螺旋桨出力、兴波阻力、附连质量、适航性等都是为了解决这些问题的。造船技术的革新，水翼船、气垫船的出现（见水翼，气垫），对水动力学提出更高的要求。在水中高速运行的水翼、鱼雷等产生的空泡流，快艇、赛艇、水上飞机的浮舟在水面上的滑行，船舶、闸门、管道等弹性体的振动，水面舰船、潜艇、鱼雷等所产生的水动力噪声等都是水动力学的重要研究课题。
近代武器潜艇、鱼雷、反潜导弹等是和水动力学研究密切相关的武器。水下发射引起出水的研究；鱼雷、反潜导弹、航天飞船的仪器舱和座舱的入水引起撞水和入水的研究。
其他机械工程中的润滑和液压传动，核电站工程中的水气二相流，海岸工程中所关心的潮流，海上采油工程中所重视的波浪问题等，皆是液体动力学的研究课题。
气动力学
20世纪初世界上第一架飞机出现以来，飞机和其他各种飞行器得到迅速发展。20世纪50年代开始的航天飞行使人类的活动范围扩展到其他星球和银河系。航空航天事业的蓬勃发展是同流体力学的分支学科——空气动力学和气体动力学的发展紧密相连的。这些学科是流体力学中最活跃、最富有成果的领域。
内容介绍
空气动力学在传统上研究气体的热力学状态和与海平面标准大气条件相差不多的流动。这时气体的压力、温度和密度的关系遵循完全气体状态方程，气体的其他性质如比热、粘性、导热率等都假定为常数。而在气动热力学中，它们不再是常数，在许多情况下作为单一完全气体状态方程已不再适用。气体的流动性质依赖于它的温度和成分，在分析高温或气体成分有变化的流动时，须同时考虑热力和动力现象。气动热力学是发展中的边缘学科，它把空气动力学与热力学、物理力学、化学动力学和电磁学结合起来。
高速边界层的传热和传质高速运动的气流在边界层内被物体滞留，气体动能转化为热能，被减速的部分气体温度剧增到远高于物面温度值，因而热量传入物体。除气流速度外，气流成分和化学状态、物体的形状、材料和表面光滑程
度、边界层流态和质量传递都会影响边界层传热。一般来说，湍流热流比层流热流大得多，粗糙表面的热流也比光滑表面大。再入大气层的飞行器表面和火箭发动机内壁，常采用烧蚀或发汗冷却等防热方法（见烧蚀防热）。在恶劣天气条件下，再入弹头的天气侵蚀和固体火箭发动机喷管中流动，还涉及两相流中复杂的传热传质问题。
烧蚀与流场的耦合影响烧蚀、侵蚀引起的外形变化和质量注入边界层,都会影响再入弹头的气动性能,特别是由不对称端头外形产生的小的不对称气动力和弹头加工造成的质量和惯量的不对称，合在一起可能导致弹头发生滚动共振，由于迎角剧增而毁坏，或发生滚速过零造成较大的落点散布。在确定烧蚀外形时还需要考虑激波形状、压力分布、边界层转捩、表面粗糙度和质量注入等因素。
真实气体效应在室温下气体分子只能进行平移和转动运动，随着温度增加，开始出现振动，最后分子内部的约束被破坏而分解，而在更高的温度下将出现电离现象。这些过程从发生到新的平衡以及组元之间的化学反应,都需要一定的时间,称为松弛时间。根据气体运动的宏观特征时间与松弛时间之比的三种情况（很大、接近于1和很小）,可将流动分成平衡流动、非平衡流动和冻结流动。对于冻结流动气体的特性与完全气体一样。非完全气体的状态参数可根据物理力学进行计算，对于平衡状态的热力学参数，已有不少可用的气体热力性质表。对于非平衡流动，必须计及全部可能的组元，因而与一切可能的化学过程和起主导作用的反应速率有关。真实气体效应不仅对传热有显著的影响，而且对于具有复杂外形的航天飞机的俯仰力矩也有明显的影响。另外，在高温运行的风洞气流中，也常出现非平衡流动。
电磁效应气体分子在高温下被电离成等离子体，在再入飞行器周围形成等离子鞘套。当电磁波的频率小于等离子体频率时,电磁波被界面反射而不能穿过,从而出现通信中断现象，称为黑障。已经证实，烧蚀产物将增加鞘套中的电子密度。所以必须在气动外形和材料等方面采取有效的措施以降低电子密度。为了有效地识别和跟踪再入飞行器，必须研究等离子鞘套和尾迹的电磁特性及其对雷达波传播的影响。其中，要确定的最重要的参数是电子密度值和碰撞频率随时间和向后距离的衰减速率。
辐射效应进入其他行星大气层的飞行器的飞行速度很高，如木星探测器的速度高达48公里/秒,因而在高温气体的传热中辐射传热成为主要的因素。其
他行星的大气组成与地球完全不同，如金星、火星的大气大部分都是二氧化碳。气体组成的变化对于对流传热的影响不大，但对辐射传热的影响却很大。辐射性能的基本数据，已能在激波管实验的基础上根据分子和原子的光谱数据和物理模型计算出来，然后再根据这些数据和气体的成分及状态参数估算出辐射传热。
发动机气动热力学对于喷气发动机，气动热力学需要解决的问题是：由高温气体分解而引起的进气道能量损失；高温叶栅绕流和对叶片的传热；燃料和氧化剂的扩散和混合；具有复杂化学反应和高湍流度的燃烧火焰的稳定性；具有燃烧产物的高温高压气体在喷管中膨胀过程的效率；高温气体对喷管特别是喉道附近的传热。
渗流力学
石油和天然气的开采，地下水的开发利用，要求人们了解流体在多孔或缝隙介质中的运动，这是流体力学分支之一渗流力学研究的主要对象。渗流力学还涉及土壤盐碱化的防治，化工中的浓缩、分离和多孔过滤，燃烧室的冷却等技术问题。
渗流力学当前比较成熟的内容有单相渗流理论、多相渗流理论、双重介质渗流理论、渗流基本定律和多孔介质理论。单相渗流理论包括液体渗流理论、带自由面渗流理论，气体渗流理论。当具有不同物理性质的多种流体在多孔介质内混流时，称为多相渗流。多相渗流理论与许多工程技术有密切关系。例如，油层内的流动大多是油、气、水多相渗流，非饱水土中的渗流是水和气的多相渗流；在地热开发过程中也存在热水和气的多相渗流。迄今比较成熟的多相渗流理论为混气液体渗流理论、二相液体渗流理论和非饱水土渗流理论。现就以上内容分述于下：
液体渗流理论研究承压条件下均质液体的渗流规律（见液体渗流）。根据是否考虑多孔介质和流体的弹性又分为弹性渗流和刚性渗流。早期的地下水和石油开发工程以及水工建筑等工程都需要了解地下液体渗流规律和计算方法，刚性渗流理论因而得到发展。以后发现地层岩石和液体的弹性对流体运动和生产状况产生不可忽视的影响，弹性渗流理论得到不断发展。
带自由面渗流理论研究非承压条件下均质液体的渗流规律。当液体的最上部不受隔水顶板的限制，存在一个其上任意一点的压强为大气压强的自由液面
时，多孔介质中的液体流动称带自由面渗流或无压渗流。含水层中的潜水向开采井方向汇集，河道或水库里的水透过河堤或土坝向下游渗流以及石油在地层中向生产井自由渗流等均属无压渗流。水文地质。水利工程和石油开采等生产部门的需要，促使无压渗流理论不断发展。
气体渗流理论研究气体在多孔介质中的流动规律。气体的组成可能是单一的，也可能是组分恒定的多组分混合物。气体渗流理论的出现是由于天然气开采等工程的需要。气体渗流具有压缩性特强、渗流定律非线性、渗流过程非等温性以及存在滑脱效应等特点，是比较复杂的渗流问题。
混气液体渗流理论研究相互掺混的液体与气体在多孔介质中的运动规律（见混气液体渗流）。混气液的液体为连续相，气体为离散相。这一理论是低于饱和压力下开发油田的理论基础，也是地下热能开发工业和与土壤水运动有关的部门所需要的理论。
二相液体渗流理沦研究一相液体驱替另一相不同前者混溶的液体的流动规律（见二相液体渗流）。这一理论是天然水力驱动油田的开发工程和广泛应用的人工注水开发油田技术的理论基础。
非饱水土渗流理沦研究土壤孔隙未被水充满的条件下的流体运动规律。灌溉排水条件下或作物根系吸水作用下的土壤水运动，入渗、蒸发和地下水位变动条件下潜水面以上土层（包气带）内的水分运动均属非饱水土渗流。这一理论是农田水利和水文地质等部门的一项理论基础。
双重介质渗流理论研究流体在裂缝—孔隙介质中的运动规律（见双重介质渗流）。双重介质系由裂缝系统和岩块孔隙系统组成的特殊多孔介质。双重介质渗流理论的建立主要是由于在世界范围内发现和开发一系列裂缝性油气田，它是这种类型的油田、天然气田和地下水层的储量计算和台理开发的理论基础。
渗流基本定律描述流体在多孔介质内运动的基本规律，亦即渗流过程的宏观统计规律。它是研究渗流力学的基础。在一定的雷诺数范围内，牛顿流体在不可变形多孔介质内的运动遵循达西渗流定律。
多孔介质理论渗流是多孔介质内的流体运动，研究渗流力学涉及的多孔介质的物理—力学性质的理论就成为渗流力学的基本组成部分。多孔介质理论包括多孔介质的孔隙率、润湿性，毛细管压力和渗透率等内容。
物理-化学流体动力学
燃烧煤、石油、天然气等，可以得到热能来推动机械或作其他用途。燃烧离不开气体。这是有化学反应和热能变化的流体力学问题，是物理-化学流体动力学的内容之一。爆炸是猛烈的瞬间能量变化和传递过程，涉及气体动力学，从而形成了爆炸力学。
研究对象
一般是在有限空间内的、除压差外还常涉及其他的物理推动力（如浓度差、温度差、表面张力和电场力等）或化学推动力的流动体系。这些流体在本质上有牛顿型流体和非牛顿型流体；在组成上有小分子、高分子、离子、游离基；在混合态上有微观流体和宏观流体；在表面形态上有气泡、液滴、固体颗粒悬浮体、乳浊液、射流、毛细流以及各种多相流（如气-液二相流、气-固二相流、液-液二相流、液-固二相流及气-液-固三相流）等；在流动模式上有理想流动和各种非理想流动；流体在流动过程中可能伴随有热交换和质量交换或化学反应，这些就构成了物理-化学流体动力学研究对象的广泛性和复杂性，也就是本学科与传统的流体力学不同之处。
研究内容
物理-化学流体动力学正在迅速发展之中，它的体系和范畴尚未最后定型，但从国际物理-化学流体动力学历届会议和专门期刊对文章的分类来看，物理-化学流体动力学研究内容可作如下分类：
①分散体系的流动包括气泡、液滴在另一连续介质中的运动，气泡和液滴的破裂和聚并，固体粒子流态化，乳浊液与悬浮液的流动和稳定性，等等。
②界面和毛细流动包括液体薄膜的流动，表面波，射流和雾化，毛细流动，微孔中的扩散，渗流和渗析，等等。
③流动体系中的热传递和质传递包括鼓泡层和悬浮液中的相间传质，液滴在气流中的蒸发，固体粒子流态化或气流输送中的热传递和质传递，气-液-固三相悬浮系或三相流化床中的热传递和质传递，等等。
④有化学反应的流动包括均相和非均相燃烧，微观混合和宏观混合，返混
和流动模式分析，示踪技术和停留时间分布，固定床和流化床反应器中的流动，伴有反应的气-液二相流和气-液-固三相流，等等。
⑤电场中的流体运动包括电极动力学，电化腐蚀，极谱，电泳，电渗析和电化学反应器中的流动，等等。
此外，如微重力场中的流动，晶体的成长和迁移，聚合物和生物流体的流动，磁流体和等离子体的流动等，部属于物理-化学流体动力学的范畴。
等离子体动力学和电磁流体力学
等离子体是自由电子、带等量正电荷的离子以及中性粒子的集合体。等离子体在磁场作用下有特殊的运动规律。研究等离子体的运动规律的学科称为等离子体动力学和电磁流体力学（见电流体动力学，磁流体力学）。它们在受控热核反应、磁流体发电、宇宙气体运动（见宇宙气体动力学）等方面有广泛的应用。
环境流体力学
风对建筑物、桥梁、电缆等的作用使它们承受载荷和激发振动；废气和废水的排放造成环境污染；河床冲刷迁移和海岸遭受侵蚀；研究这些流体本身的运动及其同人类、动植物间的相互作用的学科称为环境流体力学（其中包括环境空气动力学、建筑空气动力学）。这是一门涉及经典流体力学、气象学、海洋学和水力学、结构动力学等的新兴边缘学科。
生物流变学
生物流变学研究人体或其他动植物中有关的流体力学问题，例如血液在血管中的流动，心、肺、肾中的生理流体运动（见循环系统动力学、呼吸系统动力学）和植物中营养液的输送（见植物体内的流动）。此外，还研究鸟类在空中的飞翔（见鸟和昆虫的飞行），动物（如海豚）在水中的游动，等等。
具体研究现状如下：
人体的生理流动,包括心血管、呼吸、泌尿、淋巴系统的流动.流体的非牛顿流行为(如血液属卡森流体),管道的分叉和变形,肺与肾脏的多孔性,微循环通过细胞膜的传质,流动的尺度现象(如法罗伊斯一林奎斯特效应)是人体生理流动的特征,这方面的研究为发展生物医学工程(如治疗动脉粥样硬化,人造心瓣等)作出了贡献。
流体力学的发展和现状 作为物理的一部分，流体力学在很早以前就得到发展。在19世纪，流体力学沿着两个方面发展，一方面，将流体视为无粘性的，有一大批有名的力学数学家从事理论研究，对数学物理方法和复变函数的发展，起了相当重要的作用; 另一方面，由于灌溉、给排水、造船，及各种工业中管道流体输运的需要，使得工程流体力学，特别是水力学得到高度发展。将二者统一起来的关键是本世纪初边界层理论的提出，其中心思想是在大部分区域，因流体粘性起的作用很小，流体确实可以看成是无粘的。这样，很多理想流体力学理论就有了应用的地方。但在邻近物体表面附近的一薄层中，粘性起着重要的作用而不能忽略。边界层理论则提供了一个将这两个区域结合起来的理论框架。边界层这样一个现在看来是显而易见的现象，是德国的普朗特在水槽中直接观察到的。这虽也是很多人可以观察到的，却未引起重视，普朗特的重大贡献就在于他提出了处理这种把两个物理机制不同的区域结合起来的理论方法。这一理论提出后，在经过约10年的时间，奠定了近代流体力学的基础。 流体力学又是很多工业的基础。最突出的例子是航空航天工业。可以毫不夸大地说，没有流体力学的发展，就没有今天的航空航天技术。当然，航空航天工业的需要，也是流体力学，特别是空气动力学发展的最重要的推动力。就以亚音速的民航机为例，如果坐在一架波音747飞机上，想一下这种有400多人坐在其中，总重量超过300吨，总的长宽有大半个足球场大的飞机，竟是由比鸿毛还轻的空气支托着，这是任何人都不能不惊叹流体力学的成就。更不用说今后会将出现更大、飞行速度更快的飞机。 同样，也不可能想象，没有流体力学的发展，能设计制造排水量超过50万吨的船舶，能建造长江三峡水利工程这种超大规模工程，能设计90万kW汽轮机组，能建造每台价值超过10亿美元的海上采油平台，能进行气候的中长期预报，等等。甚至天文上观测到的一些宇宙现象，如星系螺旋结构形成的机理，也通过流体力学中形成的理论得到了解释。近年来从流体力学的角度对鱼类游动原理的研究，发现了采用只是摆动尾部（指身体大部不动）来产生推进力的鱼类，最好的尾型应该是细长的月牙型。这正是经过几亿年进化而形成的鲨鱼和鲸鱼的尾型，而这些鱼类的游动能力在鱼类中是最好的。这就为生物学进化方面提供了说明，引起了生物学家的很大兴趣。 所以很明显，流体力学研究，既对整个科学的发展起了重要的作用，又对很多与国计民生有关的工业和工程，起着不可缺少的作用。它既有基础学科的性质，又有很强的应用性，是工程科学或技术科学的重要组成部分。今后流体力学的发展仍应二者并重。 本世纪的流体力学取得多方面的重大进展，特别是在本世纪下半叶，由于实验测试技术、数值计算手段和分析方法上的进步，在多种非线性流动以及力学和其他物理、化学效应相耦合的流动等方面呈现了丰富多采的发展态势。 在实验方面，已经建立了适合于研究不同马赫数、雷诺数范围典型流动的风洞、激波管、弹道靶以及水槽、水洞、转盘等实验设备，发展了热线技术、激光技术、超声技术和速度、温度、浓度及涡度的测量技术，流动显示和数字化技术的迅猛发展使得大量数据采集、处理和分析成为可能，为提供新现象和验证新理论创造了条件。 流体力学是在人类同自然界作斗争，在长期的生产实践中，逐步发展起来的。早在几千年前，劳动人民为了生存，修水利，除水害，在治河防洪，农田灌溉，河道航运，水能利用等方面总结了丰富的经验。我国秦代李冰父子根据“深淘滩，低作堰”的工程经验，修建设计的四川都江堰工程具有相当高的科学水平，反映出当时人们对明渠流和堰流的认识已经达
第一章绪论 本章主要阐述了流体力学的概念与发展简史；流体力学的概述与应用；流体力学课程的性质、目的、基本要求；流体力学的研究方法及流体的主要物理性质。流体的连续介质模型是流体力学的基础，在此假设的基础上引出了理想流体与实际流体、可压缩流体与不可压缩流体、牛顿流体与非牛顿流体概念。 第一节流体力学的概念与发展简史 一、流体力学概念 流体力学是力学的一个独立分支，是一门研究流体的平衡和流体机械运动规律及其实际应用的技术科学。 流体力学所研究的基本规律，有两大组成部分。一是关于流体平衡的规律，它研究流体处于静止（或相对平衡）状态时，作用于流体上的各种力之间的关系，这一部分称为流体静力学；二是关于流体运动的规律，它研究流体在运动状态时，作用于流体上的力与运动要素之间的关系，以及流体的运动特征与能量转换等，这一部分称为流体动力学。 流体力学在研究流体平衡和机械运动规律时，要应用物理学及理论力学中有关物理平衡及运动规律的原理，如力系平衡定理、动量定理、动能定理，等等。因为流体在平衡或运动状态下，也同样遵循这些普遍的原理。所以物理学和理论力学的知识是学习流体力学课程必要的基础。 目前，根据流体力学在各个工程领域的应用，流体力学可分为以下几类： 能源动力类： 水利类流体力学：面向水工、水动、海洋等； 机械类流体力学：面向机械、冶金、化工、水机等； 土木类流体力学：面向市政、工民建、道桥、城市防洪等。 二、流体力学的发展历史 流体力学的萌芽，是自距今约2200年以前，西西里岛的希腊学者阿基米德写的“论浮体”一文开始的。他对静止时的液体力学性质作了第一次科学总结。 流体力学的主要发展是从牛顿时代开始的，1687年牛顿在名著《自然哲学的数学原理》中讨论了流体的阻力、波浪运动，等内容，使流体力学开始成为力学中的一个独立分支。此后，流体力学的发展主要经历了三个阶段： 1.伯努利所提出的液体运动的能量估计及欧拉所提出的液体运动的解析方法，为研究液体运动的规 律奠定了理论基础，从而在此基础上形成了一门属于数学的古典“水动力学”（或古典“流体力学”）。 2.在古典“水动力学”的基础上纳维和斯托克思提出了著名的实际粘性流体的基本运动方程 ——N-S方程。从而为流体力学的长远发展奠定了理论基础。但由于其所用数学的复杂性和理想流体模型的局限性，不能满意地解决工程问题，故形成了以实验方法来制定经验公式的“实验流体力学”。但由于有些经验公式缺乏理论基础，使其应用范围狭窄，且无法继续发展。
流体力学发展简史 流体力学作为经典力学的一个重要分支，其发展与数学、力学的发展密不可分。它同样是人类在长期与自然灾害作斗争的过程中逐步认识和掌握自然规律，逐渐发展形成的，是人类集体智慧的结晶。 人类最早对流体力学的认识是从治水、灌溉、航行等方面开始的。在我国水力事业的历史十分悠久。 4000多年前的大禹治水，说明我国古代已有大规模的治河工程。 秦代，在公元前256-前210年间便修建了都江堰、郑国渠、灵渠三大水利工程，特别是李冰父子领导修建的都江堰，既有利于岷江洪水的疏排，又能常年用于灌溉农田，并总结出“深淘滩，低作堰”、"遇弯截角，逢正抽心"的治水原则。说明当时对明槽水流和堰流流动规律的认识已经达到相当水平。 西汉武帝（公元前156-前87）时期，为引洛水灌溉农田，在黄土高原上修建了龙首渠，创造性地采用了井渠法，即用竖井沟通长十余里的穿山隧洞，有效地防止了黄土的塌方。 在古代，以水为动力的简单机械也有了长足的发展，例如用水轮提水，或通过简单的机械传动去碾米、磨面等。东汉杜诗任南阳太守时（公元37年）曾创造水排（水力鼓风机），利用水力，通过传动机械，使皮制鼓风囊连续开合，将空气送入冶金炉，较西欧约早了一千一百年。 古代的铜壶滴漏（铜壶刻漏）--计时工具，就是利用孔口出流
使铜壶的水位变化来计算时间的。说明当时对孔口出流已有相当的认识。 北宋（960-1126）时期，在运河上修建的真州船闸与十四世纪末荷兰的同类船闸相比，约早三百多年。 明朝的水利家潘季顺（1521-1595）提出了"筑堤防溢，建坝减水，以堤束水，以水攻沙"和"借清刷黄"的治黄原则，并著有《两河管见》、《两河经略》和《河防一揽》。 清朝雍正年间，何梦瑶在《算迪》一书中提出流量等于过水断面面积乘以断面平均流速的计算方法。 欧美诸国历史上有记载的最早从事流体力学现象研究的是古希腊学者 阿基米德（Archimedes，公元前287－212），在公元前250年发表学术论文《论浮体》，第一个阐明了相对密度的概念，发现了物体在流体中所受浮力的基本原理──阿基米德原理。 著名物理学家和艺术家列奥纳德达芬奇（Leonardo.da.Vinci,1452－1519）设计建造了一小型水渠，系统地研究了物体的沉浮、孔口出流、物体的运动阻力以及管道、明渠中水流等问题。 斯蒂文（S.Stevin,1548-1620）将用于研究固体平衡的凝结原理转用到流体上。 伽利略（Galileo,1564-1642）在流体静力学中应用了虚位移原理，并首先提出，运动物体的阻力随着流体介质密度的增大和速度
竭诚为您提供优质文档/双击可除 流体力学学习心得 篇一：我对流体力学的认识 我对流体力学的认识 摘要：通过对流体力学这门课程的学习，我了解了流体力学的相关知识，包括：概念，基本假设，研究方法，未来展望等。 关键字：流体力学概述基本假设研究方法 流体力学概述 流体力学是研究流体的平衡和流体的机械运动规律及 其在工程实际中应用的一门学科。是力学的一个重要分支，它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。在生活、环保、科学技术及工程中具有重要的应用价值。 流体力学中研究得最多的流体是水和空气。它的主要基础是牛顿运动定律和质量守恒定律，常常还要用到热力学知识，有时还用到宏观电动力学的基本定律、本构方程和物理学、化学的基础知识。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。除水和空气以外，流体还指作为汽轮机工作介质的水蒸气、润滑油、地下石油、含泥沙的江水、血液、超高压作用下的金属和燃烧后产生成分复杂的气体、高温条件下的等离子体等等。 气象、水利的研究，船舶、飞行器、叶轮机械和核电站的设计及其运行，可燃气体或炸药的爆炸，以及天体物理的若干问题等等，都广泛地用到流体力学知识。许多现代科学技术所关心的问题既受流体 力学的指导，同时也促进了它不断地发展。1950年后，电子计算机的发展又给予流体力学以极大的推动。 流体力学的基本假设 流体力学有一些基本假设，基本假设以方程的形式表示。流体力学假设所有流体满足以下的假设： （1）质量守恒 （2）动量守恒 （3）连续体假设 在流体力学中常会假设流体是不可压缩流体，也就是流体的密度为一定值。液体可以算是不可压缩流体，气体则不是。有时也会假设流体的黏度为零，此时流体即为非粘性流体。气体常常可视为非粘性流体。若流体黏度不为零，而且
我对流体力学的认识 摘要：通过对流体力学这门课程的学习，我了解了流体力学的相关知识，包括：概念，基本假设，研究方法，未来展望等。 关键字：流体力学概述基本假设研究方法 流体力学概述 流体力学是研究流体的平衡和流体的机械运动规律及其在工程实际中应用的一门学科。是力学的一个重要分支，它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。在生活、环保、科学技术及工程中具有重要的应用价值。 流体力学中研究得最多的流体是水和空气。它的主要基础是牛顿运动定律和质量守恒定律，常常还要用到热力学知识，有时还用到宏观电动力学的基本定律、本构方程和物理学、化学的基础知识。 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。 除水和空气以外，流体还指作为汽轮机工作介质的水蒸气、润滑油、地下石油、含泥沙的江水、血液、超高压作用下的金属和燃烧后产生成分复杂的气体、高温条件下的等离子体等等。 气象、水利的研究，船舶、飞行器、叶轮机械和核电站的设计及其运行，可燃气体或炸药的爆炸，以及天体物理的若干问题等等，都广泛地用到流体力学知识。许多现代科学技术所关心的问题既受流体
力学的指导，同时也促进了它不断地发展。1950年后，电子计算机的发展又给予流体力学以极大的推动。 流体力学的基本假设 流体力学有一些基本假设，基本假设以方程的形式表示。流体力学假设所有流体满足以下的假设： （1）质量守恒 （2）动量守恒 （3）连续体假设 在流体力学中常会假设流体是不可压缩流体，也就是流体的密度为一定值。液体可以算是不可压缩流体，气体则不是。有时也会假设流体的黏度为零，此时流体即为非粘性流体。气体常常可视为非粘性流体。若流体黏度不为零，而且流体被容器包围（如管子），则在边界处流体的速度为零。 流体力学既包含自然科学的基础理论，又涉及工程技术科学方面的应用。此外，如从流体作用力的角度，则可分为流体静力学、流体运动学和流体动力学；从对不同“力学模型”的研究来分，则有理想流体动力学、粘性流体动力学、不可压缩流体动力学、可压缩流体动力学和非牛顿流体力学等。 流体力学的研究方法 进行流体力学的研究可以分为现场观测、实验室模拟、理论分析、数值计算四个方面： 现场观测是对自然界固有的流动现象或已有工程的全尺寸流动
流体力学分支及其概述 ： 班级：硕5015 学号： 2015/12/20 目录
流体力学分支 (2) 地球流体力学 (2) 学科的形成 (2) 研究的地球流体运动类型： (2) 水动力学 (4) 研究容 (5) 水动力学的应用 (6) 气动力学 (7) 容介绍 (7) 渗流力学 (9) 物理-化学流体动力学 (10) 研究对象 (11) 研究容 (11) 等离子体动力学和电磁流体力学 (12) 环境流体力学 (12) 生物流变学 (12)
流体力学分支 流体是气体和液体的总称。在人们的生活和生产活动中随时随地都可遇到流体。所以流体力学是与人类日常生活和生产事业密切相关的。 地球流体力学 流体力学的一个分支，研究地球以及其他星体上的自然界流体的宏观运动，着重探讨其尺度运动的一般规律。它是 20世纪 60年代发展起来的一个新学科。geophysical fluid dynamics按字义为"地球物理流体力学"，由于考虑到地球和自然界还有包含化学反应的许多流动过程也日渐成为这一学科的研究容，故以译作地球流体力学为宜。另外，这个学科在国际上还有一些别的名称，其中一个比较流行的是"自然流体力学"(natural fluid dynamics)。 学科的形成 近百年来，人类对天气预报、航海和海洋资源开发的需要不断增长，大气大尺度运动和海洋大尺度运动的研究得到了发展，逐渐形成了大气动力学和海洋动力学。随着空间科学技术的发展，研究近地空间和其他星体的流体运动已成为现实，而随着地质和地球物理学的发展，研究地幔运动也成为重要的课题。流体力学的一般原理虽然也适用于上述自然界流体运动，但像天气系统和大洋环流等流体运动是由自然界中巨大的能源所推动，其时间尺度和空间尺度都比气体动力学和水动力学（见液体动力学）等与生产技术有关的流体运动的尺度要大得多，而引力、星体的自旋以及能量的交换和转移过程又在其中起着主要作用，因而这些流动具有非常鲜明的特点和共同的基本规律。研究这些共同的基本规律能使人类对大气或海洋等各种具体运动的特点和规律有深刻的认识。地球流体力学正是在这种背景下逐渐形成的。 研究的地球流体运动类型： 地球流体运动按空间尺度或性质可分为下列数种类型：重力－惯性波、行星波、埃克曼流、大气和大洋环流、涡旋、重力波和对流等。后三者为一般流体
流体力学导论的小论文 生 活 中 伯 努 利 方 程 的 应 用
生活中伯努利方程的应用 一、现象描述： 生活中有关流体力学方面有趣的事情，还是比较多的，尤其是伯努利方程的应用。如果留心的话，我们会经常发现：在宿舍阳台处的门外有风的前提下，宿舍里的门（在不锁的前提下）会随着阳台处的门的打开，而自动打开，至于什么原因造成此现象，我们可以从流体力学角度思考。 此图描绘的就是上面所阐述的情况（由于在word里不太好画，所以采取了手绘和手机拍摄的操作），左边表示的均是宿舍阳台处的门，右边均是宿舍外出的门。图中上面的两个门的情况是，“阳台门”是处于锁着的状态（阳台外有空气流动），“外出门”是处于关着的状态，但没锁；下面的两个门描述的情况是，当“阳台门”打开时，“外出门”会自动打开。 二、现象中所蕴含的流体力学问题： 这里面所蕴含的流体力学问题，就是伯努利方程的应用，假设流体是无粘不可压缩的理想流体，由“外出门”的内侧到外侧间建立的伯努利方程式如下：
22001122u p u p gz gz ρρ ++=++ 其中，0u ：空气流动的速度，0p ：大气压，ρ：流体密度 1u ： “外出门”外的速度，且10u = ，1p ：“外出门”外的压强 且两个门皆处于同一水平线上，所以伯努利方程简化为 20012u p p ρρ += 从式子中，可看出201002u p p ρ-= >，即10p p >，所以“外出门”可以自动打开。 具体的图表示如下： 三、这一问题的解决方案： 1. 可以在门缝处贴上“贴垫”，如下图所示：
据了解，这个方法确实不错，我试验过，如果做得好的话，即使人拉，也要费些力气。 2. 给门安装上弹簧，借助弹簧的力，抵消掉10p p p =- 的作用，使门不至于在 风的作用下，总是自动打开。 四、小结： 生活中有趣的事情不仅仅是这些儿，还有很多，只要你善于观察，流体力学 将会布满于整个世界。试问，流体力学上哪一个伟大的发明和重要理论的产生，不是起源于现实生活中呢？如果牛顿碰不到苹果掉下这一情况，或是苹果不是掉在牛顿头上，那么今天很有可能就没有“万有引力”之说。 通过写这篇小论文，我还是很有收获的，至少学会了要多注意观察身边的事物，多留心生活中有趣的现象，以及应根据现象，认真思考其中所蕴含的原理所在，进而增长和巩固知识。
《流体力学》实验报告 开课实验室：年月日 学院年级、专业、班姓名成绩 课程名称流体力学实验 实验项目 名称 流体静力学实验 指导教 师 教师 评语教师签名： 年月日 一、实验目的 1、验证静力学的基本方程； 2、学会使用测压管与U形测压计的量测技能； 3、理解绝对压强与相对压强及毛细管现象； 4、灵活应用静力学的基本知识进行实际工程测量。 二、实验原理 流体的最大特点是具有易动性，在任何微小的剪切力作用下都会发生变形，变形必将引起质点的相对运动，破坏流体的平衡。因此，流体处于静止或处于相对静止时，流体内部质点之间只体现出压应力作用，切应力为零。此应力称静压强。静压强的方向垂直并指向受压面，静压强大小与其作用面的方位无关，只与该点位置有关。 1、静力学的基本方程静止流体中任意点的测压管水头相等，即：z + p /ρg=c 在重力作用下， 静止流体中任一点的静压强p也可以写成：p=p + ρg h 2、等压面连续的同种介质中，静压强值相等的各点组成的面称为等压面。质量力只为重力时， 静止液体中，位于同一淹没密度的各点的静压强相等，因此再重力作用下的静止液体中等压面是水平面。若质量有惯性时，流体做等加速直线运动，等压面为一斜面；若流体做等角速度旋转运动，等压面为旋转抛物面。 3、绝对压强与相对压强流体压强的测量和标定有俩种不同的基准，一种以完全真空时绝对压强 为基准来计量的压强，一种以当地大气压强为基准来计量的压强。
三、使用仪器、材料 使用仪器：盛水密闭容器、连通管、U 形测压管、真空测压管、通气管、通气阀、截止阀、加 压打气球、减压阀 材 料：水、油 四、实验步骤 1、熟悉一起的构成及其使用方法； 2、记录仪器编号及各点标高，确立测试基准面； 测点标高a ?=1.60CM b ?=-3.40CM c ? =-6.40CM 测点位能a Z =8.00CM b Z = 3.00CM c Z =0.00CM 水的容重为a=0.0098N/cm 3 3、测量各点静压强：关闭阀11，开启通气阀6，0p =0，记录水箱液面标高0?和测管2液面标高2?（此时0?=2?）；关闭通气阀6和截止阀8，开启减压放水阀11，使0p > 0，测记0?及2?（加压3次）；关闭通气阀6和截止阀8，开启减压放水阀11，使0p < 0（减压3次，要求其中一次，2?< 3?），测记0?及2?。 4、测定油容量 （1）开启通气阀6，使0p =0，即测压管1、2液面与水箱液面齐平后再关闭通气阀6和截止阀8，加压打气球7，使0p > 0，并使U 形测压管中的油水界面略高于水面，然后微调加压打气球首部的微调螺母，使U 形测压管中的油水界面齐平水面，测记0?及2?，取平均值，计算 0?-2?=H 1。设油的容重为r ，为油的高度h 。由等压面原理得：01p =a H=r h （1.4） a 为水的容重 （2）开启通气阀6，使0p =0，即测压管1、2液面与水箱液面齐平后再关闭通气阀6和截止阀8，开启放水阀11减压，使U 形管中的水面与油面齐平，测记0?及2?，取平均值，计算0?-2?=H 2。得：02p =-a H 2=(r-a)h （1.5） a 为水的容重 式（1.4）除以式（1.5），整理得：H 1/ H 2=r/(a-r) r= H 1a/( H 1+ H 2)
流体动力学 fluid dynamics 连续介质力学 mechanics of continuous media 介质 medium 流体质点 fluid particle 无粘性流体 nonviscous fluid, inviscid fluid 连续介质假设continuous medium hypothesis 流体运动学 fluid kinematics 水静力学 hydrostatics 液体静力学 hydrostatics 支配方程 governing equation 分步法 fractional step method 伯努利定理 Bernonlli theorem 毕奥-萨伐尔定律 Biot-Savart law 欧拉方程 Euler equation 亥姆霍兹定理 Helmholtz theorem 开尔文定理 Kelvin theorem 涡片 vortex sheet 库塔-茹可夫斯基条件 Kutta-Zhoukowski condition 布拉休斯解 Blasius solution 达朗贝尔佯廖 d'Alembert paradox 雷诺数 Reynolds number 施特鲁哈尔数 Strouhal number 随体导数 material derivative 不可压缩流体 incompressible fluid 质量守恒 conservation of mass 动量守恒 conservation of momentum 能量守恒 conservation of energy 动量方程 momentum equation 能量方程 energy equation 控制体积 control volume 液体静压 hydrostatic pressure 涡量拟能 enstrophy 压差 differential pressure 流[动] flow 流线 stream line 流面 stream surface 流管 stream tube 迹线 path, path line 流场 flow field 流态 flow regime 流动参量 flow parameter 流量 flow rate, flow discharge 涡旋vortex 涡量 vorticity 涡丝 vortex filament 涡线 vortex line 涡面 vortex surface 涡层 vortex layer 涡环 vortex ring 涡对 vortex pair 涡管 vortex tube 涡街 vortex street 卡门涡街 Karman vortex street 马蹄涡 horseshoe vortex 对流涡胞 convective cell 卷筒涡胞 roll cell 涡 eddy 涡粘性 eddy viscosity 环流 circulation 环量 circulation 速度环量 velocity circulation 偶极子 doublet, dipole 驻点stagnation point 总压[力] total pressure 总压头 total head 静压头 static head 总焓 total enthalpy 能量输运 energy transport 速度剖面 velocity profile 库埃特流 Couette flow 单相流 single phase flow 单组份流 single-component flow 均匀流uniform flow 非均匀流 nonuniform flow 二维流 two-dimensional flow 三维流 three-dimensional flow 准定常流 quasi-steady flow 非定常流 unsteady flow, non-steady flow 暂态流 transient flow 周期流 periodic flow 振荡流 oscillatory flow 分层流 stratified flow 无旋流 irrotational flow 有旋流 rotational flow 轴对称流 axisymmetric flow 不可压缩性 incompressibility 不可压缩流[动] incompressible flow 浮体floating body 定倾中心 metacenter 阻力 drag, resistance
谈流体力学的研究内容及发展简史 流体力学是力学的一个独立分支，是一门研究流体的平衡和流体机 械运动规律及其实际应用的技术科学，在许多工业部门中都有着广泛应 用，航空工业中飞机的制造离不开空气动力学；造船工业部门要用到水 动力学，与土建类各专业有着更加密切的关系，了解流体动力学的研究 内容及发展简史对学习流体力学知识具有的一定的引导作用，为以后的 学习铺设台阶，引起学习的兴趣。 流体力学的研究内容 流体是气体和液体的总称。在人们的生活和生产活动中随时随地都 可遇到流体，所以流体力学是与人类日常生活和生产事业密切相关的。 大气和水是最常见的两种流体，大气包围着整个地球，地球表面的70% 是水面。大气运动、海水运动(包括波浪、潮汐、中尺度涡旋、环流等) 乃至地球深处熔浆的流动都是流体力学的研究内容。 流体力学既包含自然科学的基础理论，又涉及工程技术科学方面的 应用。此外，如从流体作用力的角度，则可分为流体静力学、流体运动 学和流体动力学；从对不同“力学模型”的研究来分，则有理想流体动力 学、粘性流体动力学、不可压缩流体动力学、可压缩流体动力学和非牛 顿流体力学等。 在流体力学中为简化计算，对流体模型做出了假设：质量守恒;动量 守恒;能量守恒。 在流体力学中常会假设流体是不可压缩流体，也就是流体的密 度为一定值。液体可以算是不可压缩流体，气体则不是。有时也会 假设流体的黏度为零，此时流体即为非粘性流体。气体常常可视为 非粘性流体。若流体黏度不为零，而且流体被容器包围（如管子）， 则在边界处流体的速度为零。 流体的主要物理性质： 1、流体：只能承受压力，一般不能承受拉力与抵抗拉伸变形。液体 有一定的体积，存在一个自由液面；气体能充满任意形状的容器，无一 定的体积，不存在自由液面。 2、流体的连续介质模型 微观：流体是由大量做无规则运动的分子组成的，分子之间存在空隙，但在标准状况下，1cm3液体中含有3.3×1022个左右的分子，相邻分子间的距离约为3.1×10-8cm。1cm3气体中含有2.7×1019个左右的分子，相邻分子间的距离约为3.2×10-7cm。 宏观：考虑宏观特性，在流动空间和时间上所采用的一切特征尺度和特征时间都
（流体力学）流体的受力分析 第一部分? 流体的受力分析 (一) 静力学的研究内容 研究流体在外力作用下处于静止状态时的力学规律。通过受力分析可知：静力学主要是获得静止状态下的压强，即静压强。进一步把面积考虑进去，获得与流体相互作用的固体壁面所受到时的流体作用力。 (二) 控制体的选择 1. 控制体的定义 流场中，用几何边界所围成的固定空间区域称为控制体，它是流体力学的研究对象． 流体静力学中，把控制体又称为隔离体． (三) 流体的受力 控制体中流体质点的受力总体上可分为表面力和质量力两类． 1. 表面力（Surface Force） (1) 定义 通过接触界面作用于控制体中流体质点上的力称为表面力，又称之为接触力．如一容器内盛有水，其中壁面对所盛流体的约束力及作用于液体自由表面的大气压力等都均属于表面力 (3) 实质 ?? 虽然质量力属于“力”的概念，而加速度属于“运动”的概念，但单位质量的质量力就是加速度，在这里＂动＂与＂力＂合二为一． (四) 静止状态及静止状态时的受力分析 1. 静止状态 (1) 含义
相对于所选定的坐标系，流体不移动、不转动及不变形，称为静止状态或平衡状态。 (2) 分类 A. 绝对静止：相对于惯性坐标系，如地面，流体处于静止状态； B. 相对静止：相对非惯性坐标系，流体处于静止状态。 2. 静止状态时的受力分析 (1) 表面力：流体处于静止状态时，内部无相对运动，则流体内部各处切应力为零，流体不呈现出黏性，即表面力中只存在压强。 (2) 质量力：若处于重力场下，单位质量力为重力加速度；若还处于惯性力场下，则单位质量力还应包括惯性加速度等。一般不考虑电磁场作用。 (五) 静压强 1. 含义 流体处于静止状态下所受到的压强，称为静压强，区别于流体运动状态下的所谓动压强。 2. 实质 静压强实际上是流体所受的表面力中的法向应力。 (六) 静压强特性 1. 存在性与方向性。静止流体所受表面力中只存在静压强，其方向总是垂直于作用面，并指向流体内法线方向。 [注意]? 液体自由表面上的表面张力是例外。 2. 各向等值性。静止流体中任一点的压强值在空间各方位上，其大小均相等，它只与该点空间位置有关。
流体力学概述 经管学院经济学系冷静054105 风是怎样形成的，河水为什么有时和缓有时湍急，庞然大物的飞机是如何如飞鸟一样翱翔蓝天的……自然界中，生产、生活中，有很多看似简单，却不容易解释的现象。其实他们中很多要应用流体力学的知识来解释。而流体力学本身也是经过了漫长的发展、探索才形成了今天这样完善、严谨的体系。 流体力学是力学的一个重要分支，它主要研究流体本身的静止状态和运动状态，以及流体和固体壁面、流体和流体间、流体与其他运动形态之间的相互作用和流动的规律。流体力学中研究得最多的流体是水和空气。它的主要基础是牛顿运动定律和质量守恒定律，常常还要用到热力学知识，有时还用到宏观电动力学的基本定律、本构方程和物理学、化学的基础知识。此外，在气象、水利的研究，船舶、飞行器、叶轮机械和核电站的设计及其运行，可燃气体或炸药的爆炸，以及天体物理等许许多多的问题中，都会广泛地用到流体力学知识。随着科学技术的飞速发展，许多现代科学技术所关注的问题都不可避免的要用到流体力学的知识，同时他们也促进了流体力学不断地发展。 一、流体力学的形成及简要发展过程 任何一门学科的形成都包含了成千上万的科学家苦心钻研的成果，也包含了对以前成果的继承和创新。回顾流体力学的漫长发展史，对流体力学学科的形成作出第一个贡献的是古希腊伟大的数学家、物理学家阿基米德，他建立了包括物理浮力定律和浮体稳定性在内的液体平衡理论，奠定了流体静力学的重要基础，流体力学的万丈高楼才得以在其基础上建立起来。但另人扼腕的是，此后千余年间，流体力学没有重大发展和突破。直到15世纪，我们熟知的在许多学科都颇有建树的意大利画家达·芬奇在其著作才谈到水波、管流、水力机械、鸟的飞翔原理等问题；17世纪，帕斯卡阐明了静止流体中压力的概念。 流体力学，尤其是流体动力学作为一门严密的科学，与力学的关系是密不可分的。因此，它是随着经典力学建立了速度、加速度，力、流场等概念，以及质量、动量、能量三个守恒定律的奠定之后才真正逐步形成的。“17世纪，力学奠基人牛顿研究了在流体中运动的物体所受到的阻力，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。他针对粘性流体运动时的内摩擦力也提出了牛顿粘性定律。”［1］
流体力学综述 奇妙的流体力学：流体力学是研究流体在受到一系列力和边界条件作用时流体的运动和内部应力的科学。生活中我们与流体力学息息相关，很多貌似很奇怪、很难理解的现象，如河流中沙丘的形成、浴帘效应、杯中水的涡旋等现象，都可以用流体力学的只是来解释 流体力学的特点： 1、研究对象范围广：大到宇宙中的天体星云，小到人体内的毛细血管大气运动、沙漠迁移、河流泥沙运动、管道中煤粉输送、化工中气体催化剂的运动海水运动(包括波浪、潮汐、中尺度涡旋、环流等)乃至地球深处熔浆的流动，都属于流体力学的研究范畴。 2、研究历史悠久：流体力学是在人类同自然界作斗争和在生产实践中逐步发展起来的。公元前2000余年中国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，至今还在发挥着作用；大约与此同时，古罗马人建成了大规模的供水管道系统等等，这都是人们对于自然的探索与改造。箭弩的发明反映了原始人对箭头的流线型降低摩阻及尾翅的稳定性问题的探索。 3、对整个自然科学贡献大：流体力学为自然科学的研究提供里一个完整的体系，并且对整个自然科学的一些根本性的东西产生了重要的影响。作为与量子力学、相对论相齐名的一个重大科学理论，混沌理论自产生以来产生的巨大影响同时也被广泛应用于各领域。 流体力学的研究内容： 1、流体静力学：主要研究流体处于静止状态时的力和平衡关系。 ? 浮力规律的探讨—阿基米德（十七世纪以前） 对流体力学学科的形成作出第一个贡献的是古希腊的阿基米德，静力学和流体静力学的奠基人，他建立了包括物理浮力定律和浮体稳定性在内的液体平衡理论，奠定了流体静力学的基础。他的著作《论浮体》相当详细地讨论了正回旋抛物体在流体中的稳定性，研究了不同的高与底的比、具有不同的比重及在流体中处于不同位置时这种立体的性态。 ? 帕斯卡原理（静压传递原理）（1651-1654） 其基本内容是加在密闭液体任何一部分上 const 2g 2 =+g v p ρ 的压强，必然按照其原来的大小由液体向各个方向传递。帕斯卡的著作《论液体的平衡和空气的重力》代表了十七世纪力学发展的里程碑。静压传递原理是液压与气压传动的基础，在液压千斤顶、液压机等机械上有非常广泛的应用。 F1／F2（F 为施加的力）＝S2／S2（S 指大小活塞的面积） 2、 理想流体的运动学和动力学 ：流体动力学中主要研究无粘性不可压缩流体在绕过物体时的流动和管内流动规律的一个分支，又称经典流体动力学。这一学科分支的任务是求解流场中的速度、压力分布和物体受力。它忽略了真实流体的粘性和压缩性，也不考虑表面张力，从而大大简化了复杂的流体动力学问题，故常作为近似处理许多工程问题的依据。 牛顿、伯努利、欧拉、拉格朗日、拉普拉斯、纳维、柯西、泊松、圣维南、斯托克斯、雷诺等科学家对流体力学的发展都做出了巨大贡献。 ? 牛顿-站在巨人的肩上：他的著作《自然哲学的数学原理》发表于1687年，牛顿内摩擦定律-第一个系统研究流体力学的人。他所研究的流体我们定义为“牛顿流体”，是指在受力
(计算流体力学概述) CFD仿真 3月20日309 计算流体力学概述 流体力学，是研究流体（液体和气体）的力学运动规律及其应用的学科。主要研究在各种力的作用下，流体本身的状态，以及流体和固体壁面、流体和流体间、流体与其他运动形态之间的相互作用的力学分支。流体力学是力学的一个重要分支，它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。在生活、环保、科学技术及工程中具有重要的应用价值。 计算流体力学的发展 计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics）简写为CFD，是20世纪60年代起伴随计算科学与工程（Computational Science and Engineering, 简称CSE）迅速崛起的一门学科分支，经过半个世纪的迅猛发展，这门学科已经是相当的成熟了，一个重要的标志就是近几十年来，各种CFD通用软件的陆续出现，成为商品化软件，服务于传统的流体力学和流体工程领域，如航空、航天、船舶、水利等。随着CFD通用软件的性能日益完善，应用的范围也不断的扩大，在化工、冶金、建筑、环境等相关领域中也被广泛应用。 现代流体力学研究方法包括理论分析，数值计算和实验研究三个方面。这些方法针对不同的角度进行研究，相互补充。理论分析研究能够表述参数影响形式，为数值计算和实验研究提供了有效的指导；试验是认识客观现实的有效手段，验证理论分析和数值计算的正确性；计算流体力学通过提供模拟真实流动的经济手段补充理论及试验的空缺。 更重要的是，计算流体力学提供了廉价的模拟、设计和优化的工具，以及提供了分析三维复杂流动的工具。在复杂的情况下，测量往往是很困难的，甚至是不可能的，而计算流体力学则能方便的提供全部流场范围的详细信息。与试验相比，计算流体力学具有对于参数没有什么限制，费用少，流场无干扰的特点。出于计算流体力学如此的优点，我们选择它来进行模
文献综述 题目流体力学概述 学院机电工程学院专业机械工程及自动化班级10机自本一学号10113003336 学生姓名徐石明任课教师李振哲 温州大学教务处制
一、前言部分： 1、前言 大千世界，被冠之以“流体”的流动介质无所不在.流体力学研究在各种力的作用下，流体的静止和运动状态以及流体和其他物体有相对运动时的相互作用和流动规律.流体力学既是探索自然规律的基础学科，也是解决工程实际问题的应用学科，它在现代科学中占有重要的地位。事实上，它已成为当今科学和工程技术的基础之一。 为了造就力学人才，我国许多理工科院校都开设了流体力学课程，因为在中国目前看来，还缺少这方面的拔尖人才。 2、相关概念及综述范围 2.1 概念：流体力学，是研究流体(液体和气体)的力学运动规律及其应用的学科。主要研究在各种力的作用下，流体本身的状态，以及流体和固体壁面、流体和流体间、流体与其他运动形态之间的相互作用的力学分支。流体力学是力学的一个重要分支，它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。它的主要基础是牛顿运动定律和质量守恒定律，常常还要用到热力学知识，有时还用到宏观电动力学的基本定律、本构方程和高等数学、物理学、化学的基础知识。 2.2 综述范围 除水和空气以外，流体还指作为汽轮机工作介质的水蒸气、润滑油、地下石油、含泥沙的江水、血液、超高压作用下的金属和燃烧后产生成分复杂的气体、高温条件下的等离子体等等。气象、水利的研究，船舶、飞行器、叶轮机械和核电站的设计及其运行，可燃气体或炸药的爆炸，汽车制造，以及天体物理的若干问题等等，都广泛地用到流体力学知识。许多现代科学技术所关心的问题既受流体力学的指导，同时也促进了它不断地发展。1950年后，电子计算机的发展又给予流体力学以极大的推动。 二、主题部分： 1、历史 17世纪，力学奠基人牛顿研究了在流体中运动的物体所受到的阻力，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。之后，法国皮托发明了测量流速的皮托管；达朗贝尔证实了阻力同物体运动速度之间的平方关系；瑞士的欧拉建立了欧拉方程，正确地用微分方程组描述了无粘流体的运动；伯努利从经典力学的能量守恒出发，研究供水管道中水的流动，精心地安排了实验并加以分析，得到了流体定常运动下的流速、压力、管道高程之间的关系——伯努利方程。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。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。从18世纪起，位势流理论有了很大进展，在水波、潮汐、涡旋运动、声学等方面都阐明了很多规律。1822年，纳维建立了粘性流体的基本运动方程；1845年，斯托克斯又以更合理的基础导出了这个方程，并将其所涉及的宏观力学基本概念论证得令人信服。这组方程就是沿用至今的纳维-斯托克斯方程(简称N-S方程)，它是流体动力学的理论基础。20世纪初，以儒科夫斯基、恰普雷金、普朗特等为代表的科学家，开创了以无粘不可压缩流体位势流理论为基础的机翼理论，阐明了机翼怎样会受到举力，从而空气能把很重的飞机托上天空。机翼理论和边界层理论的建立和发展是流体力学的一次重大进展，它使无粘流体理论同粘性流体的边界层理论很好地结合起来。20世纪40年代以后，由于喷气推进和火箭技术的应用，飞行器速度超过声速，进而实现了航天飞行，使气体高速流动的研究进展迅速，形成了气体动力学、物理-化学流体动力学等分支学科。以这些理论为基础，流体力学又发展了许多分支，如高超声速空气动力学、超音速空气动力学、稀薄空气动力学、电磁流体力学、计算流体力学、两相(气液或气固)流等等。1935年以后，人们概括了水力学
流体力学及其应用论文 流体力学的概念： 流体力学，是研究流体(液体和气体)的力学运动规律及其应用的学科。主 要研究在各种力的作用下，流体本身的状态，以及流体和固体壁面、流体和流 体间、流体与其他运动形态之间的相互作用的力学分支。流体力学是连续介质 力学的一门分支，是研究流体（包含气体及液体）现象以及相关力学行为的科 学。可以按照研究对象的运动方式分为流体静力学和流体动力学，还可按应用 范围分为水力学，空气动力学等等。 流体力学的概述： 试高
空气的流动在日常生活中是看不见的，但低速气流的流动却与水流有较大 的相似性。日常的生活经验告诉我们，当水流以一个相对稳定的流量流过河床 时，在河面较宽的地方流速慢，在河面较窄的地方流速快。流过机翼的气流与 河床中的流水类似，由于机翼一般是不对称的，上表面比较凸，而下表面比较 平，流过机翼上表面的气流就类似于较窄地方的流水，流速较快，而流过机翼 下表面的气流正好相反，类似于较宽地方的流水，流速较上表面的气流慢。根 据流体力学的基本原理，流动慢的大气压强较大，而流动快的大气压强较小， 这样机翼下表面的压强就比上表面的压强高，换一句话说，就是大气施加与机 翼下表面的压力(方向向上)比施加于机翼上表面的压力(方向向下)大，二者的 压力差便形成了飞机的升力。简单来说，飞机向前飞行得越快，机翼产生的气 动升力也就越大。当升力大于重力时，飞机就可以向上爬升；当升力小于重力 时，飞机就可以降低高度。 流体力学的研究范围： 同时切断习题电源，线缆敷设完毕，要进行检查和检测处理。家出具高中资料试卷试验报告与相关技术资料，并且了解现场设备高中资料试卷布置情况与有关高中资料试卷电气系统接线等情况，然后根据规范与规程规定，制定设备调试高中资料试卷方案。 外部电源高中资料试卷切除从而采用高中资料试卷主要保护装置。
边界层（Boundary Layer）是高雷诺数绕流中紧贴物面的粘性力不可忽略的流动薄层，又称流动边界层、附面层。这个概念由近代流体力学的奠基人，德国人Ludwig Prandtl（普朗特）于1904年首先提出。从那时起，边界层研究就成为流体力学中的一个重要课题和领域。在边界层内，紧贴物面的流体由于分子引力的作用，完全粘附于物面上，与物体的相对速度为零。 边界层又称附面层，它是指流体流经固体表面时，靠近表面总会形成那么一个薄层，在此薄层中紧贴表面的流体流速为零，但在垂直固体表面的方向（法向）上速度增加的很快，即具有很大的速度梯度，甚至对粘性很小的流体，也不能忽略它表现出来的粘性力。而在此边界层外，流体的速度梯度很小，甚至对粘度很大的流体而言，其粘性力的影响也可以忽略，流体的流速与绕流固体表面前的流速V0一样。这样就可把边界层外流动的流体运动视为理想流体运动，不考虑粘性力的影响。边界层内、外区域间没有明显的分界面，而把边界层边缘上的流体流速V x视为V x=0.99 V0，因此从固体表面至V x=0.99 V0处的垂直距离视为边界层的厚度δ。这样大雷诺数下绕过固体的流动便简化为研究边界层中的流动问题。 边界层内的流动可以是层流，也可以是带有层流底层的紊流，还可以是层流、紊流混合的过渡流。 图1 边界层结构 综上所述，边界层的特征可归结为： （1）与固体长度相比，边界层厚度很小； （2）边界层内沿边界层厚度方向上的速度梯度很大； （3）边界层沿流动方向逐渐增厚； （4）由于边界层很薄，故可近似地认为，边界层截面上的压力等于同一截面上边界层外边界上的压力； （5）边界层内粘性力和惯性力士同一数量级的； （6）如在整个长度上边界层内都是层流，称层流边界层；仅在起始长度上的是层流，而在其他部分为紊流的称混合边界层。 以上定义的边界层为速度边界层，另外在其他学科领域中对于边界层的应用还是十分广泛的，主要有温度边界层和浓度边界层。 1．温度边界层 流体在平壁上流过时，流体和壁面间将进行换热，引起壁面法向方向上温度分布的变化，