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第2章 流 体 力 学 * 流体: 具有流动性的物体。 流动性: 在运动的过程中，各部分可以发生相对运动的性质称～。 液体和气体都没有固定的外形，极易发生形变，都是流体，比如空气、水等。 流体力学 研究流体本身的静止状态和运动状态，以及流体与相邻固体界壁之间相互作用规律的学科。 §2.1 流体力学简介 一、 流体力学的发展史 流体力学是在人类同自然界作斗争和生产实践中逐渐发展起来的。 ? 流体力学中研究得最多的流体是水和空气。 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。 流体力学的发展在时间上可以追溯到很久以前，尤其是我国的水利事业，历史十分悠久： 四千年前的“大禹治水”，就已认识到治水必须顺水之性，应引导疏通； 我国历史上的三大水利工程都江堰、郑国渠、灵渠，距今2210-2250多年，当时对明渠水流和堰流的认识都已经达到了相当高的水平，尤其是都江堰，为世界著名治水工程的历史典范，颂扬至今。 ??? 静力学： 观察 流体力学的发展（四个阶段） 阿基米德 (B.C. 278-212) 浮力定律、液体平衡理论 达·芬奇（1452－1519年） 液体压力的概念，连通器原理 帕斯卡(1623-1662) 阐明了静水压力及液体压强的传递 理想流体力学：理论研究 伯努利 (Bernoulli，1700-1782)， 欧拉 (Euler，1707-1783)， 拉格朗日 （ Lagrange ，1736-1813 ）。 牛顿(1643-1727)是第一个研究流体力学的人； 1687年，《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，但没有建立起流体动理学的理论基础。 法国数学家、水利工程师皮托发明了测量流速的皮托管。 达朗贝尔为流体力学成为一门学科打下了基础。 1752年，第一次用微分方程表示场，提出了“达朗贝尔原理”； 虽然存在一些问题，但他第一次提出了流体速度和加速度分量的概念，证实了阻力同物体运动速度之间的平方关系。 瑞士的欧拉在其名著《流体运动的一般原理》中，提出理想流体概念； 把牛顿第二定律应用到无黏性流体微团，建立了理想流体基本微分方程--欧拉方程和连续方程； 同时提出了速度势的概念。 流体力学的创始人之一。 欧拉方程和连续方程建立 瑞士数学家伯努利在其名著《流体动力学》中： 用能量守恒定律解决了流体的流动问题，写出了流体动力学的基本方程---伯努利方程。 被称为“流体力学之父” 。 伯努利方程的建立 流体动力学：理论与实验结合 ? 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。 但上述的研究中，流体的黏性并不起重要作用，即所考虑的是无黏流体。这种理论当然阐明不了流体中黏性的效应。 ? 19世纪，为了解决许多工程问题，尤其是要有黏性影响的问题。开始部分地运用流体力学，部分地采用归纳实验结果的半经验公式进行研究，这就形成了水力学，至今它仍与流体力学并行地发展。 1822年,法国工程师纳维(Navier）建立了黏性流体的基本运动方程； 1845年，英国数学家、物理学家斯托克斯（Stokes）以更合理的基础导出了这个方程，从而提出了著名的N-S方程； 1876年雷诺发现了流体流动的两种流态：层流和紊流； 1858年亥姆霍兹指出了理想流体中旋涡的许多基本性质及旋涡运动理论，并于1887年提出了脱体绕流理论； 1904-1921年，普朗特学派逐渐简化了N-S方程，提出了边界层理论，能实际计算简单情形下，边界层内流动状态和流体同固体间的黏性力。 以儒科夫斯基、恰普雷金、普朗克等为代表的科学家，开创了以无黏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。 20世纪初，飞机的出现极大地促进了空气动力学的发展。人们期望能够揭示飞行器周围的压力分布、飞行器的受力状况和阻力等问题，这就促进了流体力学在实验和理论分析方面的发展。 机翼上部吸力的贡献比下部要大。 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，它使无黏流体理论同黏性流体的边界层理论很好地结合起来。 流体力学也是众多应用科学和工程技术的基础。 使重量超过3百吨，面积达半个足球场的大型民航客机，象鸟一样飞行成为可能。 由于空气动力学的发展，人类研制出3倍声速的战斗机。 * 利用超高速气体动力学，物理化学流体力学和稀薄气体力学的研究成果，人类制造出航天飞机，建立太空站，实现了人类登月的梦想。 时速达200公里的新型地效艇等，它们都是建立在水动力学、船