工程流体力学 上册 问题导向型 教学课件 作者 丁祖荣 工流A.pptVIP

力学基础课程新体系 A 绪 论 * * 撤掉漏斗,用管子喷出气流对着圆球,可让圆球悬浮在空中;随着气流大小变化,悬浮高度随之增减。 A1.1 对流体运动的认识 要使乒乓球贴在漏斗底部必需满足吸力条件:球上部低压,下部高压。吹气时似乎相反,球上部能形成低压吗？ 人类虽然生活在空气和水的环境中，对流体运动的认识却非常贫乏。举三个来自日常生活的例子。 1.吹乒乓球:是推力还是吸力？ 你能解释上述现象的机理吗？ 两幅照片差别1:(a)水柱喷射较近;(b)喷射较远。答案是流速不同。 2.水管出流:水柱凝聚还是发散？ 3.花茎迎风:前后摆还是左右摆？ 一根直立花茎在风持续不断地吹拂下如何动作？直观回答:花茎将迎风前后摇摆。观察发现:花茎不作前后摇摆,而作左右摇摆;摇摆频率随风速改变;风速越大频率越高。 差别2:(a)水柱发散,(b)水柱凝聚;知道其中的奥秘吗？似乎是流体内部结构不同,差异主要体现在那里？对管内流动的阻力有何影响？ 模拟实验:一节短圆柱体通过柔性接头垂直安装在水槽底面上,让一股平行于水槽侧壁、没有任何波动的水流绕圆柱体流动。 结果是圆柱体绕柔性接头作与水流方向垂直的往复摆动,下游出现交替间隔的涡旋。如何解释此现象？ 工程上的类似现象:电线在风中鸣叫,高层建筑在大风中横向摇摆;悬索桥桥面在大风中上下振荡。 1940年美国华盛顿州跨距853m的塔科马峡谷悬索桥在一场8级大风中,跨向横梁产生上下大幅度振荡而断裂,导致大桥垮塌。据统计,在揭开其中的流体力学奥秘并采取防止措施之前已经有10多座悬索桥按同样的方式毁坏。 人们之所以不能凭直觉认识流体运动规律,是缺乏对流动的感性认识:(1)空气看不见,水被容器或管道包围,肉眼难以观察实际的流动图象。(2)即使看到部分流动,由于变化太快,肉眼也无法辩认。 A1.2 流体力学从经典到近代的发展 人类为了揭开流动奥妙建立了流体力学学科。无论从知识结构还是专业需要,都需要较系统地学习流体力学知识,掌握必要的分析方法。 A1.2.1 经典流体力学时期 20世纪前,由于缺乏对实际流体的深刻认识,加上数学工具不够,以欧拉为代表的数学家把流体归为一个理想模型―无粘性流体。该模型能解释流动速度与压强之间的转换和机翼升力,但不能解释流动阻力。 为了满足工程需要,工程师们用实验方法研究流动阻力问题,归纳出实用的经验公式,称之为实验流体力学。因缺乏理论基础,经验公式缺乏普适性,不能从根本上揭示流体运动的基本规律。 A1.2.2 近代流体力学时期 有人戏称“水力学工程师观察着不能解释的现象，数学家解释着观察不到的现象”。这种理论与实际互相脱节的状况严重限制了流体力学发展。 1.背景：由法拉第开创,麦克斯韦建立,赫兹验证的电磁场理论通过实验室研究转化为技术,发电机和电动机在美国得到广泛应用,取得了巨大效益,被称为“电气时代 (第二次工业革命)”。 19世纪下半叶,德国工程界对这种状况尤为不满。 1893年哥廷根大学克莱因赴美国参观芝加哥世界博览会。认识到重大技术的创造不再来源于单纯经验性发明,而来源于科学理论与实验相结合的基础性研究。 他决心按此理念改造哥廷根大学。1904年成立应用力学系,由年仅29岁的普朗特任主任;形成了以“理论与实践、研究与应用相结合”为特色的哥廷根力学学派,对“航空时代”的到来起了巨大推动作用。 自然科学发展到一定程度才可能被广泛应用;工程技术发展到一定程度,要有科学支撑才能取得突破。 钱学森认为:科学应包括自然科学和工程科学。前者揭示自然界的基本规律,属纯基础研究层次;后者揭示工程技术领域的基本规律,属应用性基础研究层次。 2.钱学森的技术科学理论与应用力学观点 力学可分为理论力学和应用力学。前者为揭示普适规律,把研究对象过于理想化而失去真实性。后者以工程中的力学问题为对象,创造有效方法,解决实际问题;在此过程中也揭示普遍规律,推动自然科学的发展。 冯·卡门等是哥廷根学派的第二代。第三代代表人物钱学森回国后将哥廷根学派的精髓带到了中国。 钱学森认为1910－1960这50年是创建应用力学并取得辉煌成就的阶段,以普朗特为首的哥廷根学派是应用力学的核心和代表。标志性成果是边界层理论,使人类的航空事业足足提前了半个世纪。 在钱学森倡导下,各大学成立工程力学系。钱学森等亲手培养的应用力学队伍在各工程技术部门发挥了重要作用,推动了国民经济快速发展。 A1.2.3 近代流体力学的科技成就 研制出航天飞机,建立太空站,实现了人类登月、航行器登陆火星等梦想。 作为应