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第一章 流体力学基本概念 一、流体力学发展简史 流体力学是研究流体的平衡及运动规律，流体与固体之间的相互作用规律，以及研究流体的机械运动与其他形式的运动（如热运动、化学运动等）之间的相互作用规律的一门学科。 流体力学属于力学范畴，是力学的一个重要分支。其发展和数学、普通力学的发展密不可分。流体力学起源于阿基米德（Archimedes，公元前278~公元前212）对浮力的研究。 1500年前后，达，芬奇（Leonrad Da Vinci，1452～1519）对波动、溅水、旋涡内部的速度分布，绕流物体尾流中旋涡的形成等作了研究 1643年，伽利略的学生托里拆利（Tollichelli E），通过对容器孔口出流现象的观察与测量，提出了托里拆利公式，它说明了容器中液体从孔口射出的速度与液体深度的关系。翌年，他与伽利略的另一个学生维维尼亚（Vivinia J），将一端封闭并充满水银的玻璃管倒立于水银槽中，发现管中水银高度与大气压强有关，据此发明了水银气压计，并利用它第一次测出了大气压强。 一、流体力学发展简史 1647年帕斯卡（Pascal B）提出了流体静力学基本关系式，并由此进一步导出联通器原理和帕斯卡定律。至此，流体静力学理论已完整地建立起来。 1738年，伯努利（Bernoulli）通过对变截面管流实验，得出流体流动的能量守恒方程，即伯努利方程。1755年欧拉（Euler）在忽略流体黏性的情况下，导出了理想流体运动微分方程。1827年纳维埃（Navier）开始了在欧拉方程中加上黏性项的研究工作，经过柯西（Cauchy）、波阿松（Poisson）、维纳特（Venant）等人的继续研究，最后由斯托克斯（Stokes 1845年）完成，历时18年。该方程称为纳维埃-斯托克斯方程（N-S方程）。N-S方程的建立，标志着流体力学理论体系的完成。 1904年普朗特（Prandtl）提出了边界层理论，把不可压缩流体的N-S方程简化为附面层方程，从而把黏性流体动力学的研究转向应用，在数学和工程应用之间搭起了一座桥梁。1908年普朗特的学生勃拉修斯（Blasius）把附面层偏微分方程转化为常微分方程，得出均匀流动下平板附面层的相似性解。 1938年卡门（Karman）和钱学森用动量积分方程求解了可压缩流体平板附面层问题。 一、流体力学发展简史 随着科学技术的不断进步，计算机的发展和应用，流体力学的研究领域和应用范围将不断加深和扩大。从总的发展趋势来看，随着工业应用日益扩大，生产技术飞速发展，不仅可以推动人们对流动现象深入了解，为科学研究提供丰富的课题内容，而且也为验证已有的理论、假设和关系提供机会。理论和实践密切结合，科学研究和工业应用相互促进，必将推动本学科逐步成熟并趋于完善。 二、流体力学在石油化工工业中的应用 流体力学是一门重要的工程学科，它的应用几乎遍及国民经济的各个部门，尤其在石油工程和石油化工工业中，流体力学是其重要的理论核心之一。 在石油工业中 ，用到流体力学原理分析流体在管内的流动规律，压力、阻力、流速和输量的关系，据此设计管径，校核管材强度，布置管线及选择泵的类型和大小，设计泵的安装位置等；在校核油罐和其他储液容器的结构强度，估算容器、油槽车、油罐的装卸时间，解释气蚀、水击等现象 。 在化学工业中，随着化工技术的发展，愈益要求阐明化工过程的机理，分析影响设备性能的因素，因而需要了解化工设备中介质流动的详细情况。于是，不仅物理化学，而且流体力学亦成了化学工程的重要理论支柱 。 三、流体力学的研究方法 流体力学的研究方法主要有理论分析、实验研究和数值计算的方法 。 1、理论分析方法 一般是以实际流动问题为对象建立数学模型，将流动问题转化为数学问题，然后通过数学方法求出理论结果，达到揭示流体运动规律的目的。 应用理论研究方法解决一个较完整的涉及流体流动的实际问题，一般需要经历以下几个环节： （1）分析问题。 （2）建立控制方程。 （3）对方程求解。 三、流体力学的研究方法 2、实验研究方法 在流体力学发展过程中，实验方法是最先使用的一种，起到了关键性的作用。一方面，它用精细的观察和测量手段揭示流动过程中在流场各处的流动特征；另一方面，通过流动参量的直接测量提供了各种特定流动的物理模型。 应用实验研究方法解决实际问题的主要步骤是： （1）所给定的问题，分析其影响因素，选择适当的物理参数，用因 次分析方法将这些参数无量纲化，并确定其取值范围。 （2）设计制造实验模型，准备实验仪器 （3）制定试验方案并进行实验。 （4）整理和分析实验结果