《流体力学》教案 第一章 流体及其主要物理性质.pdf

前言 流体力学是力学的一门重要分支。它是运用力学中的基本规律，研究流体平 衡及其运动规律的一门学科。这门课侧重于流体力学在工程实际中的应用，而对 于我们专业来讲，则主要是研究流体力学中的不可压缩流体的平衡及运动规律部 分，因为我们经常会遇到的有关水面舰艇、潜艇及鱼雷的运动问题，都是在海水 中进行的，而我们一般认为海水的密度为常数，即海水为不可压缩流体。关于流 体的压缩性（可压或不可压），我们在下一节中再详细阐述。下面就流体力学的 发展简史，它的研究方法和内容，这门课程在本专业中的地位与作用等三方面的 问题进行说明。 1、流体力学的发展简史 流体力学成为一门完整的学科，是经历了一个漫长的历史过程。人类最早对 流体的认识是从供水、灌溉、航行等方面开始的。例如我国古代传说中的大禹治 水的故事及李冰父子在四川修建的都江堰水利工程都是劳动人民利用流体的知 识去改造大自然的光辉范例。 在流体力学领域中，最早的一部科学著作是公元前250 年由阿基米德所著的 《论浮体》，书中精确的给出了著名的“阿基米德原理”，但在这之后的相当长时 间里，流体力学几乎没有什么显著进展。随着欧洲资本主义萌芽的产生，到十七 世纪末流体力学又有了许多成就，托里拆利的孔口出流公式、巴斯卡原理、牛顿 内摩擦定律等都是当时在流体力学领域内取得的成就，但这些成就都是离散的， 孤立的，还不足以使流体力学发展成为独立的学科体系。 流体力学成为独立的一门学科是开始于十八世纪伯诺利（D.Bernonlli ）方程 和欧拉（L.Euler ）方程的建立，十九世纪初期和中期，纳维埃（L.Navier ）和斯 托克斯（G..G..Stocks ）发表了非常著名的粘性流体的运动方程式（即N-S 方程）。 十九世纪末，雷诺（O.Regnolols ）发现了流体的两种完全不同的流动状态，即层 流和紊流。二十世纪以来，这门科学的发展很快，库塔（W.M.Kutta ）和儒可夫 斯基（H.E.Joukowski ）发表了机翼的升力理论，为航空事业的发展奠定了坚实 的理论基础，普朗特（L.Prardtl ）提出了边界层理论，这些理论对流体力学开始 脱离经典式的理论研究而与工程实际相结合起着很大的作用。 随着现代科学技术的高度发展，尤其是电子计算机的出现，流体力学与其他 1 学科相互渗透，形成了许多边缘学科，例如非牛顿流体力学，多相流体力学，生 物流体力学和气动噪音流体力学等等。 2、流体力学的研究方法和内容 流体力学的中心问题有两个： （1）研究流体中速度和压力的分布以及变化的规律； （2 ）研究i 流体对物体的作用力和力矩，研究它们产生的原因，计算方法， 以及影响它们大小的因素。比如我们专业就经常需要计算海水于鱼雷之间的作用 力和力矩，来进行弹道仿真等方面的研究。 流体力学可分为：流体运动学（用几何观点，不牵涉力的问题） 流体动力学（用力学观点研究流体运动） 流体静力学（流体动力学的特例，研究流体平衡时压力 的分布） 流体力学的研究方法有实验方法和分析方法两种，尤其是它本身有一些特殊 的分析方法，如微分体积法，速度势法，保角变换法等，根据这些方法运用数学 工具可以获得一些重要的结论。有限元素法，差分法等的引入，使得分析方法获 得了新的活力。 3、在本专业的地位与作用 专业现改为“机械电子工程”，流体力学仍为本专业的一门重要的专业基础 课，它是学习后续课程“鱼雷流体力学”的基础，也是进行有关鱼雷弹道，鱼雷 总体性能及鱼雷流体动力特性等诸多方面研究的基础。它是我们专业研究生入学 考试的一门专业课。 第一章 流体及其主要物理性质 本章主要叙述流体的物理性质，它和固体的物理性质有许多不同之处，例如： 流体可以随其容器形状的不同而改变其形状；流体几乎不能承受拉应力，同时抵 抗剪切变形的能力极弱；在固体弹性体中切应力与应变成比例，而对于牛顿流体 来说切应力与应变得时间变化率成正比。 第1 节、流体的概念 流体是易于流动的物体，它是相对于固体而