关于对流体力学的认识.pdfVIP

关于对流体力学的认识

论文的关键词：流体力学流体力学的简史流体力学的研究

论文摘要：本文简介了流体力学的发展简史，概述了流体力学的

研究和研究分支，为了提高流体力学对其领域的应用，有必要对流体

力学进行了解和研究。

1、概述

1.1流体力学

流体的流动曲线

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。

1.2应用领域

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

2、发展简史

2.1流体力学的出现

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。古

时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。

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，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。此后千余年间，流体力学没有重大发展。

直到15世纪，意大利达·芬奇的著作才谈到水波、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。但

流体力学尤其是流体动力学作为一门严密的科学，却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

的奠定之后才逐步形成的。

2.2流体动力学逐渐发展

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。但是，牛顿还没

有建立起流体动力学的理论基础，他提出的许多力学模型和结论同实际情

形还有较大的差别。

之后，法国皮托发明了测量流速的皮托管；达朗贝尔对运河中船只的

阻力进行了许多实验工作，证实了阻力同物体运动速度之间的平方关系；

瑞士的欧拉采用了连续介质的概念，把静力学中压力的概念推广到运动流

体中，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。

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。法国拉格朗日对于无旋运动，德国赫姆霍兹对

于涡旋运动作了不少研究„„在上述的研究中，流体的粘性并不起重要作

用，即所考虑的是无粘流体。这种理论当然阐明不了流体中粘性的效应

2.3流体力学的理论基础

19世纪，工程师们为了解决许多工程问题，尤其是要解决带有粘性影响的问题。于是

他们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，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。上面说到的欧拉方程正是N-S方程在粘度

为零时的特例。普朗特学派从1904年到1921年逐步将N-S方程作了简化，从推理、

数学论证和实验测量等各个角度，建立了边界层理论，能实际计算简