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流体力学的产生与发展工程流体力学

流体力学的产生及发展概述人类最早对流体力学的认识是从治水、灌溉、航行等方面开始的。在我国，水力利用的历史十分悠久。4000多年前的大禹治水，说明我国古代已有大规模的治河工程。秦代，在公元前256年－公元前210年间便修建了都江堰、郑国渠、灵渠三大水利工程，特别是李冰父子领导修建的都江堰，既有利于岷江洪水的疏排，又能常年用于灌溉农田，并总结出“深淘滩，低作堰”、“遇弯截角，逢正抽心”的治水原则。说明当时对明槽水流和堰流流动规律的认识已经达到相当水平。

流体力学的产生及发展概述提示图为都江堰水利工程示意图。岷江首先被鱼嘴分水堤一分为二，一部分进入外江，一部分进入内江。外江宽且浅，内江窄且深。如此一来，枯水期大部分水将进入内江，丰水期大部分水将进入外江。内江自宝瓶口以下进入密布于川西平原之上的灌溉系统，旱则引水浸润，涝则堵塞水门，保证了大约300万亩良田的灌溉，从而使成都平原成为旱涝保收的天府之国。所谓“深淘滩，低作堰”，传说是李冰留下的治堰准则，是都江堰生生不息的主要“诀窍”，人们将其奉若经典，世代遵从，不敢有违。其中，“低作堰”指的是飞沙堰要低作。飞沙堰过高，虽然枯水季节宝瓶口可以多进水，但洪水季节却会造成严重淤积，使工程逐渐废弃；“深淘滩”中的“滩”指的是风栖窝下的一段内江河道，每年洪水过后这里会有沙石淤积，必须岁岁勤修，以疏浚河道，从而增加枯水季节流入宝瓶口的水量，供灌溉之需。

流体力学的产生及发展概述提示“遇弯截角，逢正抽心”是一切治理疏浚河道的通则。其中，“遇弯截角”指岁修时遇河流弯段，在凸岸截去沙滩角，在凹岸设挑流护岸工程，改变主流方向，使其顺直一些，减轻主流对凸岸的冲刷；“逢正抽心”是指遇到顺直淤塞的河道，应当深挖清淤河床的中间部位，达到主流集中的目的，使江水“安流顺轨”，从而避免冲毁河岸，毁坏农田。

流体力学的产生及发展概述对流体力学学科的形成作出第一个重要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、能量三个守恒定律之后才逐步形成的。

流体力学的产生及发展1.1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。他针对黏性流体运动时的内摩擦力提出了牛顿黏性定律。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与实际情形还有较大的差别。

流体力学的产生及发展1.1流体动力学逐渐发展之后，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，证实了阻力与物体运动速度之间的平方关系；瑞士的欧拉提出了连续介质的概念，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黏流体的运动；伯努利从经典力学的能量守恒出发，研究供水管路中水的流动，精心地安排了实验并加以分析，得到了流体定常流动下的流速、压力、管路高程之间的关系——伯努利方程。

流体力学的产生及发展1.1流体动力学逐渐发展解析流体（气体、液体）流动时，若流体中任何一点的压力、速度和密度等物理量都不随时间变化，则这种流动就称为定常流动，也可称之为“稳态流动”或者“恒定流动”；反之，只要压力、速度和密度中任意一个物理量随时间而变化，液体就是作非定常流动，或者说液体作时变流动。

流体力学的产生及发展1.1流体动力学逐渐发展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……但是，在上述研究中，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的黏性效应。

流体力学的产生及发展1.2流体动力学的理论基础19世纪，工程师们为了解决许多工程问题，尤其是要解决带有黏性影响的问题。他们部分运用流体力学，部分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，纳维建立了黏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