水利流体力学教案2011.doc

Fluid Mechanics (Hydrodynamiacs only)
1 Introduction
流体力学的研究任务及工程应用
自然界物质以液、气、固三种物理状态存在,前两种称之为流体,流体占据地球空间环
境的最大部分,大气圈是地球生态环境的最前卫保护者;地核大部分是高压高温的岩浆,其运动极大地影响着地球本身的“体型”和“健康状况”;在常视为固体的地壳内蕴藏的大量矿藏也有相当部分的流体态;就连人类活动的地表也以大约“三山、六水、一分田”组成,大气-海洋-陆地以太阳为能源构成地球环境内的最大的空调系统,保证了地球生命的生存条件。人类身体本身就是体内充满流动的生命体,人类活动及牵涉到的各种工程、机械的流体流动问题更是不胜枚举。不言而喻,流动是生命的重要支撑,了解流体流动规律关系到生命的生存及生存质量。
流体力学是研究流体运动规律及其应用的一门技术基础科学。大多数技术领域都涉及流体力学问题,围绕力、能量作用下动量、质量、热量的输运把这些问题归纳为以下几类。
(1)作用力问题
(2)过流能力问题
(3)机械能、机械能损失及机械效率问题
(4)机械能消耗问题
(5)流动分布及运动学问题
(6)多孔介质内流动问题
(7)润滑问题
(8)传热、传质问题
(9)流固耦合振动问题
流体力学的历史发展
早在远古时期人类就在生活活动中利用对流动的感性认识结果解决流体流动问题,如浆与帆的运用、利用箭尾羽毛帮助射准目标等。通过感性认识的积累逐步使流体力学发展为独立的学科大体经历了以下阶段。
(17世纪以前)
人类较普遍地认识流体运动是由防洪、灌溉、航运等实践活动兴起的,中国人民在科学实践中表现出聪明的智慧,传说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-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四川岷江都江堰,至今仍发挥排洪、灌溉功能,并在原型观测的基础上总结出"深淘滩,低作堰"、"遇弯截角,逢正抽心"的治水原则,至今仍是重要的治河理论。
中国人最早制造出原始的冲击式水轮机,利用水动力和水力机械提水,碾米、磨面、鼓风等。利用水力鼓风冶铁,较西欧约早一千多年。
早在北宋(960-1126)时期,就在运河上建成了真州船闸,而航运较先进的荷兰到十四世纪末才出现同类船闸。
明朝的水利家潘季训(1521-1595)提出了"筑堤防溢,建坝减水,以堤束水,以水攻沙"和"借清刷黄"的治黄原则,并著有《两河管见》、《两河经略》和《河防一揽》。清朝雍正年间,何梦瑶在《算迪》一书中提出流量等于过水断面面积乘以断面平均流速的计算方法。
虽然中国人民的勤劳勇敢使古代科学技术取得过全球一流的辉煌成就,但由于中国长期处于封闭的封建统治社会,大多数统治阶级不重视科学,特别是由于近代帝国主义列强的压迫使中国人民长期处于饥寒交迫之中,致百业不振、国大而力衰;另一方面在科学理论上缺乏有效的符号推理系统,对自然科学定量描述极为不便,难以将普遍适用的理论系统地向纵深演绎。
西方学者认为流体力学理论始于公元前200多年古希腊科学家阿基米德(Archimedes)“论浮体”一文,但是形成流体流动规律系统理论只有在牛顿(1642~1729)经典力学理论之后才是可能的,在此以前的所有成就为创建系统理论积累了丰富的知识库。
理论创建阶段(18世纪)
随着生产力的发展,进入18世纪已积累大量的流体力学问题,迫切需要能够普遍加以解决的系统理论,而且以牛顿为奠基人的经典力学理论已经确立,微积分理论已较完备,在此前提下以柏努力(Bernoulli)、欧拉(Euler)、拉各朗日(Lagrange)等为代表人物的一批数学家,建立了理想流体的运动方程,今天称之为古典水动力学或经典流体动力学(classic fluid mechanics)。但由于经典流体动力学忽略了粘性不能解决与阻力相关的实际问题,且数学处理极为复杂,而解决实际问题依赖实验观察,(著名的谢才定律是这一时期通过河流观测得到的),很多人干脆把流体力学称之为实验水力学,它与经典流体动力学独立并行发展。
发展成熟阶段(19世纪)
考虑阻力是全面解决流体流动问题的核心,流体运动阻力源于粘性,进入19世纪,以科希(Cauchy)、拉普拉斯(Laplace)、亥姆霍慈(Helmholtz)为代表的数学家们继续完善了理想流体运动的理论,建立了涡动力学基础;纳维(Navier)、司托克斯(Stokes)、泊桑(Poisson)、圣维南(Saint-Venant),雷诺(Reynolds)、布辛涅斯克(Bussinesq)等一大批物理力学家建立了粘性流体力学系统理论,瑞利(Raile