流體力學(xué)百度文庫(求一全套流體力學(xué)學(xué)習資料)

1.求一全套“流體力學(xué)”學(xué)習資料

第1章 緒 論本章首先引入流體的連續性假設，然后介紹流體的流動(dòng)性、粘性、可壓縮性等物理性質(zhì)以及作用在流體上的力。

1.1流體力學(xué)的研究對象及意義在一定的外界條件下，根據組成物質(zhì)的分子間距離和相互作用力強弱的不同，將物質(zhì)劃分為固體、液體和氣體，而根據物質(zhì)的受力和運動(dòng)特性的不同，物質(zhì)又可劃分為固體和流體。流體包括液體和氣體。

固體既能承受法向力（包括壓力和拉力），又能承受切向力，在彈性范圍內作用力使固體產(chǎn)生有限的變形，作用力消失，變形消失，固體恢復到原來(lái)的形狀；流體只能承受壓力，不能承受拉力，在靜止流體中只要有切向力的作用，不管它多么小，在足夠大的時(shí)間內流體將產(chǎn)生連續不斷的變形。這種變形就是我們所說(shuō)的流動(dòng)。

因此，也稱(chēng)能流動(dòng)的物質(zhì)為流體。水、空氣、酒精、滑油等是常見(jiàn)的流體。

流體力學(xué)是力學(xué)的一個(gè)分支，屬于宏觀(guān)力學(xué)。它的主要任務(wù)是研究流體所遵循的宏觀(guān)運動(dòng)規律以及流體和周?chē)矬w之間的相互作用。

有些物質(zhì)具有流體和固體的雙重特性。例如我們熟知的瀝青，塊狀瀝青表現為固體，而經(jīng)長(cháng)時(shí)間載荷作用下的瀝青又具有流體的特性。

又如面條也有固體和流體的雙重特性，我們把這類(lèi)物體統稱(chēng)為粘彈性流體。流體力學(xué)不討論這種具有雙重性的物質(zhì)，只討論像水、空氣這樣的“純粹流體”。

液體和氣體雖同為流體，具有共性，但又各有特性。液體雖無(wú)一定的形狀，但具有一定的體積，不易被壓縮，在于氣體的交界面上存在自由表面；氣體既沒(méi)有一定的形狀，也沒(méi)有一定的體積，易于被壓縮，不存在自由表面。

液體和氣體的特性決定了各自需要研究的特殊問(wèn)題。以液體為主要研究對象的力學(xué)稱(chēng)為水動(dòng)力學(xué)（Hydrodynamics），以空氣為主要研究對象的力學(xué)稱(chēng)為水動(dòng)力學(xué)（Aerodynamics），兩者結合起來(lái)統稱(chēng)為流體力學(xué)（Fluid Mechanics）。

例如，由于液體存在自由表面，艦船在水面上航行時(shí)會(huì )引起船波，需要研究波浪問(wèn)題而不計壓縮性，如果艦船在洶涌起伏的水面上（波浪中）航行，還會(huì )發(fā)生搖擺和擊水等現象；由于氣體的易壓縮性，飛機、導彈等在空中高速航行時(shí)要考慮壓縮性和沖擊波等問(wèn)題問(wèn)題。但是，如果研究距水面較遠的深水問(wèn)題，水面的影響可不予考慮，而研究低速流動(dòng)的空氣時(shí)，也可以不考慮壓縮性，這時(shí)，水和空氣遵循大致相同的運動(dòng)規律。

例如，空氣中的氣球和深水下的水雷，空氣中的飛船和水下的水滴形潛艇等等的受力情況是類(lèi)似的。流體力學(xué)廣泛應用于航空、船舶、水利、交通、石油、能源、建筑、機械、采礦、冶金、化工等各個(gè)領(lǐng)域。

可以說(shuō)，目前已很難找到一個(gè)領(lǐng)域與流體力學(xué)沒(méi)有或多或少的聯(lián)系。在船舶與海洋工程領(lǐng)域中，船舶與下水運載器的外形設計、穩性、操縱性、快速性、耐波性、抨擊、海洋結構物的設計、海浪與海流的描述以及海洋能的開(kāi)發(fā)和利用等基本問(wèn)題都向流體力學(xué)提出了廣泛的研究課題。

在海岸與港口航道工程中，避風(fēng)港灣、護岸提壩以及內河航道的設計等都需要流體力學(xué)知識。在水利工程中，大型水利樞紐、水庫、水力發(fā)電站的設計和建造、洪峰預測、河流泥沙等問(wèn)題都是與流體力學(xué)緊密聯(lián)系在一起的。

可見(jiàn)流體力學(xué)在人們生產(chǎn)和生活中占有重要的地位。就船舶與海洋工程領(lǐng)域而言，流體力學(xué)作為一門(mén)專(zhuān)業(yè)基礎科學(xué)，在推動(dòng)造船工程技術(shù)的發(fā)展，開(kāi)發(fā)研制低消耗、高效能艦船的過(guò)程中起著(zhù)非常重要的作用。

流體力學(xué)是一門(mén)古老而富有活力的學(xué)科，至今已經(jīng)歷了兩千多年的歷史。流體力學(xué)的發(fā)展演變過(guò)程大體上經(jīng)歷了四個(gè)階段。

（1）靜力學(xué)（Hydrostatics）：這一階段以公元兩千多年前Archimedes(B.C.278—212)關(guān)于浮力和Pascal(1623—1662)關(guān)于靜水壓力的研究為代表。至今還流傳著(zhù)Archimedes利用浮力原理解決皇冠摻銀問(wèn)題的故事。

（2）理想流體力學(xué)（Ideal Fluid Mechanics）：從十七世紀開(kāi)始一些卓越的數學(xué)家從數學(xué)的角度出發(fā)不計流體的粘性、壓縮性和表面張力研究流體的運動(dòng)，形成了流體力學(xué)學(xué)科的雛形——理想流體力學(xué)（Hydrodynamics,Hydraulics），這一階段以伯努利（Bernoulli）(1700—1782)、歐拉（Euler）(1707—1783)和Largrange的工作最具代表性。但由于忽略粘性，導致了繞流物體阻力為零的佯繆（Paradox）。

(3)流體動(dòng)力學(xué)（Fluid Dynamics）：這一階段研究的特征是理論與實(shí)驗的結合。十八世紀突出的成就是由Navier、Hargen、Poiseuille、Stokes等人創(chuàng )立了粘性流體力學(xué)。

進(jìn)入十九世紀在理論研究遇到困難的情況下開(kāi)始主要依賴(lài)于實(shí)驗，由Reynolds、Froude、Rayleigh等人創(chuàng )立了相似理論，奠定了實(shí)驗流體力學(xué)（Experimental Fluid Mechanics）的基礎。隨著(zhù)Helmholyz、Thomson等人關(guān)于旋渦運動(dòng)的幾個(gè)實(shí)驗的提出，流體力學(xué)的體系逐步趨于完善，也正是這一時(shí)期，流體力學(xué)與航空、造船等工程實(shí)際的聯(lián)系更緊密了，做出重要貢獻的學(xué)者還有儒可夫斯基（Joukowski）、庫塔（Kutta）等人。

自二十世紀初由Plandtl創(chuàng )立了邊界層理論以及隨著(zhù)湍流理論的出現流體力學(xué)進(jìn)入了與工程實(shí)際相結合的蓬勃發(fā)展的時(shí)期，因此Plandtl和Von Karmann也成為了近代流體力學(xué)的奠基人。在我國著(zhù)名的力。

2.流體力學(xué)學(xué)什么

總體來(lái)說(shuō)，是學(xué)習有關(guān)流體在靜止狀態(tài)下的靜力學(xué)知識或有關(guān)運動(dòng)下的動(dòng)力學(xué)知識，以及相關(guān)工程應用的知識。

具體說(shuō)起來(lái)，主要的基本知識有：1）流體的特性，如粘性、壓縮性等。2）流體靜止時(shí)表現出來(lái)的力學(xué)性質(zhì)，如壓差方程、平衡微分方程、壓強的計算等。

3）流體運動(dòng)時(shí)表現出來(lái)的運動(dòng)與力學(xué)的性質(zhì)，如流線(xiàn)方程、跡線(xiàn)方程，伯努利能量方程，N-S動(dòng)力學(xué)方程等，動(dòng)量方程，動(dòng)量矩方程。4）流體在靜止和運動(dòng)時(shí)對物體的作用力的規律及其在工程上的應用，如靜止流體對平面或曲面或物體作用力的計算，運動(dòng)流體對平面或曲面或物體作用力（或力矩）的計算，或在飛機、火車(chē)、汽車(chē)等工業(yè)上的應用。

5）量綱理論，如量綱同一性定律，π定律等。6）其它，如計算流體力學(xué)等。

3.如何入門(mén)計算流體力學(xué)

計算流體力學(xué)入門(mén)第一章基本原理和方程1.計算流體力學(xué)的基本原理1.1為什么會(huì )有計算流體力學(xué)1.2計算流體力學(xué)是一種科研工具1.3計算流體力學(xué)是一種設計工具1.4計算流體力學(xué)的沖擊-其它方面的應用1.4.1汽車(chē)和發(fā)動(dòng)機方面的應用1.4.2工業(yè)制造領(lǐng)域的應用1.4.3土木工程中的應用1.4.4環(huán)境工程中的應用1.4.5海軍體形中的應用（如潛艇）在第一部分，作為本書(shū)的出發(fā)點(diǎn)，首先介紹計算流體力學(xué)的一些基本原理和思想，同時(shí)也導出并討論流體力學(xué)的基本控制方程組，這些方程組是計算流體力學(xué)的物理基礎，在理解和應用計算流體力學(xué)的任何一方面之前，必須完全了解控制方程組的數學(xué)形式和各項的物理意義，所有這些就是第一部分的注意內容。

1.1 為什么有計算流體力學(xué)時(shí)間：21世紀早期。地點(diǎn)：世界上任何地方的一個(gè)主要機場(chǎng)。

事件：一架光滑美麗的飛機沿著(zhù)跑道飛奔，起飛，很快就從視野中消失。幾分鐘之內，飛機加速到音速。

仍然在大氣層內，飛機的超音速燃燒式噴氣發(fā)動(dòng)機將飛機推進(jìn)到了26000ft/s-軌道速度-飛行器進(jìn)入地球軌道的速度。這是不是一個(gè)充滿(mǎn)幻想的夢(mèng)？這個(gè)夢(mèng)還沒(méi)有實(shí)現，這是一個(gè)星際運輸工具的概念，從20世紀八十年代到九十年代，已經(jīng)有幾個(gè)國家已經(jīng)開(kāi)始這方面的研制工作。

特別的，圖1.1顯示的是一個(gè)藝術(shù)家為NASD設計的飛行器的圖紙。美國從八十年代中期開(kāi)始就進(jìn)行這項精深的研究。

對航空知識了解的人都知道，象這種飛行器，這樣的推進(jìn)力使飛機飛的更快更高的設想總有一天會(huì )實(shí)現。但是，只有當CFD發(fā)展到了一定程度，能夠高效準確可靠的計算通過(guò)飛行器和發(fā)動(dòng)機周?chē)娜S流場(chǎng)的時(shí)候，這個(gè)設想才能實(shí)現，不幸的是地球上的測量裝置-風(fēng)洞-還不存在這種超音速飛行的飛行體系。

我們的風(fēng)洞還不能同時(shí)模擬星際飛行器在飛行中所遇到的高M(jìn)a和高的流場(chǎng)溫度。在21世紀，也不會(huì )出現這樣的風(fēng)洞，因此，CFD就是設計這種飛行器的主要手段。

為了設計這種飛行器和其它方面的原因，出現了CFD-本書(shū)的主要內容。CFD在現代實(shí)際流體力學(xué)中非常重要。

CFD組成了流體力學(xué)理論研究和發(fā)展的“第三中方法”。17世紀在英國和法國，奠定了試驗流體力學(xué)的基礎，18世紀和19世紀，主要也是在在歐洲，逐漸出現了理論流體動(dòng)力學(xué)（參考書(shū)3-5是有關(guān)流體動(dòng)力學(xué)和航空動(dòng)力學(xué)發(fā)展歷史的）。

結果，整個(gè)20世紀，流體動(dòng)力學(xué)的研究和實(shí)踐包括兩個(gè)方面（所有物理科學(xué)和工程問(wèn)題），一方面是純理論方面，另一方面是純實(shí)驗方面。如果是在60年代學(xué)習流體力學(xué)，你需要在理論和實(shí)驗方面進(jìn)行學(xué)。

隨著(zhù)高速數字數字計算機的到來(lái)，以計算機為基礎的解決物理問(wèn)題的數字代數也發(fā)展的很精確，這些對我們今天研究和實(shí)踐流體動(dòng)力學(xué)提供了革命性的方法，這引入了流體動(dòng)力學(xué)研究中基本的第三種方法-CFD方法。正如圖1.2所表明的，在分析解決流體動(dòng)力學(xué)問(wèn)題中，CFD和純理論以及純實(shí)驗研究同等重要。

這并不是靈光一顯，只要人類(lèi)高級文明存在，CFD就要發(fā)揮作用。因此，現在通過(guò)學(xué)習CFD，你就會(huì )參與一場(chǎng)令人敬畏的，歷史性的革命中，這就是本書(shū)的重要性所在。

但是，CFD雖然不能代替其它方法，它畢竟提供了一個(gè)新的研究方法，非常有前景。CFD對純理論和純實(shí)驗研究有非常好的協(xié)調補充作用，但是并不能替代這兩種計算方法（有時(shí)有建議作用）。

經(jīng)常需要理論和試驗方法。流體動(dòng)力學(xué)的發(fā)展依賴(lài)于這三種方法的協(xié)調發(fā)展。

CFD有助于理解和解釋理論和試驗的結果，反過(guò)來(lái)，CFD的結果也需要理論計算來(lái)驗證。最后需要注意，CFD現在非常普通，CFD是計算流體力學(xué)的縮寫(xiě)，在本書(shū)中，也將使用這一縮寫(xiě)。

1.2 計算流體力學(xué)是一種研究工具在不同馬赫數和雷諾數下給定流體條件，CFD的結果累死于實(shí)驗室中風(fēng)洞的結果。風(fēng)洞一般來(lái)說(shuō)是一種沉重、笨拙的裝置，CFD和此不同，它通常是一個(gè)計算程序（以軟盤(pán)為例），可以隨身攜帶。

更佳的方法是，可以將程序存儲在一個(gè)指定的計算機上，在千里之外，在任何一個(gè)終端設備上就可以使用程序進(jìn)行計算，也即是說(shuō)CFD是一個(gè)隨身攜帶的工具，或者隨身攜帶的風(fēng)洞。更深一步對比，可以以此計算程序為工具來(lái)做數字實(shí)驗。

例如，假設有個(gè)程序可以計算如圖1.3所示的流過(guò)機翼的粘性、亞音速可壓縮流體的運動(dòng)（這個(gè)計算程序是有Kothari和Anderson所寫(xiě)-參考書(shū)6）。這些計算程序采用有限差分法來(lái)求解粘性流體運動(dòng)的完整N-S方程。

N-S方程和其它的流體控制方程在第二章中導出，在參考書(shū)6中，Kothari和Anderson采用的是標準的計算方法，這些標準計算方法貫穿本書(shū)的各個(gè)章節中，也就是說(shuō)當學(xué)習完本書(shū)后，具備了求解流過(guò)機翼表面的可壓縮流體的運動(dòng)，這些內容在參考書(shū)6中都有介紹。現在假設已經(jīng)有了這樣一個(gè)程序，那么現在就可以做一些有趣的實(shí)驗，這些實(shí)驗在文字描述上和風(fēng)洞實(shí)驗完全相同，只是用計算機所做的實(shí)驗是數字的。

為了更具體的了解數字實(shí)驗的原理，從參考書(shū)6中摘錄一個(gè)實(shí)驗進(jìn)行說(shuō)明。這個(gè)例子是一個(gè)數字實(shí)驗，在一定程度上可以闡明流場(chǎng)的物理作用，而真實(shí)實(shí)驗卻不能做到。

例如，圖1.3所示為亞音速可壓縮流體流過(guò)Wortmam機翼的流動(dòng)。問(wèn)題是：在Re=100,000時(shí)。

4.流體力學(xué)的幾個(gè)基本問(wèn)題是什么

流體力學(xué)是連續介質(zhì)力學(xué)的一門(mén)分支，是研究流體（包含氣體及液體）現象以及相關(guān)力學(xué)行為的科學(xué)。

可按研究對象的運動(dòng)方式分為流體靜力學(xué)和流體動(dòng)力學(xué)，還可按應用范圍分為水力學(xué)，空氣動(dòng)力學(xué)等等。理論流體力學(xué)的基本方程是納維-斯托克斯方程，簡(jiǎn)稱(chēng)N-S方程。

納維-斯托克斯方程由一些微分方程組成，通常只有通過(guò)一些邊界條件或者通過(guò)數值計算的方式才可以求解。它包含速度， 壓強p，密度ρ， 黏度η，和溫度T等變量，而這些都是位置（x,y,z） 和時(shí)間t的函數。

通過(guò)質(zhì)量守恒、能量守恒和動(dòng)量守恒，以及熱力學(xué)方程 f（ρ，p,T）和介質(zhì)的材料性質(zhì)我們可以確定這些變量。 流體力學(xué)的基本假設 流體力學(xué)有一些基本假設，基本假設以方程式的形式表示。

例如，在三維的不可壓縮流體中，質(zhì)量守恒的假設的方程式如下：在任意封閉曲面（例如球體）中，由曲面進(jìn)入封閉曲面內的質(zhì)量速率，需和由曲面離開(kāi)封閉曲面內的質(zhì)量速率相等。（換句話(huà)說(shuō)，曲面內的質(zhì)量為定值，曲面外的質(zhì)量也是定值）以上方程式可以用曲面上的積分式表示。

流體力學(xué)假設所有流體滿(mǎn)足以下的假設： 質(zhì)量守恒 動(dòng)量守恒 連續體假設 在流體力學(xué)中常會(huì )假設流體是不可壓縮流體，也就是流體的密度為一定值。液體可以算是不可壓縮流體，氣體則不是。

有時(shí)也會(huì )假設流體的黏度為零，此時(shí)流體即為非黏性流體。氣體常常可視為非黏性流體。

若流體黏度不為零，而且流體被容器包圍（如管子），則在邊界處流體的速度為零。v。