工程流體力學(xué)

工程流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)研究

流體力學(xué)作為一門學(xué)科，在其歷史發(fā)展過程中產(chǎn)生并不斷完善了一些解決問題的方法，如試驗(yàn)研究、理論分析和數(shù)值計算。

實(shí)驗(yàn)研究包括現(xiàn)場觀測和實(shí)驗(yàn)室模型兩個方面。

對自然界固有的流動現(xiàn)象或?qū)嶋H工程中的流動現(xiàn)象，利用各種儀器進(jìn)行系統(tǒng)觀測，從而總結(jié)出立體運(yùn)動的規(guī)律，并借以預(yù)測流動現(xiàn)象的演變。不過現(xiàn)場流動現(xiàn)象往往不能控制，發(fā)生條件幾乎不易完全重復(fù)出現(xiàn)，影響到對流動現(xiàn)象的研究。又加上現(xiàn)場觀測揮動用一些人力、物力、財力，因此人們建立實(shí)驗(yàn)室一是這些現(xiàn)象在可控制的時候出現(xiàn)，以便觀察研究。

模型實(shí)驗(yàn)在流體力學(xué)中占有重要地位。這里所說的模型是指根據(jù)理論指導(dǎo)，是把研究對象的尺度改變（放大或縮?。┮员隳馨才艑?shí)驗(yàn)。有些流動現(xiàn)象難于靠理論計算解決，有的則不可能做原型實(shí)驗(yàn)（成本太高或規(guī)模太大）。這時，根據(jù)模型實(shí)驗(yàn)所得的數(shù)據(jù)可以用像換算單位制那樣的簡單算法求出原型的數(shù)據(jù)。

工程流體力學(xué)理論分析

理論分析是根據(jù)流體運(yùn)動的普遍規(guī)律如質(zhì)量守恒、動量守恒、能量守恒等，利用數(shù)學(xué)分析的手段，研究流體的運(yùn)動，解釋已知的現(xiàn)象，預(yù)測可能發(fā)生的結(jié)果。理論分析的步驟大致如下：

建立“力學(xué)模型”，即針對實(shí)際流體的力學(xué)問題，分析其中的各種矛盾并抓住主要方面，對問題進(jìn)行簡化而建立反映問題本質(zhì)的“力學(xué)模型”。流體力學(xué)中最常用的基本模型有：連續(xù)介質(zhì)、牛頓流體、不可壓縮流體、理想流體、平面流動等。

建立模型常用無限微元法和有限控制體法（平均值法）。

工程流體力學(xué)數(shù)值計算

針對流體運(yùn)動的特點(diǎn)，用數(shù)學(xué)語言將質(zhì)量守恒、動量守恒、能量守恒等定律表達(dá)出來，從而得到連續(xù)性方程、動量方程和能量方程。此外，還要加上某些聯(lián)系流動參量的關(guān)系式(例如狀態(tài)方程)，或者其他方程。這些方程合在一起稱為流體力學(xué)基本方程組。

求出方程組的解后，結(jié)合具體流動，解釋這些解的物理含義和流動機(jī)理。通常還要將這些理論結(jié)果同實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，以確定所得解的準(zhǔn)確程度和力學(xué)模型的適用范圍。

從基本概念到基本方程的一系列定量研究，都涉及到很深的數(shù)學(xué)問題，所以流體力學(xué)的發(fā)展是以數(shù)學(xué)的發(fā)展為前提。反過來，那些經(jīng)過了實(shí)驗(yàn)和工程實(shí)踐考驗(yàn)過的流體力學(xué)理論，又檢驗(yàn)和豐富了數(shù)學(xué)理論，它所提出的一些未解決的難題，也是進(jìn)行數(shù)學(xué)研究、發(fā)展數(shù)學(xué)理論的好課題。

在流體力學(xué)理論中，用簡化流體物理性質(zhì)的方法建立特定的流體的理論模型，用減少自變量和減少未知函數(shù)等方法來簡化數(shù)學(xué)問題，在一定的范圍是成功的，并解決了許多實(shí)際問題。

對于一個特定領(lǐng)域，考慮具體的物理性質(zhì)和運(yùn)動的具體環(huán)境后，抓住主要因素忽略次要因素進(jìn)行抽象化也同時是簡化，建立特定的力學(xué)理論模型，便可以克服數(shù)學(xué)上的困難，進(jìn)一步深入地研究流體的平衡和運(yùn)動性質(zhì)。

20世紀(jì)50年代開始，在設(shè)計攜帶人造衛(wèi)星上天的火箭發(fā)動機(jī)時，配合實(shí)驗(yàn)所做的理論研究，正是依靠一維定常流的引入和簡化，才能及時得到指導(dǎo)設(shè)計的流體力學(xué)結(jié)論。

此外，流體力學(xué)中還經(jīng)常用各種小擾動的簡化，使微分方程和邊界條件從非線性的變成線性的。聲學(xué)是流體力學(xué)中采用小擾動方法而取得重大成就的最早學(xué)科。聲學(xué)中的所謂小擾動，就是指聲音在流體中傳播時，流體的狀態(tài)(壓力、密度、流體質(zhì)點(diǎn)速度)同聲音未傳到時的差別很小。線性化水波理論、薄機(jī)翼理論等雖然由于簡化而有些粗略，但都是比較好地采用了小擾動方法的例子。

每種合理的簡化都有其力學(xué)成果，但也總有其局限性。例如，忽略了密度的變化就不能討論聲音的傳播；忽略了粘性就不能討論與它有關(guān)的阻力和某些其他效應(yīng)。掌握合理的簡化方法，正確解釋簡化后得出的規(guī)律或結(jié)論，全面并充分認(rèn)識簡化模型的適用范圍，正確估計它帶來的同實(shí)際的偏離，正是流體力學(xué)理論工作和實(shí)驗(yàn)工作的精華。

流體力學(xué)的基本方程組非常復(fù)雜，在考慮粘性作用時更是如此，如果不靠計算機(jī)，就只能對比較簡單的情形或簡化后的歐拉方程或N-S方程進(jìn)行計算。20世紀(jì)30～40年代，對于復(fù)雜而又特別重要的流體力學(xué)問題，曾組織過人力用幾個月甚至幾年的時間做數(shù)值計算，比如圓錐做超聲速飛行時周圍的無粘流場就從1943年一直算到1947年。

數(shù)學(xué)的發(fā)展，計算機(jī)的不斷進(jìn)步，以及流體力學(xué)各種計算方法的發(fā)明，使許多原來無法用理論分析求解的復(fù)雜流體力學(xué)問題有了求得數(shù)值解的可能性，這又促進(jìn)了流體力學(xué)計算方法的發(fā)展，并形成了“計算流體力學(xué)”。

從20世紀(jì)60年代起，在飛行器和其他涉及流體運(yùn)動的課題中，經(jīng)常采用電子計算機(jī)做數(shù)值模擬，這可以和物理實(shí)驗(yàn)相輔相成。數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)?zāi)M相互配合，使科學(xué)技術(shù)的研究和工程設(shè)計的速度加快，并節(jié)省開支。2100433B

流體力學(xué)是連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的一門分支，是研究流體（包含氣體及液體）現(xiàn)象以及相關(guān)力學(xué)行為的學(xué)科?？梢园凑昭芯繉ο蟮倪\(yùn)動方式分為流體靜力學(xué)和流體動力學(xué)，還可按應(yīng)用范圍分為水力學(xué)，空氣動力學(xué)等等。理論流體力學(xué)的基本方程是納維-斯托克斯方程，簡稱N-S方程。

納維-斯托克斯方程由一些微分方程組成，通常只有通過一些邊界條件或者通過數(shù)值計算的方式才可以求解。它包含速度v=（u,v,w),壓強(qiáng),密度，粘度溫度等變量，而這些都是位置(x,y,z) 和時間t的函數(shù)。通過質(zhì)量守恒、能量守恒和動量守恒，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)中研究得最多的流體是水和空氣。它的主要基礎(chǔ)是牛頓運(yùn)動定律和質(zhì)量守恒定律，常常還要用到熱力學(xué)知識，有時還用到宏觀電動力學(xué)的基本定律、本構(gòu)方程和高等數(shù)學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)的基礎(chǔ)知識。

1738年伯努利出版他的專著時，首先采用了水動力學(xué)這個名詞并作為書名；1880年前后出現(xiàn)了空氣動力學(xué)這個名詞；1935年以后，人們概括了這兩方面的知識，建立了統(tǒng)一的體系，統(tǒng)稱為流體力學(xué)。

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工程流體力學(xué)預(yù)備知識

工程流體力學(xué)課程要求預(yù)備高等數(shù)學(xué)，理論力學(xué)知識。

工程流體力學(xué)學(xué)習(xí)資料

工程流體力學(xué)課程定位

工程流體力學(xué)是機(jī)械與動力類各專業(yè)的技術(shù)基礎(chǔ)課，是基礎(chǔ)課與專業(yè)課之間的橋梁，也是機(jī)械專業(yè)和車輛工程各專業(yè)的必修課。

工程流體力學(xué)課程背景

工程流體力學(xué)是力學(xué)的一個重要分支，已發(fā)展成為一門深入各個科學(xué)領(lǐng)域的重要學(xué)科。21世紀(jì)，隨著航空航天、船舶海運(yùn)、流體機(jī)械、動力工程、水利發(fā)電、化學(xué)工程、氣象預(yù)報以及環(huán)境保護(hù)等行業(yè)的發(fā)展，需要解決許多有關(guān)流體力學(xué)的問題，同時也促進(jìn)了流體力學(xué)的發(fā)展。

工程流體力學(xué)適應(yīng)對象

工程流體力學(xué)課程適用機(jī)械專業(yè)和車輛工程各專業(yè)學(xué)習(xí)。

2018年，工程流體力學(xué)被中華人民共和國教育部認(rèn)定為“國家精品在線開放課程”。