流體力學(xué)百度文庫(求一全套流體力學(xué)學(xué)習(xí)資料)
1.求一全套“流體力學(xué)”學(xué)習(xí)資料
第1章 緒 論本章首先引入流體的連續(xù)性假設(shè)，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(jù)組成物質(zhì)的分子間距離和相互作用力強(qiáng)弱的不同，將物質(zhì)劃分為固體、液體和氣體，而根據(jù)物質(zhì)的受力和運(yùn)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(nèi)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(fù)到原來的形狀；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(nèi)流體將產(chǎn)生連續(xù)不斷的變形。這種變形就是我們所說的流動(dòng)。
因此，也稱能流動(dòng)的物質(zhì)為流體。水、空氣、酒精、滑油等是常見的流體。
流體力學(xué)是力學(xué)的一個(gè)分支，屬于宏觀力學(xué)。它的主要任務(wù)是研究流體所遵循的宏觀運(yùn)動(dòng)規(guī)律以及流體和周圍物體之間的相互作用。
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(xiàn)為固體，而經(jīng)長時(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，我們把這類物體統(tǒng)稱為粘彈性流體。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；氣體既沒有一定的形狀，也沒有一定的體積，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題。以液體為主要研究對象的力學(xué)稱為水動(dòng)力學(xué)（Hydrodynamics），以空氣為主要研究對象的力學(xué)稱為水動(dòng)力學(xué)（Aerodynamics），兩者結(jié)合起來統(tǒng)稱為流體力學(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，需要研究波浪問題而不計(jì)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(xiàn)象；由于氣體的易壓縮性，飛機(jī)、導(dǎo)彈等在空中高速航行時(shí)要考慮壓縮性和沖擊波等問題問題。但是，如果研究距水面較遠(yuǎn)的深水問題，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(yùn)動(dòng)規(guī)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似的。流體力學(xué)廣泛應(yīng)用于航空、船舶、水利、交通、石油、能源、建筑、機(jī)械、采礦、冶金、化工等各個(gè)領(lǐng)域。
可以說，目前已很難找到一個(gè)領(lǐng)域與流體力學(xué)沒有或多或少的聯(lián)系。在船舶與海洋工程領(lǐng)域中，船舶與下水運(yùn)載器的外形設(shè)計(jì)、穩(wěn)性、操縱性、快速性、耐波性、抨擊、海洋結(jié)構(gòu)物的設(shè)計(jì)、海浪與海流的描述以及海洋能的開發(fā)和利用等基本問題都向流體力學(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(hù)岸提壩以及內(nèi)河航道的設(shè)計(jì)等都需要流體力學(xué)知識(shí)。在水利工程中，大型水利樞紐、水庫、水力發(fā)電站的設(shè)計(jì)和建造、洪峰預(yù)測、河流泥沙等問題都是與流體力學(xué)緊密聯(lián)系在一起的。
可見流體力學(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)作為一門專業(yè)基礎(chǔ)科學(xué)，在推動(dòng)造船工程技術(shù)的發(fā)展，開發(fā)研制低消耗、高效能艦船的過程中起著非常重要的作用。
流體力學(xué)是一門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Archimedes利用浮力原理解決皇冠摻銀問題的故事。
（2）理想流體力學(xué)（Ideal Fluid Mechanics）：從十七世紀(jì)開始一些卓越的數(shù)學(xué)家從數(shù)學(xué)的角度出發(fā)不計(jì)流體的粘性、壓縮性和表面張力研究流體的運(yùn)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(dǎo)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(yàn)的結(jié)合。十八世紀(jì)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(jì)在理論研究遇到困難的情況下開始主要依賴于實(shí)驗(yàn)，由Reynolds、Froude、Rayleigh等人創(chuàng)立了相似理論，奠定了實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)（Experimental Fluid Mechanics）的基礎(chǔ)。隨著Helmholyz、Thomson等人關(guān)于旋渦運(yùn)動(dòng)的幾個(gè)實(shí)驗(yàn)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(xiàn)的學(xué)者還有儒可夫斯基（Joukowski）、庫塔（Kutta）等人。
自二十世紀(jì)初由Plandtl創(chuàng)立了邊界層理論以及隨著湍流理論的出現(xiàn)流體力學(xué)進(jìn)入了與工程實(shí)際相結(jié)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。在我國著名的力。
2.流體力學(xué)學(xué)什么
總體來說，是學(xué)習(xí)有關(guān)流體在靜止?fàn)顟B(tài)下的靜力學(xué)知識(shí)或有關(guān)運(yùn)動(dòng)下的動(dòng)力學(xué)知識(shí)，以及相關(guān)工程應(yīng)用的知識(shí)。
具體說起來，主要的基本知識(shí)有：1）流體的特性，如粘性、壓縮性等。2）流體靜止時(shí)表現(xiàn)出來的力學(xué)性質(zhì)，如壓差方程、平衡微分方程、壓強(qiáng)的計(jì)算等。
3）流體運(yùn)動(dòng)時(shí)表現(xiàn)出來的運(yùn)動(dòng)與力學(xué)的性質(zhì)，如流線方程、跡線方程，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(yùn)動(dòng)時(shí)對物體的作用力的規(guī)律及其在工程上的應(yīng)用，如靜止流體對平面或曲面或物體作用力的計(jì)算，運(yùn)動(dòng)流體對平面或曲面或物體作用力（或力矩）的計(jì)算，或在飛機(jī)、火車、汽車等工業(yè)上的應(yīng)用。
5）量綱理論，如量綱同一性定律，π定律等。6）其它，如計(jì)算流體力學(xué)等。
3.如何入門計(jì)算流體力學(xué)
計(jì)算流體力學(xué)入門第一章基本原理和方程1.計(jì)算流體力學(xué)的基本原理1.1為什么會(huì)有計(jì)算流體力學(xué)1.2計(jì)算流體力學(xué)是一種科研工具1.3計(jì)算流體力學(xué)是一種設(shè)計(jì)工具1.4計(jì)算流體力學(xué)的沖擊-其它方面的應(yīng)用1.4.1汽車和發(fā)動(dòng)機(jī)方面的應(yīng)用1.4.2工業(yè)制造領(lǐng)域的應(yīng)用1.4.3土木工程中的應(yīng)用1.4.4環(huán)境工程中的應(yīng)用1.4.5海軍體形中的應(yīng)用（如潛艇）在第一部分，作為本書的出發(fā)點(diǎn)，首先介紹計(jì)算流體力學(xué)的一些基本原理和思想，同時(shí)也導(dǎo)出并討論流體力學(xué)的基本控制方程組，這些方程組是計(jì)算流體力學(xué)的物理基礎(chǔ)，在理解和應(yīng)用計(jì)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(shù)學(xué)形式和各項(xiàng)的物理意義，所有這些就是第一部分的注意內(nèi)容。
1.1 為什么有計(jì)算流體力學(xué)時(shí)間：21世紀(jì)早期。地點(diǎn)：世界上任何地方的一個(gè)主要機(jī)場。
事件：一架光滑美麗的飛機(jī)沿著跑道飛奔，起飛，很快就從視野中消失。幾分鐘之內(nèi)，飛機(jī)加速到音速。
仍然在大氣層內(nèi)，飛機(jī)的超音速燃燒式噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)將飛機(jī)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)充滿幻想的夢？這個(gè)夢還沒有實(shí)現(xiàn)，這是一個(gè)星際運(yùn)輸工具的概念，從20世紀(jì)八十年代到九十年代，已經(jīng)有幾個(gè)國家已經(jīng)開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(shè)計(jì)的飛行器的圖紙。美國從八十年代中期開始就進(jìn)行這項(xiàng)精深的研究。
對航空知識(shí)了解的人都知道，象這種飛行器，這樣的推進(jìn)力使飛機(jī)飛的更快更高的設(shè)想總有一天會(huì)實(shí)現(xiàn)。但是，只有當(dāng)CFD發(fā)展到了一定程度，能夠高效準(zhǔn)確可靠的計(jì)算通過飛行器和發(fā)動(dòng)機(jī)周圍的三維流場的時(shí)候，這個(gè)設(shè)想才能實(shí)現(xiàn)，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和高的流場溫度。在21世紀(jì)，也不會(huì)出現(xiàn)這樣的風(fēng)洞，因此，CFD就是設(shè)計(jì)這種飛行器的主要手段。
為了設(shè)計(jì)這種飛行器和其它方面的原因，出現(xiàn)了CFD-本書的主要內(nèi)容。CFD在現(xiàn)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(jì)在英國和法國，奠定了試驗(yàn)流體力學(xué)的基礎(chǔ)，18世紀(jì)和19世紀(jì)，主要也是在在歐洲，逐漸出現(xiàn)了理論流體動(dòng)力學(xué)（參考書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(jié)果，整個(gè)20世紀(jì)，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)和工程問題），一方面是純理論方面，另一方面是純實(shí)驗(yàn)方面。如果是在60年代學(xué)習(xí)流體力學(xué)，你需要在理論和實(shí)驗(yàn)方面進(jìn)行學(xué)。
隨著高速數(shù)字?jǐn)?shù)字計(jì)算機(jī)的到來，以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)的解決物理問題的數(shù)字代數(shù)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)問題中，CFD和純理論以及純實(shí)驗(yàn)研究同等重要。
這并不是靈光一顯，只要人類高級文明存在，CFD就要發(fā)揮作用。因此，現(xiàn)在通過學(xué)習(xí)CFD，你就會(huì)參與一場令人敬畏的，歷史性的革命中，這就是本書的重要性所在。
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(yàn)研究有非常好的協(xié)調(diào)補(bǔ)充作用，但是并不能替代這兩種計(jì)算方法（有時(shí)有建議作用）。
經(jīng)常需要理論和試驗(yàn)方法。流體動(dòng)力學(xué)的發(fā)展依賴于這三種方法的協(xié)調(diào)發(fā)展。
CFD有助于理解和解釋理論和試驗(yàn)的結(jié)果，反過來，CFD的結(jié)果也需要理論計(jì)算來驗(yàn)證。最后需要注意，CFD現(xiàn)在非常普通，CFD是計(jì)算流體力學(xué)的縮寫，在本書中，也將使用這一縮寫。
1.2 計(jì)算流體力學(xué)是一種研究工具在不同馬赫數(shù)和雷諾數(shù)下給定流體條件，CFD的結(jié)果累死于實(shí)驗(yàn)室中風(fēng)洞的結(jié)果。風(fēng)洞一般來說是一種沉重、笨拙的裝置，CFD和此不同，它通常是一個(gè)計(jì)算程序（以軟盤為例），可以隨身攜帶。
更佳的方法是，可以將程序存儲(chǔ)在一個(gè)指定的計(jì)算機(jī)上，在千里之外，在任何一個(gè)終端設(shè)備上就可以使用程序進(jìn)行計(jì)算，也即是說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(jì)算程序?yàn)楣ぞ邅碜鰯?shù)字實(shí)驗(yàn)。
例如，假設(shè)有個(gè)程序可以計(jì)算如圖1.3所示的流過機(jī)翼的粘性、亞音速可壓縮流體的運(yùn)動(dòng)（這個(gè)計(jì)算程序是有Kothari和Anderson所寫-參考書6）。這些計(jì)算程序采用有限差分法來求解粘性流體運(yùn)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(dǎo)出，在參考書6中，Kothari和Anderson采用的是標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)算方法，這些標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算方法貫穿本書的各個(gè)章節(jié)中，也就是說當(dāng)學(xué)習(xí)完本書后，具備了求解流過機(jī)翼表面的可壓縮流體的運(yùn)動(dòng)，這些內(nèi)容在參考書6中都有介紹。現(xiàn)在假設(shè)已經(jīng)有了這樣一個(gè)程序，那么現(xiàn)在就可以做一些有趣的實(shí)驗(yàn)，這些實(shí)驗(yàn)在文字描述上和風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)完全相同，只是用計(jì)算機(jī)所做的實(shí)驗(yàn)是數(shù)字的。
為了更具體的了解數(shù)字實(shí)驗(yàn)的原理，從參考書6中摘錄一個(gè)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行說明。這個(gè)例子是一個(gè)數(shù)字實(shí)驗(yàn)，在一定程度上可以闡明流場的物理作用，而真實(shí)實(shí)驗(yàn)卻不能做到。
例如，圖1.3所示為亞音速可壓縮流體流過Wortmam機(jī)翼的流動(dòng)。問題是：在Re=100,000時(shí)。
4.流體力學(xué)的幾個(gè)基本問題是什么
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)行為的科學(xué)。
可按研究對象的運(yùn)動(dòng)方式分為流體靜力學(xué)和流體動(dòng)力學(xué)，還可按應(yīng)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(jì)算的方式才可以求解。它包含速度， 壓強(qiáng)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(shù)。
通過質(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(shè) 流體力學(xué)有一些基本假設(shè)，基本假設(shè)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(shè)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(nèi)的質(zhì)量速率，需和由曲面離開封閉曲面內(nèi)的質(zhì)量速率相等。（換句話說，曲面內(nèi)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(shè)所有流體滿足以下的假設(shè)： 質(zhì)量守恒 動(dòng)量守恒 連續(xù)體假設(shè) 在流體力學(xué)中常會(huì)假設(shè)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(shè)流體的黏度為零，此時(shí)流體即為非黏性流體。氣體常?？梢暈榉丘ば粤黧w。
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。
