流體力學(xué)(FluidMechanics)

主要研究在各種力的作用下，流體本身的狀態(tài)，以及流體和固體壁面、流體和流體間、流體與其他運(yùn)動形態(tài)之間的相互作用的力學(xué)分支。

流體力學(xué)是力學(xué)的一個重要分支，它主要研究流體本身的靜止?fàn)顟B(tài)和運(yùn)動狀態(tài)，以及流體和固體界壁間有相對運(yùn)動時的相互作用和流動的規(guī)律。在生活、環(huán)保、科學(xué)技術(shù)及工程中具有重要的應(yīng)用價值。

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)。

除水和空氣以外，流體還指作為汽輪機(jī)工作介質(zhì)的水蒸氣、潤滑油、地下石油、含泥沙的江水、血液、超高壓作用下的金屬和燃燒后產(chǎn)生成分復(fù)雜的氣體、高溫條件下的等離子體等等。

氣象、水利的研究，船舶、飛行器、葉輪機(jī)械和核電站的設(shè)計及其運(yùn)行，可燃?xì)怏w或炸藥的爆炸，以及天體物理的若干問題等等，都廣泛地用到流體力學(xué)知識。許多現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)所關(guān)心的問題既受流體力學(xué)的指導(dǎo)，同時也促進(jìn)了它不斷地發(fā)展。1950年后，電子計算機(jī)的發(fā)展又給予流體力學(xué)以極大的推動。

 流體力學(xué)的發(fā)展簡史

流體力學(xué)是在人類同自然界作斗爭和在生產(chǎn)實踐中逐步發(fā)展起來的。古時中國有大禹治水疏通江河的傳說;秦朝李冰父子帶領(lǐng)勞動人民修建的都江堰，至今還在發(fā)揮著作用;大約與此同時，古羅馬人建成了大規(guī)模的供水管道系統(tǒng)等等。

對流體力學(xué)學(xué)科的形成作出第一個貢獻(xiàn)的是古希臘的阿基米德，他建立了包括物理浮力定律和浮體穩(wěn)定性在內(nèi)的液體平衡理論，奠定了流體靜力學(xué)的基礎(chǔ)。此后千余年間，流體力學(xué)沒有重大發(fā)展。

直到15世紀(jì)，意大利達(dá)·芬奇的著作才談到水波、管流、水力機(jī)械、鳥的飛翔原理等問題;17世紀(jì)，帕斯卡闡明了靜止流體中壓力的概念。但流體力學(xué)尤其是流體動力學(xué)作為一門嚴(yán)密的科學(xué)，卻是隨著經(jīng)典力學(xué)建立了速度、加速度，力、流場等概念，以及質(zhì)量、動量、能量三個守恒定律的奠定之后才逐步形成的。

17世紀(jì)，力學(xué)奠基人牛頓研究了在流體中運(yùn)動的物體所受到的阻力，得到阻力與流體密度、物體迎流截面積以及運(yùn)動速度的平方成正比的關(guān)系。他針對粘性流體運(yùn)動時的內(nèi)摩擦力也提出了牛頓粘性定律。但是，牛頓還沒有建立起流體動力學(xué)的理論基礎(chǔ)，他提出的許多力學(xué)模型和結(jié)論同實際情形還有較大的差別。

之后，法國皮托發(fā)明了測量流速的皮托管;達(dá)朗貝爾對運(yùn)河中船只的阻力進(jìn)行了許多實驗工作，證實了阻力同物體運(yùn)動速度之間的平方關(guān)系;瑞士的歐拉采用了連續(xù)介質(zhì)的概念，把靜力學(xué)中壓力的概念推廣到運(yùn)動流體中，建立了歐拉方程，正確地用微分方程組描述了無粘流體的運(yùn)動;伯努利從經(jīng)典力學(xué)的能量守恒出發(fā)，研究供水管道中水的流動，精心地安排了實驗并加以分析，得到了流體定常運(yùn)動下的流速、壓力、管道高程之間的關(guān)系——伯努利方程。

歐拉方程和伯努利方程的建立，是流體動力學(xué)作為一個分支學(xué)科建立的標(biāo)志，從此開始了用微分方程和實驗測量進(jìn)行流體運(yùn)動定量研究的階段。從18世紀(jì)起，位勢流理論有了很大進(jìn)展，在水波、潮汐、渦旋運(yùn)動、聲學(xué)等方面都闡明了很多規(guī)律。法國拉格朗日對于無旋運(yùn)動，德國赫爾姆霍茲對于渦旋運(yùn)動作了不少研究……。在上述的研究中，流體的粘性并不起重要作用，即所考慮的是無粘流體。這種理論當(dāng)然闡明不了流體中粘性的效應(yīng)。

19世紀(jì)，工程師們?yōu)榱私鉀Q許多工程問題，尤其是要解決帶有粘性影響的問題。于是他們部分地運(yùn)用流體力學(xué)，部分地采用歸納實驗結(jié)果的半經(jīng)驗公式進(jìn)行研究，這就形成了水力學(xué)，至今它仍與流體力學(xué)并行地發(fā)展。1822年，納維建立了粘性流體的基本運(yùn)動方程;1845年，斯托克斯又以更合理的基礎(chǔ)導(dǎo)出了這個方程，并將其所涉及的宏觀力學(xué)基本概念論證得令人信服。這組方程就是沿用至今的納維-斯托克斯方程(簡稱N-S方程)，它是流體動力學(xué)的理論基礎(chǔ)。上面說到的歐拉方程正是N-S方程在粘度為零時的特例。

普朗特學(xué)派從1904年到1921年逐步將N-S方程作了簡化，從推理、數(shù)學(xué)論證和實驗測量等各個角度，建立了邊界層理論，能實際計算簡單情形下，邊界層內(nèi)流動狀態(tài)和流體同固體間的粘性力。同時普朗克又提出了許多新概念，并廣泛地應(yīng)用到飛機(jī)和汽輪機(jī)的設(shè)計中去。這一理論既明確了理想流體的適用范圍，又能計算物體運(yùn)動時遇到的摩擦阻力。使上述兩種情況得到了統(tǒng)一。

20世紀(jì)初，飛機(jī)的出現(xiàn)極大地促進(jìn)了空氣動力學(xué)的發(fā)展。航空事業(yè)的發(fā)展，期望能夠揭示飛行器周圍的壓力分布、飛行器的受力狀況和阻力等問題，這就促進(jìn)了流體力學(xué)在實驗和理論分析方面的發(fā)展。20世紀(jì)初，以儒科夫斯基、恰普雷金、普朗克等為代表的科學(xué)家，開創(chuàng)了以無粘不可壓縮流體位勢流理論為基礎(chǔ)的機(jī)翼理論，闡明了機(jī)翼怎樣會受到舉力，從而空氣能把很重的飛機(jī)托上天空。機(jī)翼理論的正確性，使人們重新認(rèn)識無粘流體的理論，肯定了它指導(dǎo)工程設(shè)計的重大意義。

機(jī)翼理論和邊界層理論的建立和發(fā)展是流體力學(xué)的一次重大進(jìn)展，它使無粘流體理論同粘性流體的邊界層理論很好地結(jié)合起來。隨著汽輪機(jī)的完善和飛機(jī)飛行速度提高到每秒50米以上，又迅速擴(kuò)展了從19世紀(jì)就開始的，對空氣密度變化效應(yīng)的實驗和理論研究，為高速飛行提供了理論指導(dǎo)。20世紀(jì)40年代以后，由于噴氣推進(jìn)和火箭技術(shù)的應(yīng)用，飛行器速度超過聲速，進(jìn)而實現(xiàn)了航天飛行，使氣體高速流動的研究進(jìn)展迅速，形成了氣體動力學(xué)、物理-化學(xué)流體動力學(xué)等分支學(xué)科。

以這些理論為基礎(chǔ)，20世紀(jì)40年代，關(guān)于炸藥或天然氣等介質(zhì)中發(fā)生的爆轟波又形成了新的理論，為研究原子彈、炸藥等起爆后，激波在空氣或水中的傳播，發(fā)展了爆炸波理論。此后，流體力學(xué)又發(fā)展了許多分支，如高超聲速空氣動力學(xué)、超音速空氣動力學(xué)、稀薄空氣動力學(xué)、電磁流體力學(xué)、計算流體力學(xué)、兩相(氣液或氣固)流等等。

這些巨大進(jìn)展是和采用各種數(shù)學(xué)分析方法和建立大型、精密的實驗設(shè)備和儀器等研究手段分不開的。從50年代起，電子計算機(jī)不斷完善，使原來用分析方法難以進(jìn)行研究的課題，可以用數(shù)值計算方法來進(jìn)行，出現(xiàn)了計算流體力學(xué)這一新的分支學(xué)科。與此同時，由于民用和軍用生產(chǎn)的需要，液體動力學(xué)等學(xué)科也有很大進(jìn)展。

20世紀(jì)60年代，根據(jù)結(jié)構(gòu)力學(xué)和固體力學(xué)的需要，出現(xiàn)了計算彈性力學(xué)問題的有限元法。經(jīng)過十多年的發(fā)展，有限元分析這項新的計算方法又開始在流體力學(xué)中應(yīng)用，尤其是在低速流和流體邊界形狀甚為復(fù)雜問題中，優(yōu)越性更加顯著。近年來又開始了用有限元方法研究高速流的問題，也出現(xiàn)了有限元方法和差分方法的互相滲透和融合。

從20世紀(jì)60年代起，流體力學(xué)開始了流體力學(xué)和其他學(xué)科的互相交叉滲透，形成新的交叉學(xué)科或邊緣學(xué)科，如物理-化學(xué)流體動力學(xué)、磁流體力學(xué)等;原來基本上只是定性地描述的問題，逐步得到定量的研究，生物流變學(xué)就是一個例子。

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

·動量守恒

·連續(xù)體假設(shè)

在流體力學(xué)中常會假設(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。有時也會假設(shè)流體的黏度為零，此時流體即為非粘性流體。氣體常常可視為非粘性流體。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。

流體力學(xué)的研究內(nèi)容

流體是氣體和液體的總稱。在人們的生活和生產(chǎn)活動中隨時隨地都可遇到流體，所以流體力學(xué)是與人類日常生活和生產(chǎn)事業(yè)密切相關(guān)的。大氣和水是最常見的兩種流體，大氣包圍著整個地球，地球表面的70%是水面。大氣運(yùn)動、海水運(yùn)動(包括波浪、潮汐、中尺度渦旋、環(huán)流等)乃至地球深處熔漿的流動都是流體力學(xué)的研究內(nèi)容。

20世紀(jì)初，世界上第一架飛機(jī)出現(xiàn)以后，飛機(jī)和其他各種飛行器得到迅速發(fā)展。20世紀(jì)50年代開始的航天飛行，使人類的活動范圍擴(kuò)展到其他星球和銀河系。航空航天事業(yè)的蓬勃發(fā)展是同流體力學(xué)的分支學(xué)科——空氣動力學(xué)和氣體動力學(xué)的發(fā)展緊密相連的。這些學(xué)科是流體力學(xué)中最活躍、最富有成果的領(lǐng)域。

石油和天然氣的開采，地下水的開發(fā)利用，要求人們了解流體在多孔或縫隙介質(zhì)中的運(yùn)動，這是流體力學(xué)分支之一——滲流力學(xué)研究的主要對象。滲流力學(xué)還涉及土壤鹽堿化的防治，化工中的濃縮、分離和多孔過濾，燃燒室的冷卻等技術(shù)問題。

燃燒離不開氣體，這是有化學(xué)反應(yīng)和熱能變化的流體力學(xué)問題，是物理-化學(xué)流體動力學(xué)的內(nèi)容之一。爆炸是猛烈的瞬間能量變化和傳遞過程，涉及氣體動力學(xué)，從而形成了爆炸力學(xué)。

沙漠遷移、河流泥沙運(yùn)動、管道中煤粉輸送、化工中氣體催化劑的運(yùn)動等，都涉及流體中帶有固體顆?；蛞后w中帶有氣泡等問題，這類問題是多相流體力學(xué)研究的范圍。

等離子體是自由電子、帶等量正電荷的離子以及中性粒子的集合體。等離子體在磁場作用下有特殊的運(yùn)動規(guī)律。研究等離子體的運(yùn)動規(guī)律的學(xué)科稱為等離子體動力學(xué)和電磁流體力學(xué)，它們在受控?zé)岷朔磻?yīng)、磁流體發(fā)電、宇宙氣體運(yùn)動等方面有廣泛的應(yīng)用。

風(fēng)對建筑物、橋梁、電纜等的作用使它們承受載荷和激發(fā)振動;廢氣和廢水的排放造成環(huán)境污染;河床沖刷遷移和海岸遭受侵蝕;研究這些流體本身的運(yùn)動及其同人類、動植物間的相互作用的學(xué)科稱為環(huán)境流體力學(xué) (其中包括環(huán)境空氣動力學(xué)、建筑空氣動力學(xué))。這是一門涉及經(jīng)典流體力學(xué)、氣象學(xué)、海洋學(xué)和水力學(xué)、結(jié)構(gòu)動力學(xué)等的新興邊緣學(xué)科。

生物流變學(xué)研究人體或其他動植物中有關(guān)的流體力學(xué)問題，例如血液在血管中的流動，心、肺、腎中的生理流體運(yùn)動和植物中營養(yǎng)液的輸送。此外，還研究鳥類在空中的飛翔，動物在水中的游動，等等。

因此，流體力學(xué)既包含自然科學(xué)的基礎(chǔ)理論，又涉及工程技術(shù)科學(xué)方面的應(yīng)用。此外，如從流體作用力的角度，則可分為流體靜力學(xué)、流體運(yùn)動學(xué)和流體動力學(xué);從對不同“力學(xué)模型”的研究來分，則有理想流體動力學(xué)、粘性流體動力學(xué)、不可壓縮流體動力學(xué)、可壓縮流體動力學(xué)和非牛頓流體力學(xué)等。

流體力學(xué)的研究分支

納維-斯托克斯方程(Navier-Stokes equations)，以克勞德-路易·納維(Claude-Louis Navier)和喬治·蓋伯利爾·斯托克斯命名，是一組描述象液體和空氣這樣的流體物質(zhì)的方程。這些方程建立了流體的粒子動量的改變率(加速度)和作用在液體內(nèi)部的壓力的變化和耗散粘滯力(類似于摩擦力)以及重力之間的關(guān)系。這些粘滯力產(chǎn)生于分子的相互作用，能告訴我們液體有多粘。這樣，納維-斯托克斯方程描述作用于液體任意給定區(qū)域的力的動態(tài)平衡。

他們是最有用的一組方程之一，因為它們描述了大量對學(xué)術(shù)和經(jīng)濟(jì)有用的現(xiàn)象的物理過程。它們可以用于建模天氣，洋流，管道中的水流，星系中恒星的運(yùn)動，翼型周圍的氣流。它們也可以用于飛行器和車輛的設(shè)計，血液循環(huán)的研究，電站的設(shè)計，污染效應(yīng)的分析，等等。

納維-斯托克斯方程依賴微分方程來描述流體的運(yùn)動。這些方程，和代數(shù)方程不同，不尋求建立所研究的變量(譬如速度和壓力)的關(guān)系，而是建立這些量的變化率或通量之間的關(guān)系。用數(shù)學(xué)術(shù)語來講，這些變化率對應(yīng)于變量的導(dǎo)數(shù)。這樣，最簡單情況的0粘滯度的理想流體的納維-斯托克斯方程表明加速度(速度的導(dǎo)數(shù)，或者說變化率)是和內(nèi)部壓力的導(dǎo)數(shù)成正比的。

這表示對于給定的物理問題的納維-斯托克斯方程的解必須用微積分的幫助才能取得。實用上，只有最簡單的情況才能用這種方法解答，而它們的確切答案是已知的。這些情況通常設(shè)計穩(wěn)定態(tài)(流場不隨時間變化)的非湍流，其中流體的粘滯系數(shù)很大或者其速度很小(小的雷諾數(shù))。

對于更復(fù)雜的情形，例如厄爾尼諾這樣的全球性氣象系統(tǒng)或機(jī)翼的升力，納維-斯托克斯方程的解必須借助計算機(jī)。這本身是一個科學(xué)領(lǐng)域，稱為計算流體力學(xué)。

(1)基本假設(shè)

在解釋納維-斯托克斯方程的細(xì)節(jié)之前，首先，必須對流體作幾個假設(shè)。第一個是流體是連續(xù)的。這強(qiáng)調(diào)它不包含形成內(nèi)部的空隙，例如，溶解的氣體的氣泡，而且它不包含霧狀粒子的聚合。另一個必要的假設(shè)是所有涉及到的場，全部是可微的，例如壓強(qiáng)，速度，密度，溫度，等等。

該方程從質(zhì)量，動量，和能量的守恒的基本原理導(dǎo)出。對此，有時必須考慮一個有限的任意體積，稱為控制體積，在其上這些原理很容易應(yīng)用。該有限體積記為Ω，而其表面記為?Ω。該控制體積可以在空間中固定，也可能隨著流體運(yùn)動。這會導(dǎo)致一些特殊的結(jié)果，我們將在下節(jié)看到。

流體力學(xué)的研究方法

進(jìn)行流體力學(xué)的研究可以分為現(xiàn)場觀測、實驗室模擬、理論分析、數(shù)值計算四個方面：

現(xiàn)場觀測是對自然界固有的流動現(xiàn)象或已有工程的全尺寸流動現(xiàn)象，利用各種儀器進(jìn)行系統(tǒng)觀測，從而總結(jié)出流體運(yùn)動的規(guī)律，并借以預(yù)測流動現(xiàn)象的演變。過去對天氣的觀測和預(yù)報，基本上就是這樣進(jìn)行的。

不過現(xiàn)場流動現(xiàn)象的發(fā)生往往不能控制，發(fā)生條件幾乎不可能完全重復(fù)出現(xiàn)，影響到對流動現(xiàn)象和規(guī)律的研究;現(xiàn)場觀測還要花費(fèi)大量物力、財力和人力。因此，人們建立實驗室，使這些現(xiàn)象能在可以控制的條件下出現(xiàn)，以便于觀察和研究。

同物理學(xué)、化學(xué)等學(xué)科一樣，流體力學(xué)離不開實驗，尤其是對新的流體運(yùn)動現(xiàn)象的研究。實驗?zāi)茱@示運(yùn)動特點及其主要趨勢，有助于形成概念，檢驗理論的正確性。二百年來流體力學(xué)發(fā)展史中每一項重大進(jìn)展都離不開實驗。

模型實驗在流體力學(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)，把研究對象的尺度改變(放大或縮小)以便能安排實驗。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驗(成本太高或規(guī)模太大)。這時，根據(jù)模型實驗所得的數(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)。

現(xiàn)場觀測常常是對已有事物、已有工程的觀測，而實驗室模擬卻可以對還沒有出現(xiàn)的事物、沒有發(fā)生的現(xiàn)象(如待設(shè)計的工程、機(jī)械等)進(jìn)行觀察，使之得到改進(jìn)。因此，實驗室模擬是研究流體力學(xué)的重要方法。

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：

首先是建立“力學(xué)模型”，即針對實際流體的力學(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。

其次是針對流體運(yùn)動的特點，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)果同實驗結(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)過了實驗和工程實踐考驗過的流體力學(xué)理論，又檢驗和豐富了數(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。按目前數(shù)學(xué)發(fā)展的水平看，有不少題目將是在今后幾十年以內(nèi)難于從純數(shù)學(xué)角度完善解決的。

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，配合實驗所做的理論研究，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際的偏離，正是流體力學(xué)理論工作和實驗工作的精華。

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，這可以和物理實驗相輔相成。數(shù)值模擬和實驗?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。數(shù)值計算方法最近發(fā)展很快，其重要性與日俱增。

解決流體力學(xué)問題時，現(xiàn)場觀測、實驗室模擬、理論分析和數(shù)值計算幾方面是相輔相成的。實驗需要理論指導(dǎo)，才能從分散的、表面上無聯(lián)系的現(xiàn)象和實驗數(shù)據(jù)中得出規(guī)律性的結(jié)論。反之，理論分析和數(shù)值計算也要依靠現(xiàn)場觀測和實驗室模擬給出物理圖案或數(shù)據(jù)，以建立流動的力學(xué)模型和數(shù)學(xué)模式;最后，還須依靠實驗來檢驗這些模型和模式的完善程度。此外，實際流動往往異常復(fù)雜(例如湍流)，理論分析和數(shù)值計算會遇到巨大的數(shù)學(xué)和計算方面的困難，得不到具體結(jié)果，只能通過現(xiàn)場觀測和實驗室模擬進(jìn)行研究。

流體力學(xué)的展望

從阿基米德到現(xiàn)在的二千多年，特別是從20世紀(jì)以來，流體力學(xué)已發(fā)展成為基礎(chǔ)科學(xué)體系的一部分，同時又在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通運(yùn)輸、天文學(xué)、地學(xué)、生物學(xué)、醫(yī)學(xué)等方面得到廣泛應(yīng)用。

今后，人們一方面將根據(jù)工程技術(shù)方面的需要進(jìn)行流體力學(xué)應(yīng)用性的研究，另一方面將更深入地開展基礎(chǔ)研究以探求流體的復(fù)雜流動規(guī)律和機(jī)理。后一方面主要包括：通過湍流的理論和實驗研究，了解其結(jié)構(gòu)并建立計算模式;多相流動;流體和結(jié)構(gòu)物的相互作用;邊界層流動和分離;生物地學(xué)和環(huán)境流體流動等問題;有關(guān)各種實驗設(shè)備和儀器等。

其它力學(xué)分支學(xué)科

靜力學(xué)、動力學(xué)、流體力學(xué)、分析力學(xué)、運(yùn)動學(xué)、固體力學(xué)、材料力學(xué)、復(fù)合材料力學(xué)、流變學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、彈性力學(xué)、塑性力學(xué)、爆炸力學(xué)、磁流體力學(xué)、空氣動力學(xué)、理性力學(xué)、物理力學(xué)、天體力學(xué)、生物力學(xué)、計算力學(xué)

主要物理學(xué)分支

物理學(xué)概覽、力學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)、聲學(xué)、電磁學(xué)、核物理學(xué)、固體物理學(xué)

圖書信息

書 名: 流體力學(xué)

作　者：朱立明，柯葵

出版社： 同濟(jì)大學(xué)出版社

出版時間： 2009-8-1

ISBN: 9787560839998

開本： 16開

定價: 28.00元

內(nèi)容簡介

本書是根據(jù)高等學(xué)校工科基礎(chǔ)課流體力學(xué)教學(xué)大綱編寫的。全書共分九章，內(nèi)容包括：緒論，流體靜力學(xué)，流體動力學(xué)基礎(chǔ)，流動阻力和水頭損失，孔口、管嘴出流和有壓管路，明渠流動，堰流，因次分析和模型試驗、滲流。各章后附有習(xí)題，內(nèi)容包括復(fù)習(xí)思考題、選擇題和計算題。

本書主要適合于土建類的各專業(yè)流體力學(xué)(水力學(xué))中學(xué)時的教學(xué)用書或參考書，也可作為有關(guān)工程技術(shù)人員、全國注冊結(jié)構(gòu)工程師流體力學(xué)考試的自學(xué)參考書。

圖書目錄

前 言

1 緒論

1.1 流體力學(xué)的任務(wù)和發(fā)展簡史

1.2 連續(xù)介質(zhì)假設(shè)和流體力學(xué)的研究方法

1.3 流體的主要物理性質(zhì)

1.4 作用在液體上的力

1.5 流體力學(xué)中的力學(xué)模型

習(xí)題

2 流體靜力學(xué)

2.1 靜止流體中壓強(qiáng)的特性

2.2 流體靜力學(xué)基本微分方程

2.3 重力作用下靜止流體中的壓強(qiáng)分布規(guī)律

2.4 靜止流體壓強(qiáng)的表示方法

2.5 靜水壓強(qiáng)的量測方法

2.6 作用在平面上的靜水總壓力

2.7 作用在曲面上的靜水總壓力

習(xí)題

3 流體動力學(xué)基礎(chǔ)

3.1 描述流體運(yùn)動的兩種方法

3.2 流體運(yùn)動的基本概念

3.3 恒定總流的連續(xù)性方程

3.4 恒定元流的能量方程

3.5 漸變流過流斷面的壓強(qiáng)分布規(guī)律

3.6 恒定總流的能量方程

3.7 恒定總流能量方程應(yīng)用

3.8 總水頭線和測壓管水頭線

3.9 恒定總流的動量方程

習(xí)題

4 流動阻力和水頭損失

4.1 流動阻力和水頭損失的分類及計算

4.2 雷諾試驗——層流與紊流

4.3 均勻流基本方程

4.4 圓管中的層流運(yùn)動

4.5 紊流運(yùn)動

4.6 沿程阻力系數(shù)的變化規(guī)律

4.7 邊界層及其分離

4.8 局部水頭損失

習(xí)題

5 孔口、管嘴出流和有壓管路

5.1 孔口出流

5.2 管嘴出流

5.3 短管出流

5.4 長管的水力計算

5.5 給水管網(wǎng)水力計算基礎(chǔ)

5.6 有壓管路中的水擊

5.7 離心泵基礎(chǔ)知識

習(xí)題

6 明渠流動

6.1 明渠均勻流的形成條件和水力特征

6.2 明渠均勻流的計算公式

6.3 明渠水力最優(yōu)斷面和允許流速

6.4 明渠均勻流的水力計算

6.5 無壓圓管均勻流的水力計算

6.6 斷面比能和臨界狀態(tài)

6.7 明渠流的流動型態(tài)及其判別準(zhǔn)則

6.8 明渠非均勻急變流

6.9 棱柱體平坡渠道上的完整水躍

6.10 明渠恒定非均勻漸變流的基本微分方程

6.11 棱柱形渠道中恒定非均勻漸變流水面曲線的分析

6.12 渠道底坡變化時水面曲線的連接

6.13 棱柱形渠道中恒定非均勻漸變流水面曲線的計算

習(xí)題

7 堰流

8 因次分析和模型試驗

9 滲流

附錄A 計算題參考答案