1.1.1 绪论视频在线视频

同学们 大家好

我是东北大学的李宝宽

我现在和大家

一起来学习

工程流体力学这门课

自然界中的流体流动现象

和我们的生活密切相关

比如我们人类的呼吸

就是流体流动的一个例子

另外我们自然界中的台风

大家很常见

它就是一个典型的强烈的

流动现象

还有河水中的流动

更是流体流动的现象

另外我们人类呢

也利用流体流动

产生的动力

来制造出飞机和轮船这些

也为我们人类的生活服务

除了我们人类之外

自然界的动物

也利用运动的流体产生的动力

来维持它们的生存

比如说猎鹰

在空气中

利用它的翅膀

来产生的动力

可以把一个山羊叼起来

作为它的食物

海中的鱼

可以利用流体的动力

产生的强大的冲击力

捕捉水面上的鸟类

来作为它的食物

对于我们人类居住的地球

如果我们以适当的角度来观看

那么地球表面

有海洋 有空气

还有云

这些都包含了巨量的

运动的流体

我们再观察我们赖以生存的太阳

太阳表面是由六七千度高的

液态氢和液态氧

发生的核聚变反应形成的

而在发生核聚变反应的时候

在太阳表面

其实也形成了强烈的流动过程

流体力学

是力学的一个分支

研究流体的宏观平衡的

是流体静力学

我们在中学物理上就学过了

流体静力学

比如说阿基米德定律

就是如此

而研究流体运动的

就是流体动力学

那么也是我们现在所要学习的

这个流体力学的一个部分

流体动力学呢

就非常复杂了

那么描述流体的动力学呢

需要很复杂的数学知识

和物理概念

所以涉及到一些高等数学知识

物理学知识

和理论力学的知识

关于流体（力学）的一些具体应用呢

我们可以从日常生活上来看到

比如说世界杯

一些优秀的球星

他能踢出一些香蕉球

起到出其不意的作用

来击败对手

那么香蕉球的运动原理呢

就是我们流体力学

所研究的基本原理

也就是马格努斯效应

马格努斯效应呢

基本原理就是说

把球踢出去

再就是把它以旋转形式踢出去

使得球在向前运动的时候

一边旋转一边运动

这样形成一侧气流在加速

另一侧气流在减速

形成压力差

使得足球产生一个侧向力

这个力也就是马格努斯力

有这个侧向力呢

使得运动的足球

能够出现拐弯

我们的祖先

从海洋中生活了40亿年

在空气中

也生活了七百万年

漫长的人类进化发展史中

我们始终离不开水

离不开空气

这样的流体

关于我们流体力学的

有几个问题

需要大家思考一下

那么第一个问题就是高尔夫球

想把高尔夫球打得远

那么对于高尔夫球表面

是要求它光滑还是粗糙

这是一个问题

第二个问题呢

我们的汽车

汽车阻力是我们能不能节油的

一个关键

那么这个汽车的阻力

是产生（于）汽车的前部还是后部

另一个问题就是飞机

飞机大家知道

靠机翼的升力

能够在空中飞行

那么空气的升力是机翼下方

还是机翼上方得到的

那么我们首先来看高尔夫球

高尔夫球呢

大家知道是一项比较具有

贵族意义的运动

这个高尔夫球

由苏格兰产生

过去呢

一个优秀的高尔夫球手

打一个个非常表面光滑的

高尔夫球的时候

最远能够打40米

后来呢

在高尔夫球长期被击打之后

表面有了波纹

或者是沟痕

这种情况下呢

发现这个球

能够越打越远

这样越优秀的高尔夫球手

能够把这个表面粗糙的高尔夫球

从40米能够打到200米那么远

所以距离能扩大5倍

那么从流体力学原理可以解释

就是它表面沟痕的产生

使得表面具有一些小窝

这些小窝呢

能够影响它的表面流动

使得阻力能够减少

使得球飞得更远

再一个问题就是汽车阻力

汽车发明的时候

当初认为阻力主要来自汽车前部

对空气的撞击

因此早期的汽车

后部是陡峭的

因为后边没什么作用

所以都采用的是箱型车

阻力系数很大

以现在的测法能达到0.8

但是实际后来发现

汽车的阻力主要在后部

尾部形成

尾部形成这个阻力

现在命名为形状阻力

在后期我们的研究中

不断地改进汽车的形状

使得它的阻力系数减小

而这个汽车的形状呢

除了在前方撞击空气这个形状

让它变成流线形之外

在后部

汽车的尾部

形状也不断地改进

使得形状阻力减少

现在呢

我们的汽车

现在的阻力系数

已经经过人类的努力

已经能够降到

这个0.137

已经相对于最初的0.8

已经大幅度降低了

这样的话

由于有人类认识了汽车的

阻力产生的来源

使得这个汽车越来越省油

动力也越来越大

而对于飞机呢

我们知道

飞机能够在空中飞行

全靠的是机翼

而机翼的上下表面

压力不一样

上表面和下表面的压力

由于机翼形状的作用

使得上下表面的气流速度分布

有重大的差别

机翼的特殊形状呢

使得它不用旋转

就能产生环流

上部流速加快

形成吸力

下部流速减慢

形成压力

经过实验和测量

我们发现现在设计出来的

比较优异的机翼的翼型

它的上表面产生的吸力

和下表面的压力

都能够详细地计算和测量出来

这样我们发现

上表面的吸力的影响

对这个升力的贡献

远远大于下表面的压力

随着人类漫长的发展历史

流体力学也不断地发展水平的

变化

在我们远古时代

我们从历史传说上

有大禹治水

还有古罗马的城市供水系统

都是利用流体力学原理的

一个建设

再次呢

把流体力学的利用

形成理论

还是十八世纪以后

有一些

一批杰出的科学家

由欧拉 伯努利

达朗贝尔

拉格朗日和拉普拉斯

以及哈根 泊肃叶

谢才等这些人

做出了很大的贡献

而到十九世纪

利用实验开展流体力学研究的有

弗劳德 瑞利 还有雷诺

特别是雷诺

他区分了层流和湍流

利用雷诺实验

而法国科学家和英国科学家

纳维、斯托克斯

推导出来的纳维-斯托克斯方程

是建立流体力学理论的一个基础

而现代流体力学的发展

则是1903年莱特兄弟

发明飞机之后

以普朗特边界层理论为标志

产生的

现代流体力学的贡献呢

有很多人

包括我们国家的周培源

钱学森

还有他们的老师冯卡门泰勒

英国帝国理工的斯伯尔丁等等

流体力学的发展呢

除了自身的发展之外

流体力学的一些理论

对其他科学

也有重大的作用

比如说边界层理论

导致了现代应用数学中的

渐进匹配法的形成

而且呢

罗素提出来的孤立波理论

也为光纤通讯奠定了基础

另外洛伦兹

通过求解大气对流方程

还发现了混沌理论

解释了很多社会和生命现象

奠定了现代非线性科学的基础

而在工程领域的

2/3的工程问题

都涉及流体流动现象

所以呢

一个国家

他的流体力学的研究水平

就体现了这个国家的综合实力

流体力学应用非常广泛

大家知道

除了水利 航空 海洋等等

其他的一些工业

比如说环境 建筑 医学等等

各领域

都涉及流体力学问题

既然流体力学这么重要

那么研究流体力学

都怎么来研究

研究流体力学的方法

基本有三种

第一种是理论分析法

理论分析法

当然就是建立模型

推导方程

然后求解方程

解释结果

在这里我们流体力学的

描述的方程

比如说纳维-斯托克斯方程

它是强非线性

也就是非常的复杂

所以

基本上很难解出它的解

只有在很多特定的

假定条件下

才得出极少数的解

所以说这种方法

它的应用很有限

另一种方法就是实验方法

实验方法有原形实验和模型实验

原形实验往往危险的情况

高温情况测量呢很难测量

即使可测

数据也非常有限

而模型实验

需要基于相似原理

进行建立模型

来进行实验

但是

这种相似性

大家也只能保证局部相似

很难做到全局相似

所以

这个实验方法

得到的结论

也是很有限的

也得不到那种普遍适用的结果

随着现在计算机的发展

和计算数学的发展

那么数值模拟的方法呢

现在越来越广泛的进行

数值模拟的方法

是根据数学模型

来求解这些离散化的方程

我们通过计算机编程

得出一些结果

这些方法

我们可以对一些极端的情况

还有对一些危险的情况

对一些很庞大的工程实例

都可以做一些计算

计算流体力学的方法

随着一些基理问题的解决

它适用性越来越广

现在应用越来越广泛

当然现在

仍然还受一些计算机性能的限制

但是它的发展前景

是非常广泛的

在我们研究流体力学中

我们要涉及几个基本的单位制

这个我们要在这里提一下

主要是涉及几个基本变量

基本单位

主要质量 长度和时间单位

还有一个温度单位

我们经常用的力 压强和密度

粘度 能量等等

都是导出单位

但是我们只要这里记住四项

基本单位就可以了

一个质量 长度 时间和温度

我们归纳一下

我们讲的问题

流体力学

是研究流体宏观运动规律的

科学

我们主要研究流体的运动规律

流体与流体

流体与固定相互作用力

以及流动过程中的动量

能量和质量的传输规律等等

这次课我们就讲到这

谢谢大家