流体力学发展历程在线视频

大家好

我是中国农业大学杨魏老师

我主讲的这门课叫《流体力学》

主要包括3部分内容

一是理想流体动力学

二是粘性流体动力学基础

三是它们在机翼当中的应用

即叶栅理论

在开课之前我们首先来了解一下流体力学的发展历程

流体力学的发展历程完全符合人们对自然和科学的认知规律

即从简单到复杂

从感性到理性

这一思路贯穿于整个流体力学的发展

也是流体力学解决实际问题遵循的思路

流体力学最早以流体静力学的形式出现

可以追溯到公元前200多年

伟大的古希腊哲学家、数学家、物理学家

阿基米德是流体静力学的奠基人

享有力学之父的美称

阿基米德和高斯 牛顿并列为世界三大数学家

阿基米德曾说过

给我一个支点 我就能撬起整个地球

他所证明的浮力原理被认为是流体静力学的基本原理

奠定了流体静力学的基础

在阿基米德之后流体力学陷入了停滞

直到17世纪帕斯卡的出现

帕斯卡是法国数学家、物理学家

他在1653年提出流体能传递压力的定律

即帕斯卡定律

并利用这一原理发明了测量大气压力的测压计

国际单位制中压力的单位帕斯卡即以其命名

到18世纪人们开始研究流体流动起来后所表现的规律

这一阶段有2位代表人物

一是欧拉

一是丹尼尔.伯努利

欧拉是瑞士数学家、自然科学家

他是数学史上最多产的数学家

平均每年写出八百多页的论文

其中《微分学原理》

《积分学原理》等成为数学界中的经典著作

欧拉推导出了理想流体流动满足的欧拉方程

推动了流体力学从静力学发展到动力学

虽然欧拉方程很简洁

但在数学上无法求解

因此不能解决工程实际问题

丹尼尔.伯努利解决了这个问题

他推导出了流体流动的伯努利方程

能够解决工程实际问题

虽然理想流体动力学能够解决一些问题

但由于没有考虑真实流体的粘性

导致出现了很多谬误

比如圆柱绕流圆柱不受力的结果与实际情况相差甚远

人们意识到流体的粘性对流动的重要影响

不能忽略

因此在18~19世纪由纳维提出、斯托克斯完善

推导了粘性流体流动的纳维-斯托克斯方程

就是N-S方程

将流体力学带入粘性流体动力学的发展阶段

N-S方程很完美但在数学上无法求解

因此也不能解决实际问题

德国物理学家

近代力学奠基人之一普朗特建立了边界层理论

他将粘性流体动力学推向实用

这一阶段流体力学有了很多领域的应用

例如儒科夫斯基利用流体力学基本原理建立了机翼理论

奠定了飞机气动设计的基础

20世纪40年代起流体力学逐渐成熟

并开始出现高超声速空气动力学、超音速空气动力学

稀薄空气动力学、电磁流体力学

计算流体力学、多相流等分支

以及在物理-化学、磁流体

生物流变等交叉领域的应用

由于目前N-S方程数学上仍然没有得到解析解

我们仍处在对N-S方程进行简化应用的阶段

从流体力学发展历程可以看出

人们对流体流动的认识从最简单的静止流体开始

到理想流体流动

再到考虑粘性的真实流体流动

经历了从简单到复杂

从理论到实际应用的发展过程

符合人们对自然的认知规律

也可以看出流体力学是一门面向应用的基础课程

我们不仅要掌握流体力学的基本理论和知识

还应该学习流体力学解决实际问题的思路和方法

培养运用流体力学基本理论和知识解决实际问题的能力

下面我们举几个流体力学在生产生活中的例子

例如高尔夫球的表面为什么是凹凸不平的设计

设计成光滑的不好吗

其流体力学的原理是什么

飞机外形为什么设计成特有的形状

这是玩具飞机

它是随意设计的

即使装上发动机它也飞不起来

这是早期的飞机

它能够飞起来但是速度慢

这是最先进的超音速飞机

飞的又快又稳

你看他的外形设计就很有特色

那么它的原理是什么

下次大家坐飞机可以观察一下

飞机的翅膀在起飞阶段的状态变化

为什么在起飞的时候是这样的一种状态

飞机翅膀为什么会出现一条缝隙

还有飞机翅膀的尾端为什么采用这种上翘的设计

有什么好处吗

这些都是基于流体力学原理的设计

我们课程的学习中大家都可以找到答案

课程主要内容包括3个部分

第一部分是理想流体动力学

主要解决的是理想流体平面无旋流动问题

第二部分是粘性流体动力学基础

主要学习N-S方程的推导及应用

第三部分是前面2个部分在机翼和叶栅领域的应用

解决机翼和叶栅的流动问题

让我们一起探索流体力学的奥秘