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1、流体力学与流体机械流体力学与流体机械中国矿业大学中国矿业大学电力学院动力系电力学院动力系主讲：杨春敏主讲：杨春敏 讲师讲师Email:ychm_Tel:13813451531流体力学与流体机械流体力学与流体机械第一部分流体力学第一部分流体力学第一章流体及其物理性质第一章流体及其物理性质第二章流体静力学第二章流体静力学第三章流体运动学第三章流体运动学第四章流体动力学基础第四章流体动力学基础第五章粘性流体流动及阻力第五章粘性流体流动及阻力第六章能量损失及管路计算第六章能量损失及管路计算第七章相似原理和量纲分析第七章相似原理和量纲分析第八章气体动力学基础第八章气体动力学基础主要参考书主要参考书1.陈

2、卓如编工程流体力学高陈卓如编工程流体力学高教版教版2.郭楚文编工程流体力学中郭楚文编工程流体力学中矿版矿版3.孔珑编工程流体力学水孔珑编工程流体力学水电版电版4.毛根海编工程流体力学网络毛根海编工程流体力学网络课堂课堂流体力学与流体机械流体力学与流体机械第二部分流体机械第二部分流体机械第一章泵与风机的分类及工作原理第一章泵与风机的分类及工作原理第二章泵与风机的工作理论第二章泵与风机的工作理论第三章泵与风机的构造第三章泵与风机的构造第五章给排水系统第五章给排水系统第六章通风系统第六章通风系统第七章空气压缩设备第七章空气压缩设备主要参考书主要参考书1.白铭声编流体机械煤白铭声编流体机械煤工版工版2

3、.于修编矿山大型固定于修编矿山大型固定设备技术测试中矿版设备技术测试中矿版3.矿山固定机械手册煤工矿山固定机械手册煤工版版4.郭立君编泵与风机水郭立君编泵与风机水电版电版流体力学流体力学绪论绪论流体力学是以流体流体力学是以流体(包括液体和气体包括液体和气体)为对象，研究其平为对象，研究其平衡和运动基本规律的科学。主要研究流体在平衡和运动时衡和运动基本规律的科学。主要研究流体在平衡和运动时的压力分布、速度分布、与固体之间的相互作用以及流动的压力分布、速度分布、与固体之间的相互作用以及流动过程中的能量损失等。过程中的能量损失等。流体力学是力学的一个重要分支流体力学是力学的一个重要分支,在生活、环保

4、、在生活、环保、科学科学技术技术及工程中具有重要的应用价值。及工程中具有重要的应用价值。流体力学中研究得最多的流体是流体力学中研究得最多的流体是水水和和空气空气。它的主要。它的主要基础是基础是牛顿运动定律牛顿运动定律和和质量守恒定律质量守恒定律，常常还要用到，常常还要用到热力热力学学知识，有时还用到宏观知识，有时还用到宏观电动力学电动力学的基本定律、本构方程的基本定律、本构方程和和高等数学高等数学、物理学物理学、化学化学的基础知识。的基础知识。一、流体力学的研究对象一、流体力学的研究对象 除水和空气以外，流体还指作为汽轮机工作除水和空气以外，流体还指作为汽轮机工作介质介质的的水水蒸气蒸气、润滑

5、油润滑油、地下石油、含泥沙的江水、血液、超、地下石油、含泥沙的江水、血液、超高压高压作用下的金属和作用下的金属和燃烧燃烧后产生成分复杂的后产生成分复杂的气体气体、高温条件下、高温条件下的的等离子等离子体等等。体等等。气象气象、水利水利的研究，的研究，船舶船舶、飞行器、飞行器、叶轮机械叶轮机械和核电和核电站的设计及其运行，可燃气体或站的设计及其运行，可燃气体或炸药炸药的的爆炸爆炸，以及天体物，以及天体物理的若干问题等等，都广泛地用到流体力学知识。许多现理的若干问题等等，都广泛地用到流体力学知识。许多现代代科学技术科学技术所关心的问题既受流体力学的指导，同时也促所关心的问题既受流体力学的指导，同时

6、也促进了它不断地发展。进了它不断地发展。1950年后，年后，电子电子计算机的发展又给予计算机的发展又给予流体力学以极大的推动。流体力学以极大的推动。流体力学流体力学绪论绪论一、流体力学的研究对象一、流体力学的研究对象现场观测现场观测：对固有流动现象进行观测，得出规律：对固有流动现象进行观测，得出规律实验研究方法实验研究方法:根据实际问题利用相似理论建立实验模型、根据实际问题利用相似理论建立实验模型、选择流动介质。选择流动介质。设备包括风洞、水槽、水洞、激波管、测试管系等设备包括风洞、水槽、水洞、激波管、测试管系等理论分析理论分析:根据实际问题建立理论模型根据实际问题建立理论模型 涉及微分体积法

7、涉及微分体积法 速度势法速度势法 保角变换法保角变换法 数值计算方法数值计算方法 ：根据理论分析的方法建立数学模型，选择：根据理论分析的方法建立数学模型，选择合适的计算方法，包括有限差分法、有限元法、特征线法、合适的计算方法，包括有限差分法、有限元法、特征线法、边界元法等，利用商业软件和自编程序计算，得出结果，边界元法等，利用商业软件和自编程序计算，得出结果，用实验方法加以验证。用实验方法加以验证。流体力学流体力学绪论绪论二、研究方法二、研究方法:几种研究方法要相辅相成几种研究方法要相辅相成 三、流体力学的发展简史三、流体力学的发展简史1、流体力学在中国、流体力学在中国大禹治水大禹治水 400

8、04000多年前的大禹治水，说明我国古代已有大规模的治多年前的大禹治水，说明我国古代已有大规模的治河工程。河工程。(公元前公元前256210256210年年)秦代，在公元前秦代，在公元前256-256-前前210210年间便修建了年间便修建了都江堰都江堰、郑国渠、郑国渠、灵渠三大水利工程，说明当时对明槽水流和堰流流动规律的灵渠三大水利工程，说明当时对明槽水流和堰流流动规律的认识已经达到相当水平。认识已经达到相当水平。龙首渠龙首渠（公元前（公元前156-156-前前8787）西汉武帝时期，为引洛水灌溉农田，在黄土高原上修建了西汉武帝时期，为引洛水灌溉农田，在黄土高原上修建了龙首渠，创造性地采用了

9、井渠法，即用竖井沟通长十余里的龙首渠，创造性地采用了井渠法，即用竖井沟通长十余里的穿山隧洞，有效地防止了黄土的塌方。穿山隧洞，有效地防止了黄土的塌方。流体力学流体力学绪论绪论水利风力机械 在古代，以水为动力的简单机械也有了长足的发展，例如用水轮提水，或通过简单的机械传动去碾米、磨面等。东汉杜诗任南阳太守时（公元37年）曾创造水排水排（水力鼓风机），利用水力，通过传动机械，使皮制鼓风囊连续开合，将空气送入冶金炉，较西欧约早了一千一百年。三、流体力学的发展简史三、流体力学的发展简史1、流体力学在中国、流体力学在中国流体力学流体力学绪论绪论真州船闸真州船闸 北宋（北宋（960-1126960-112

10、6）时期，在运河上修建的真州船闸与十四）时期，在运河上修建的真州船闸与十四世纪末荷兰的同类船闸相比，约早三百多年。世纪末荷兰的同类船闸相比，约早三百多年。潘季顺潘季顺明朝的水利家潘季顺（明朝的水利家潘季顺（1521-15951521-1595）提出了）提出了“筑堤防溢，建筑堤防溢，建坝减水，以堤束水，以水攻沙坝减水，以堤束水，以水攻沙”和和“借清刷黄借清刷黄”的的治黄原则，并著有并著有两河管见两河管见、两河经略两河经略和和河防一揽河防一揽。流 量清朝雍正年间，何梦瑶在清朝雍正年间，何梦瑶在算迪算迪一书中提出一书中提出流量等于过等于过水断面面积乘以断面平均流速的计算方法。水断面面积乘以断面平均流

11、速的计算方法。三、流体力学的发展简史三、流体力学的发展简史1、流体力学在中国、流体力学在中国流体力学流体力学绪论绪论钱学森钱学森 钱学森（钱学森（1911191120092009）浙江省杭州市人，）浙江省杭州市人，他在火箭、导弹、航天器的总体、动力、他在火箭、导弹、航天器的总体、动力、制导、气动力、结构、材料、计算机、质制导、气动力、结构、材料、计算机、质量控制和科技管理等领域的丰富知识，为量控制和科技管理等领域的丰富知识，为中国火箭导弹和航天事业的创建与发展作中国火箭导弹和航天事业的创建与发展作出了杰出的贡献。出了杰出的贡献。19571957年获中国科学院年获中国科学院自然科学一等奖，自然科

12、学一等奖，19791979年获美国加州理年获美国加州理工学院杰出校友奖，工学院杰出校友奖，19851985年获国家科技年获国家科技进步奖特等奖。进步奖特等奖。19891989年获小罗克维尔奖年获小罗克维尔奖章和世界级科学与工程名人称号，章和世界级科学与工程名人称号，19911991年被国务院、中央军年被国务院、中央军委授予委授予“国家杰出贡献科学家国家杰出贡献科学家”荣誉称号和一级英模奖章。荣誉称号和一级英模奖章。三、流体力学的发展简史三、流体力学的发展简史1、流体力学在中国、流体力学在中国流体力学流体力学绪论绪论周培源周培源（190219021993)1993)。19021902年年8 8月

13、月2828日出生，江苏宜兴人。理论日出生，江苏宜兴人。理论学家、流体力学家学家、流体力学家,主要从事物理学的基础理主要从事物理学的基础理论中难度最大的两个方面即爱因斯坦广义相对论中难度最大的两个方面即爱因斯坦广义相对论引力论和流体力学中的湍流理论的研究与教论引力论和流体力学中的湍流理论的研究与教学并取得出色成果。学并取得出色成果。吴仲华吴仲华（Wu Zhonghua）在1952年发表的在轴流式、径流式和混流式亚声速和超声速叶轮机械中的三元流普遍理论和在1975年发表的使用非正交曲线坐标的叶轮机械三元流动的基本方程及其解法两篇论文中所建立的叶轮机械三元流理论，至今仍是国内外许多优良叶轮机械设计计

14、算的主要依据。三、流体力学的发展简史三、流体力学的发展简史1、流体力学在中国、流体力学在中国流体力学流体力学绪论绪论阿基米德阿基米德（Archimedes，公元前，公元前287212）西方诸国历史上有记载的最西方诸国历史上有记载的最早从事流体力学现象研究的是古早从事流体力学现象研究的是古希腊学者希腊学者阿基米德阿基米德在公元前在公元前250年发表学术论文年发表学术论文论浮体论浮体，第，第一个阐明了相对密度的概念，发一个阐明了相对密度的概念，发现了物体在流体中所受浮力的基现了物体在流体中所受浮力的基本原理本原理阿基米德原理。阿基米德原理。三、流体力学的发展简史三、流体力学的发展简史2、流体力学在

15、西方、流体力学在西方流体力学流体力学绪论绪论列列奥纳德.达.芬奇（Leonardo.da.Vinci,14521519）著名物理学家和艺术家著名物理学家和艺术家 设计建造了一小型水设计建造了一小型水渠，系统地研究了物体的沉浮、孔口出流、物渠，系统地研究了物体的沉浮、孔口出流、物体的运动阻力以及管道、明渠中水流等问题。体的运动阻力以及管道、明渠中水流等问题。帕斯卡（B.Pascal,1623-1662）提出了密闭流体能传递压强的原理提出了密闭流体能传递压强的原理-帕斯卡帕斯卡原理。原理。三、流体力学的发展简史三、流体力学的发展简史2、流体力学在西方、流体力学在西方流体力学流体力学绪论绪论牛 顿

16、是英国伟大的数学家、物理学家、天文学是英国伟大的数学家、物理学家、天文学家和自然哲学家。家和自然哲学家。1642年年12月月25日生于英格日生于英格兰林肯郡格兰瑟姆附近的沃尔索普村，兰林肯郡格兰瑟姆附近的沃尔索普村，1727年年3月月20日在伦敦病逝。牛顿在科学上最日在伦敦病逝。牛顿在科学上最卓越的贡献是微积分和经典力学的创建。卓越的贡献是微积分和经典力学的创建。牛顿的成就，恩格斯中概括得最为完整：牛牛顿的成就，恩格斯中概括得最为完整：牛顿由于发明了万有引力定律而创立了科学的天文学，由于进行顿由于发明了万有引力定律而创立了科学的天文学，由于进行了光的分解而创立了科学的光学，由于创立了二项式定理

17、和无了光的分解而创立了科学的光学，由于创立了二项式定理和无限理论而创立了科学的数学，由于认识了力的本性而创立了科限理论而创立了科学的数学，由于认识了力的本性而创立了科学的力学学的力学。三、流体力学的发展简史三、流体力学的发展简史2、流体力学在西方、流体力学在西方流体力学流体力学绪论绪论伯努利（D.Bernoulli，17001782）瑞士科学家瑞士科学家 在在1738年出版的名著年出版的名著流体流体动力学动力学中，建立了流体位势能、中，建立了流体位势能、压强势能和动能之间的能量转换压强势能和动能之间的能量转换关系关系伯努利方程。在此历史阶伯努利方程。在此历史阶段，诸学者的工作奠定了流体静段，诸

18、学者的工作奠定了流体静力学的基础，促进了流体动力学力学的基础，促进了流体动力学的发展。的发展。三、流体力学的发展简史三、流体力学的发展简史2、流体力学在西方、流体力学在西方流体力学流体力学绪论绪论欧 拉（L.Euler，17071783）是经典流体力学的奠基人，是经典流体力学的奠基人，1755年年发表发表流体运动的一般原理流体运动的一般原理，提出了，提出了流体的连续介质模型，建立了连续性微流体的连续介质模型，建立了连续性微分方程和理想流体的运动微分方程，给分方程和理想流体的运动微分方程，给出了不可压缩理想流体运动的一般解析出了不可压缩理想流体运动的一般解析方法。他提出了研究流体运动的两种不方法

19、。他提出了研究流体运动的两种不同方法及速度势的概念，并论证了速度同方法及速度势的概念，并论证了速度势应当满足的运动条件和方程。势应当满足的运动条件和方程。三、流体力学的发展简史三、流体力学的发展简史2、流体力学在西方、流体力学在西方流体力学流体力学绪论绪论达朗伯（J.le R.dAlembert,17171783）1744年提出了达朗伯疑题（又称达朗伯佯谬），即在理想年提出了达朗伯疑题（又称达朗伯佯谬），即在理想流体中运动的物体既没有升力也没有阻力。从反面说明了理想流体中运动的物体既没有升力也没有阻力。从反面说明了理想流体假定的局限性。流体假定的局限性。拉格朗日（J.-L.Lagrange,1

20、7361813）提出了新的流体动力学微分方程，提出了新的流体动力学微分方程，使流体动力学的解析方法有了进一步发使流体动力学的解析方法有了进一步发展。严格地论证了速度势的存在，并提展。严格地论证了速度势的存在，并提出了流函数的概念，为应用复变函数去出了流函数的概念，为应用复变函数去解析流体定常的和非定常的平面无旋运解析流体定常的和非定常的平面无旋运动开辟了道路。动开辟了道路。三、流体力学的发展简史三、流体力学的发展简史2、流体力学在西方、流体力学在西方流体力学流体力学绪论绪论弗劳德（W.Froude，1810-1879）对船舶阻力和摇摆的研究）对船舶阻力和摇摆的研究颇有贡献，他提出了船模试验的相

21、似准则数颇有贡献，他提出了船模试验的相似准则数-弗劳德数，建立弗劳德数，建立了现代船模试验技术的基础。了现代船模试验技术的基础。亥姆霍兹（H.von Helmholtz,1821-1894）和基尔霍夫）和基尔霍夫（G.R.Kirchhoff,1824-1887）对旋涡运动和分离流动进行了大）对旋涡运动和分离流动进行了大量的理论分析和实验研究，提出了表征旋涡基本性质的旋涡量的理论分析和实验研究，提出了表征旋涡基本性质的旋涡定理、带射流的物体绕流阻力等学术成就。定理、带射流的物体绕流阻力等学术成就。三、流体力学的发展简史三、流体力学的发展简史2、流体力学在西方、流体力学在西方流体力学流体力学绪论绪

22、论纳维纳维（C.-L.-M.-H.Navier）首先提出了不可压缩粘性流体的）首先提出了不可压缩粘性流体的运动微分方程组。运动微分方程组。斯托克斯斯托克斯（G.G.Stokes）严格地导出了这些）严格地导出了这些方程，并把流体质点的运动分解为平动、转动、均匀膨胀或方程，并把流体质点的运动分解为平动、转动、均匀膨胀或压缩及由剪切所引起的变形运动。后来引用时，便统称该方压缩及由剪切所引起的变形运动。后来引用时，便统称该方程为纳维程为纳维-斯托克斯方程。斯托克斯方程。纳维（L.Navier，17851836，法国）斯托克斯（G.Stokes，18191903，英国）三、流体力学的发展简史三、流体力学

23、的发展简史2、流体力学在西方、流体力学在西方流体力学流体力学绪论绪论谢 才（A.de Chzy法国法国）在）在1755年便总结年便总结出明渠均匀流公式出明渠均匀流公式-谢才公式，一直沿用至谢才公式，一直沿用至今。今。雷 诺（O.Reynolds，1842-1912）1883年用年用实验证实了粘性流体的两种流动状态实验证实了粘性流体的两种流动状态层层流和紊流的客观存在，找到了实验研究粘性流和紊流的客观存在，找到了实验研究粘性流体流动规律的相似准则数流体流动规律的相似准则数雷诺数，以雷诺数，以及判别层流和紊流的临界雷诺数，为流动阻及判别层流和紊流的临界雷诺数，为流动阻力的研究奠定了基础。力的研究奠

24、定了基础。三、流体力学的发展简史三、流体力学的发展简史2、流体力学在西方、流体力学在西方流体力学流体力学绪论绪论瑞 利（L.J.W.Reyleigh，1842-1919英国）在相似原理的基础英国）在相似原理的基础上，提出了实验研究的量纲分析法中的一种方法上，提出了实验研究的量纲分析法中的一种方法-瑞利法。瑞利法。库 塔（M.W.KuttaM.W.Kutta，1867186719441944）19021902年就曾提出过绕流物年就曾提出过绕流物体上的升力理论，但没有在通行的刊物上发表。体上的升力理论，但没有在通行的刊物上发表。儒科夫斯基（.,1847.,184719211921）从）从19061

25、906年起，发表了年起，发表了论依附涡流论依附涡流等论文，找到了翼型升力和绕翼等论文，找到了翼型升力和绕翼型的环流之间的关系，建立了二维升力理论的数学基础。他还型的环流之间的关系，建立了二维升力理论的数学基础。他还研究过螺旋桨的涡流理论以及低速翼型和螺旋桨桨叶剖面等。研究过螺旋桨的涡流理论以及低速翼型和螺旋桨桨叶剖面等。他的研究成果，对空气动力学的理论和实验研究都有重要贡献，他的研究成果，对空气动力学的理论和实验研究都有重要贡献，为近代高效能飞机设计奠定了基础。为近代高效能飞机设计奠定了基础。三、流体力学的发展简史三、流体力学的发展简史2、流体力学在西方、流体力学在西方流体力学流体力学绪论绪论

26、普朗特（L.Prandtl，18751953）建立了边界层理论，解释了阻力产生的机制。建立了边界层理论，解释了阻力产生的机制。以后又针对航空技术和其他工程技术中出现的以后又针对航空技术和其他工程技术中出现的紊流边界层，提出混合长度理论。紊流边界层，提出混合长度理论。1918-1919年间，论述了大展弦比的有限翼展机翼理论，年间，论述了大展弦比的有限翼展机翼理论，对现代航空工业的发展作出了重要的贡献。对现代航空工业的发展作出了重要的贡献。卡 门（T.von Krmn，1881-1963）在）在1911-1912年连续发表的论文中，提出了分析带旋涡年连续发表的论文中，提出了分析带旋涡尾流及其所产生

27、的阻力的理论，人们称这种尾尾流及其所产生的阻力的理论，人们称这种尾涡的排列为涡的排列为卡门涡街。在。在1930年年的论文中，提的论文中，提出了计算紊流粗糙管阻力系数的理论公式。嗣出了计算紊流粗糙管阻力系数的理论公式。嗣后，在紊流边界层理论、超声速空气动力学、后，在紊流边界层理论、超声速空气动力学、火箭及喷气技术等方面都有不少贡献火箭及喷气技术等方面都有不少贡献三、流体力学的发展简史三、流体力学的发展简史2、流体力学在西方、流体力学在西方流体力学流体力学绪论绪论布拉休斯布拉休斯（H.Blasius）在）在1913年发表的论文中，提出了计算紊年发表的论文中，提出了计算紊流光滑管阻力系数的经验公式。

28、流光滑管阻力系数的经验公式。伯金汉伯金汉（E.Buckingham）在）在1914年发表的年发表的在物理的相似系统在物理的相似系统中量纲方程应用的说明中量纲方程应用的说明论文中，提出了著名的论文中，提出了著名的定理，进一步定理，进一步完善了量纲分析法。完善了量纲分析法。尼古拉兹尼古拉兹（J.Nikuradze）在）在1933年发表的论文中，公布了他对年发表的论文中，公布了他对砂粒粗糙管内水流阻力系数的实测结果砂粒粗糙管内水流阻力系数的实测结果-尼古拉兹曲线，据此他尼古拉兹曲线，据此他还给紊流光滑管和紊流粗糙管的理论公式选定了应有的系数。还给紊流光滑管和紊流粗糙管的理论公式选定了应有的系数。三、

29、流体力学的发展简史三、流体力学的发展简史2、流体力学在西方、流体力学在西方流体力学流体力学绪论绪论科勒布茹克（C.F.Colebrook）在）在1939年发表的论文中，提出年发表的论文中，提出了把紊流光滑管区和紊流粗糙管区联系在一起的过渡区阻力了把紊流光滑管区和紊流粗糙管区联系在一起的过渡区阻力系数计算公式。系数计算公式。莫迪（L.F.Moody）在）在1944年发表的论文中，给出了他绘制的年发表的论文中，给出了他绘制的实用管道的当量糙粒阻力系数图实用管道的当量糙粒阻力系数图-莫迪图。至此，有压管流的莫迪图。至此，有压管流的水力计算已渐趋成熟。水力计算已渐趋成熟。三、流体力学的发展简史三、流体

30、力学的发展简史2、流体力学在西方、流体力学在西方流体力学流体力学绪论绪论四、流体力学在工程中的应用航空航天航海航空航天航海 船舶运动船舶运动地地效效翼翼艇艇（WIG）浮标浮标 海洋平台海洋平台 潜器潜器 流体力学流体力学绪论绪论能源动力能源动力飞机发动机蒸汽机车四、流体力学在工程中的应用流体力学流体力学绪论绪论建筑与环境杨浦大桥节能型建筑四、流体力学在工程中的应用流体力学流体力学绪论绪论气象科学气象科学气象云图龙卷风四、流体力学在工程中的应用流体力学流体力学绪论绪论环境控制环境控制污水净化设备模型电厂冷却塔四、流体力学在工程中的应用流体力学流体力学绪论绪论生物仿生学生物仿生学信天翁滑翔信天翁滑

31、翔信天翁滑翔信天翁滑翔 应用广泛，已派生出很多新的分支:电磁流体力学、生物流体力学化学流体力学、地球流体力学高温气体动力学、非牛顿流体力学爆炸力学、流变学、计算流体力学等四、流体力学在工程中的应用流体力学流体力学绪论绪论五、单位制五、单位制流体力学流体力学绪论绪论本书所涉及的物理量均采用国际单位制，即SI制。物理量物理量符号符号国际单位名称国际单位名称国际单位符号国际单位符号长度长度l米米m质量质量m千克千克kg时间时间t秒秒s热力学温度热力学温度T开（尔文）开（尔文）K电流强度电流强度I安（培）安（培）A物质的量物质的量n摩（尔）摩（尔）mol发光强度发光强度I坎德拉坎德拉cd本课程主要涉及前四个物理量。本课程主要涉及前四个物理量。