中国石油大学工程流体力学教案
绪论
主要内容：
●流体力学概述
●工程流体力学概述
●本学期学习任务
●几点要求
一、流体力学概述
1、流体力学：研究流体的运动和平衡的规律以及流体和固体之间相互作用的一门科学。
2、流体力学的应用
（1）航空航天领域——空气动力学、稀薄空气动力学
飞机、火箭、人造地球卫星、宇宙探测器、航天飞机等航空器都是在大气层内活动的飞行器。
例：
飞机为什么能飞？——各种飞机都是靠空气动力克服自身重力实现升空的。
飞机在空中飞行，必然有外力作用。在水平飞行中，飞机上主要作用着4种力，它们是升力（Y）、阻力（X）、推力（P）和重力（G）。飞机的受力直接影响飞机的运动状态，它们相互平衡时，飞机便作水平匀速直线飞行。
尽管有各个部件的配合，但是最主要的是飞机有一对采用特殊剖面形状的机翼。翼剖面又称翼型。大家知道，机翼外形都是采用称流线形设计。根据流体的连续性和伯努利定理可知，相对远前方的空气来说，流经上翼面的气流受挤，流速加快，压力减小，甚至形成吸力（负压力）；而流过下翼面的气流流速减慢。于是上下翼面就形成了压力差。这个压力差就是空气动力。按力的分解法则，将其沿飞行方向分解成向上的升力和向后的阻力。阻力由发动机提供的推力克服，升力正好可克服自身的重力，将飞机托向空中。这就是飞机会飞的奥秘。
（2）船舶工业
很显然，船舶工业更是离不开流体力学。船舶、舰艇的外形直接影响到他们的航行速度、稳定性等特性，在设计时必须考虑在流体力学上如何使船体线型达到最佳。
例：
潜艇
现代潜艇按艇体线型的形状可分为三种，即常规型、水滴型和过渡型。常规型适宜于水面航行，但对提高水下航速是不利的。水滴型水下阻力小，有利于提高水下航速，但水滴型潜艇的水面航行性能较差，艇首容易上浪，而且易出现埋首现象。过渡型潜艇是把常规型的直首和水滴型的尖尾相结合的一种潜艇线型，这种潜艇的水面航行性能优于水滴型，而水下航行性能优于常规型潜艇。
船吸现象
1912年秋天，"奥林匹克"号正在大海上航行，在距离这艘当时世界上最大远洋轮的100米处，有一艘比它小得多的铁甲巡洋舰"豪克"号正在向前疾驶，两艘船似乎在比赛，彼此靠得较拢，平行着驶向前方。忽然，正在疾驶中的"豪克"号好像被大船吸引似地，一点也不服从舵手的操纵，竟一头向"奥林匹克"号闯去。最后，"豪克"号的船头撞在"奥林匹克"号的船舷上，撞出个大洞，酿成一件重大海难事故。
根据流体力学的伯努利原理，流体的压强与它的流速有关，流速越大，压强越小；反之亦然。用这个原理来审视这次事故，就不难找出事故的原因了。原来，当两艘船平行着向前航行时，在两艘船中间的水比外侧的水流得快，中间水对两船内侧的压强，也就比外侧对两船外侧的压强要小。于是，在外侧水的压力作用下，两船渐渐靠近，最后相撞。又由于"豪克"号较小，在同样大小压力的作用下，它向两船中间靠拢时速度要快得多，因此，造成了"豪克"号撞击"奥林匹克"号的事故。现在航海上把这种现象称为"船吸现象"。
鉴于这类海难事故不断发生，而且轮船和军舰越造越大，一旦发生撞船事故，它们的危害性也越大，因此，世界海事组织对这种情况下航海规则都作了严格的规定，它们包括两船同向行驶时，彼此必须保持多大的间隔，在通过狭窄地段时，小船与大船彼此应作怎样的规避，等等。
（3）水利工程等关系到国计民生的大工程—理论计算、设计、勘察
例：
三峡工程：五级连续船闸——U形管原理（连通器）
①当轮船从上游驶进船闸的时侯，上游阀门A打开，水通过底下的阀门从上游流进闸
室，根据连通器原理，闸室内水位升高，直至与上游水位相平。
②这时打开上游闸门C，轮船就可以驶入闸室了。
③关上上游闸门C和阀门A，再打开下游阀门B，闸室内的水就通过阀门B流向下游。
④当闸室内的水位降到与下游水位相平的时侯就不再下降了，这时打开下游闸门D，
轮船就可以从闸室驶向下游。
西气东输：
西气东输输气管线西起新疆塔里木轮南油田，经甘肃、宁夏、陕西、山西、河南、安徽、江苏，最后抵达上海。沿途将穿越戈壁沙漠、黄土高原，以及吕梁山、太行山、太岳山，并跨越黄河、长江、淮河等江河，全长4000多公里。预计工程总投资1500亿元，输量最终达到200亿立方米／年。
2000年3月西气东输工程项目正式启动，今年7月4日全线开工建设，2005年将全线贯通投产。
西气东输工程的目标市场是长江三角洲地区的上海市、江苏省、浙江省以及沿线的河南省、安徽省等。
2004年元旦正式对上海供气。
西气东输要解决的关键问题是：管网设计、防腐、安全、环保等，与流体力学紧密相关。
南水北调：
南水北调总体规划推荐东线、中线和西线三条调水线路。通过三条调水线路与长江、黄河、淮河和海河四大江河的联系，构成以“四横三纵”为主体的总体布局。
南水北调需要穿越隧道、黄河、倒吸虹、暗渠、桥等，输水河道、泵站枢纽的设计、工程布置等都要用到流体力学的知识。
（4）石油工业
钻井工程：洗井液、钻头水力学、泵、射流及喷射钻井、钻井浮船及平台设计等。
采油工程：油气渗透，抽油机，注水驱油，振荡解堵，原油集输，油、水、气分离，
清洗炮眼等。
储运工程：管道及泵功率的设计、船舶运输等。
炼油工程：设备流程设计，设备清洗。
（5）医疗：高压水射流手术刀，人工心脏。现在血液在人体内的流动也是研究的一个热点。（6）其它：食品加工，飞机制造，跑道清洗，除尘，水力工程等。
（7）身边典型实例：石大太阳广场喷水池
管路的设计，喷水高度，泵的功率、扬程选择，喷嘴尺寸等都是一系列的流体力学问题。
3、流体力学的发展简况——四个阶段
（1）第一阶段——经验阶段：
十七世纪前，主要是人们在与大自然斗争中的经验总结。例如，我国秦代李冰父子设计建造的四川都江堰工程，隋代大运河，水车，汉代张衡发明的水力浑天仪，古代铜壶滴漏计时等。
（2）第二阶段——理论阶段：
十七世纪～十九世纪一些水力原理论著出现，标志着流体力学的发展进入了理论阶段。
•1643：托里拆利提出孔口泄流定理
•1650：巴斯加提出压强传递定律
•1686：牛顿提出液流内摩擦定理
•1700—1783：D.Bernoulli定理
•1717—1783：d’Alembert达朗贝尔——连续性方程
•1707—1783：Euler理想流体运动方程
•1785—1863：Navier粘性流体运动方程
•1819—1903：Stokes也导出粘性流体运动方程
•1820—1872：兰金（Rankine）发展了源汇理论
•1821—1894：Helmholtz提出速度势，建立了旋涡运动和间断运动理论
•1824—1887：客希霍夫继续研究间断运动及阻力
•1842—1912：O.Reynolds层、紊流
•1847—1921：茹可夫斯基研究机翼获得成功
•1868—1945：兰彻斯特（Lanchester）研究了升力原因的环量概念
