高等流体与气体动力学_综合性图书_分类_线装古籍_商城

内容简介

本书分为基础篇、气体动力学和黏流体力学三部分。其中基础括场论、张量、热力学及流体力学的基本概念和原理；气体动力学阐述可压缩流体的一维定常流动、二维定常流动及一维非定常流动中的基本规律；黏流体力学介绍不可压缩黏流体的基本方程与求解以及湍流基础知识。

摘要与插图

流体力学是研究流体宏观运动规律的一门学科，它是人类在与自然界作斗争和生产实践中逐步发展起来的。流体力学是一门既古老而又年轻的学科：一方面它涵盖了很多经典理论，例如理论流体力学建立今已有200多年的历史：另一方面随着科学技步，它本身仍在不断发展完善，例如现代流体力学与其他学科相结合形成了很多新的分支学科或交叉学科。流体力学是一个很有生命力的学科，其发展经历了以下几个主要阶段。

pan style="font-family: 宋体;">公元前250年～17世纪——知识积累期

流体力学基本理论的初萌芽可以追溯到公元前3世纪，大约在公元前250年，古希腊科学家阿基米德在其著作《论浮体》中提出了浮力定律，奠定了流体静力学的基础。此后千余年间，流体力学在系统理论上并未出现重大发展。直到15世纪，达·芬奇（D.Vinci）在其著作中才谈到水波、管流及鸟的飞原理等问题；1644年，托里拆利（E.Torricelli）制成气压计并论证了孔口出流问题的基本规律；1650年，帕斯卡阐述了密闭流体能够传递压强的原理，即帕斯卡原理。

2.pan style="font-family: 宋体;">～19世纪——经典流体力学

pan style="font-family: 宋体;">世纪末期开始，流体力入了创立与发展阶段。作为力学的一个分支，流体力学随着经典力学中质量、动量、能量三个守恒定律的提出，逐渐成为一门独立的学科。

1686年，力学奠基人牛顿提出了黏流体运动时的内摩擦力公式，即牛顿内摩擦定律，为建立黏流体运动方程组奠定了基础。但是牛顿并没有建立起流体力学的系统理论，他提出的许多力学模型和结论同实际情形还有较大差异。1738年，丹尼尔·伯努利（D.Bermoulli）将经典力学中的能量守恒原理引入流体力学，通过实验方法建立了流体定常流动下的压强、高度和速度的关系式，即伯努利方程。1775年，欧拉提出了连续介质模型概念，阐述了描述流体运动的欧拉方法，建立了理想流体的运动微分方程，即欧拉运动微分方程，奠定了连续介质力学基础，成为理论流体力学的奠基人。欧拉方程和伯努利方程的建立是流体力学作为一个分支学科建立的标志，从此流体力入了用微分方程和实验测行流动定量研究的阶段。在18世纪以后，经典流体力学在许多领域得到了不同程度的应用，但由于经典流体力学是建立在不考虑流体黏的基础上的，其原理在很多工程问题中不能应用。

1752年，达朗贝尔（d'Alembert）通对运河中船只所受阻力的实验研究，证实了阻力与物体运动速度之间方关系，他还提出了的“达朗贝尔悖论”，即理想流体中运动的物体既没有升力也没有阻力，这一论点从反面说明了理想流体假设的局限。随着工程技术的快速发展，为了解决诸多工程实际问题，尤其是带有黏影响的流动问题，工程师将流体力学理论与实验结果相结合建立了诸多半经验公式，逐渐形成了水力学学科。1732年，皮托（H.Pitot）发明了测量流体流速的皮托管；1769年，谢才（A.Chezvap）提出了计算明渠流动的流速和流量的谢才公式；1897年，文丘里（R.Venturi）研制了测量有压管道流量的文丘里管。

从pan style="font-family: 宋体;">世纪开始，随着工业的发展，流体力入了发展并日趋完善阶段。在这一时期，出现了一系列经典理论与方程括：1802年，盖·吕萨克（J.L.G.Lussac）建立了气体的状态方程；1822年，傅里叶（J.B.J.Fourier）建立了傅里叶导热定律；1827年，拉普拉斯提出了拉普拉斯方程。

1822年，纳维（C.L.M.H.Navier）建立了黏流体的基本运动微分方程；1845年，斯托克斯（G.G. Stokes）从流体微团运动分解的角度更简洁严谨地导出了这个方程，这组方程是沿用今的纳维-斯托克斯方程，从而奠定了黏流体动力学的理论基础，欧拉方程正是纳维-斯托克斯方程在黏度为零时的特例。1839年，哈根（G. H.L.Hagen）和泊肃叶（J.L.M.Poiseuille）研究圆管内的黏流体流动，给出了哈根-泊肃叶公式；1845年，亥姆霍兹（H.V.Helmholtz）建立了涡旋的基本概念，提出了旋涡运动定理，并于1860年提出将流体微团的运动分解动、旋转和变形三种形式，奠定了涡动力学基础，从而成为无黏有旋流动研究的创始人。185pan>年，斯托克斯研究小球在黏流体中的运动，给出斯托克斯阻力公式；1855年，菲克（A.Fick）提出了菲克扩散定律，为研究流体力学的传质、传热问题奠定了基础；1868年，兰金（W.J.M.Rankin）指出理想不可压缩流体运动的势函数与流函数均满足拉普拉斯方程，并将直均流与源、汇等流行叠加；1878年，兰姆（H.Lamb）出版流体力学经典著作《流体运动的数学理论》，1895年增订再版时改名为《流体动力学》；1878年，瑞利（L.Rayleigh）研究有环量的圆柱绕流问题时发现了升力，从理论上解释了马格努斯效应。

3.pan style="font-family: 宋体;">世纪末期～20世纪中期——现代流体力学

从pan style="font-family: 宋体;">世纪末期开始，随着现代工业和新技术的发展，以纯理论分析为基础的经典流体力学和以实验研究为基础的水力学，都已不能适应展的需求。在这一背景下，理论与实践的结合日趋紧密，流体力学得到了突破展，逐渐形成了理论与实验并重的现代流体力学。

1883年，雷诺（O.Reynolds）完成的雷诺转捩实验，得到了判断流态的判据——雷诺数；1894年他又提出了雷诺应力的概念，应用时均法建立了湍流运动基本方程，即雷均方程，为湍流理论的建立奠定了基础。瑞利提出的量纲分析法和雷诺的相似理论，在程度上解决了流体力学研究中的理论分析与实验相结合的问题。

1904年，普朗特（L.Prandtl）将纳维-斯托克斯方程作了简化，从推理、数学论证和实验测量等各个角度，提出了划时代的边界层理论。这一理论既明确了理想流体的适用范围，又能计算物体运动时遇到的摩擦阻力，为飞机制造和航空业的发展了道路，标志着现代流体力学的建立。

在此阶段，飞机的出现极了空气动力学的发展。为了解决气体流动的可压缩问题，1870年兰金（P.H.Rankine）、1887年于戈尼奥（W.J.M.Hugoniot）各自导出了激波前后气体参数间的关系式；1887年，马赫（E.Mach）发现物体在超声速运动中产生的波，并得到了马赫角关系式；189pan>年，兰彻斯特(F.W.Lanchester)提出速度环量概念，建立了升力理论，并发展了有限翼展理论：1905年，普朗特建成超声速风洞：1910年，卡门（T.V.Karman）

建立卡门涡街理论；192pan style="font-family: 宋体;">年，泰勒（G.I.Taylor）提出湍流统计理论基本概念，随后他又研究了同心圆筒间旋转流动的稳定，发现了泰勒涡；1926年，普朗湍流的混合长度理论；1929年，阿克莱将气体流速与当地声速之比定义为马赫数；1940年，周培源创建湍流模式理论；194pan>年，钱学森和卡门导出机翼理论的卡门-钱学森公式4.20世纪中期今——当代流体力学20世纪40年代以后，由于喷气和火箭技术的应用，飞行器速度超过声速而实现了航天飞行，使气体高速流动的研展迅速，形成了气体动力学、物理-化学流体动力学等分支学科。

从20世纪60年代起，高新技术工业的发展和电子计算的广泛应用，促使流体力学和其他学科的互相交叉渗透，形的交叉学科或边缘学科，如研究两相或三相共存的两相流和多相流，研究流动中有化学反应的化学流体力学，研究磁流体发电的磁流体力学，研究星云运动的天体流体力学，研究生物体内流体传输运动的生物流体力学等。流体力学这一古老的学科焕发出强大的生机与活力，发展成多个学科分支的学科体系。

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