實驗流體力學緒論

實驗流體力學教學實驗室地址：東校區(qū)A棟208風洞實驗室：南校區(qū)222棟船池實驗室：南校區(qū)215棟電話：84113292、39332792流體力學實驗室實驗分組東校區(qū)實驗，全班共分成1-16組，每組3人南校區(qū)實驗，由于設備數(shù)量的原因，分成2批，1-8組第一批，9-16組第二批實驗從第10周開始實驗室安全守則實驗室安全緊急情況處理個人判斷力個人安全用電安全其它注意實驗室安全守則簽名表學號姓名簽名日期是否認同1

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參考書教材：實驗力學尹協(xié)振等高等教育出版社2012參考教材：基礎流體實驗．徐有恒等．復旦大學出版社．1990實驗流體力學基礎西北工大出版社實驗流體力學朱仁慶楊松林楊大明國防工業(yè)出版社 2005船舶原理盛振邦/劉應中上海交通大學出版社2007參考書實驗指導教材：自編實驗指導參考書：水力學實驗賀五洲陳嘉范李春華清華大學出版社2004水力學實驗張志昌編著機械工業(yè)出版社2006課程內(nèi)容實驗力學基礎測量原理和儀器設備流體力學實驗項目實驗力學基礎（4周）相似理論量綱分析Mathcad軟件誤差分析與數(shù)據(jù)處理流體力學顯示技術和測試技術流體力學顯示技術和測試技術（1周）流體力學實驗設備流體力學實驗設備（1周）船模實驗水池風洞流體力學實驗儀器測壓測速測流量流體力學實驗項目管道流動（2周）流態(tài)變化局部能量損失沿程能量損失孔口出流流體力學實驗項目波浪拖曳水池試驗船模快速性實驗波浪演示實驗風洞實驗機翼壓力分布測試風洞落差系數(shù)測試飛機模型升力、阻力測試實驗安排東校區(qū)水力學實驗室（3周）雷諾實驗、沿程阻力、局部阻力、文丘里流量計、孔口出流、動量定律、靜水壓力南校區(qū)實驗室（2周，分批）風洞實驗室：船模阻力實驗、螺旋槳敞水實驗、風速儀檢定船池實驗室：風洞落差系數(shù)測定、機翼升力測定、流速儀檢定第一章緒論實驗流體力學發(fā)展簡史實驗研究的地位實驗流體力學的內(nèi)容實驗流體力學的主要任務實驗流體力學發(fā)展簡史第一時期-----17世紀中以前----以現(xiàn)場原型實驗為主第二時期-----17世紀中到20世紀初----現(xiàn)場和實驗室實驗并存第三時期-----20世紀初以后-----實驗室實驗為主

現(xiàn)場觀測是對自然界固有的流動現(xiàn)象或已有工程的全尺寸流動現(xiàn)象，利用各種儀器進行系統(tǒng)觀測，從而總結出流體運動的規(guī)律，并借以預測流動現(xiàn)象的演變。過去對天氣的觀測和預報，基本上就是這樣進行的。不過現(xiàn)場流動現(xiàn)象的發(fā)生往往不能控制，發(fā)生條件幾乎不可能完全重復出現(xiàn)，影響到對流動現(xiàn)象和規(guī)律的研究；現(xiàn)場觀測還要花費大量物力、財力和人力。

現(xiàn)場觀測Kelvin水波Kelvin水波

模型實驗在流體力學中占有重要地位。根據(jù)因次分析和相似理論，把研究對象的尺度改變(放大或縮小)以便實驗。有些流動現(xiàn)象難于進行理論計算解決，有的則不可能做原型實驗(成本太高或規(guī)模太大)。這時，根據(jù)模型實驗所得的數(shù)據(jù)可以用因次分析和相似變換方法像換算單位制那樣的簡單算法求出原型的數(shù)據(jù)。

模型實驗實驗設備：風洞、水槽、水池、水洞、激波管、測試管系等。實驗流體力學(ExperimentalFluidDynamics,EFD)模型實驗Kelvin水波實驗流體力學發(fā)展簡史第一時期-----17世紀中以前主要成就：（1）完整建立了流體靜力學理論；（2）提出了流體與物體運動之間的相對性原理；（3）定性地研究了管流與某些無壓流動；（4）發(fā)展了各種流體機械。人們主要依靠仔細的觀察、粗略的測量與效益的比較等相當原始的實驗方法去了解各種流動現(xiàn)象。實驗流體力學發(fā)展簡史阿基米德（287-213B.C）李冰302~235B.C李冰曾在都江堰安設石人水尺，這是中國早期的水位觀測設施都江堰李冰修都江堰時，曾設立三個石人水則，以水位「竭不至足，盛不沒肩」來衡量水量足夠與否。圖中Q1所示者灌區(qū)最低需水量；Q2所示者保證灌區(qū)安全的最高引水量實驗流體力學發(fā)展簡史

對流體力學學科的形成作出第一個貢獻的是古希臘的阿基米德(Archimedes,公元前287－212)，他建立了包括物理浮力定律和浮體穩(wěn)定性在內(nèi)的液體平衡理論，奠定了流體靜力學的基礎。在公元前250年發(fā)表學術論文《論浮體》，發(fā)現(xiàn)了物體在流體中所受浮力的基本原理──阿基米德原理。此后千余年間，流體力學沒有重大發(fā)展。

實驗流體力學發(fā)展簡史

在科學研究中主張在實驗觀測基礎上再進行理論推導。在水文和水力學理論方面他最先對旋渦的流速分布、突然擴大斷面和尾流旋渦、波浪傳播和水躍等進行探討或描述，成就遠超過前人。他又提出水的連續(xù)定律，認識到明渠流的邊界阻力，還首先提出關于流線形物體、降落傘、風速表、離心泵等設想。達芬奇（1452-1519）

意大利藝術家、科學家和工程師，文藝復興時代的代表人物實驗流體力學發(fā)展簡史靜壓強

托里拆利.（1608-1647）柏斯卡（1623-1662）斯蒂文（1586）容器底面靜壓與上方流體深度有關伽利略學生，提出托里拆利公式。發(fā)明水銀壓力計發(fā)現(xiàn)大氣壓隨高度增加而減少。提出連通器原理和柏斯卡定理。17世紀，帕斯卡(B.Pascal,1623-1662)闡明了靜止流體中壓力的概念，提出了密閉流體能傳遞壓強的原理－帕斯卡原理。

但流體力學尤其是流體動力學作為一門嚴密的科學，卻是隨著經(jīng)典力學建立了速度、加速度、力、流場等概念，以及質(zhì)量、動量、能量三個守恒定律的奠定之后才逐步形成的。實驗流體力學發(fā)展簡史管流

沈括（1031-1095）“漏壺”是古代的計時儀器，相當于現(xiàn)代的鐘表。沈括浮漏是宋代著名的科學家沈括在前人成就的基礎上創(chuàng)制的漏壺。隨著社會生產(chǎn)的發(fā)展，漏壺的結構不斷改進，計時性能也隨之更加科學。到了宋代其結構由原來的單級壺，發(fā)展到二級甚至多級壺。沈括浮漏就是一組多級壺漏系統(tǒng)：最上層擺設的稱為求壺，是專為下級壺供水用的水源壺；第二層擺了兩只壺，高的叫負壺、低的叫廢壺，負壺的作用是保持水流的穩(wěn)定，并保證水位的指定高度，超水位的多余水則流入廢壺。最下邊的是建壺，由負壺滴落的穩(wěn)壓水，滴入建壺，并以容納水量的多少，來顯示時刻。實驗流體力學發(fā)展簡史流體機械方面：

風帆水車風車鼓風機第二時期-----17世紀中到20世紀初主要成就：（1）發(fā)展了基本實驗設備和儀器；（2）發(fā)現(xiàn)了伯努利定律、達西定律、湍流、空化；（3）研究物體運動受到的力；（4）圓管層流；（5）提出動力相似理論實驗流體力學發(fā)展簡史開始發(fā)展實驗室實驗所需儀器、設備和技術；逐步開展實驗研究。達西1.奠定比托管構型2.確定管流達西公式3.達西滲流定律4.求謝才系數(shù)35比托管1732年，法國皮托發(fā)明比托管達西發(fā)明了沿流動方向布置的靜壓管36達西公式1839年德國工程師哈根發(fā)表黃銅管（D<6cm,L<1m)的水流結果1840年生物學家泊肅葉發(fā)表玻璃毛細管的水流實驗結果1845年德國數(shù)學家魏斯貝奇用量綱分析方法推導圓管沿程阻力公式，但其系數(shù)含糊不清，無法工程上使用1857年達西設計了各種材料，各種規(guī)格的管道D=1.2-50cm,L=100m,材質(zhì)為玻璃，鑄鐵，生鐵，鉛管等等，總結水流阻力變化規(guī)律37滲流定律達西負責設計和建造第戎市公共泉水工程，系統(tǒng)研究了地下水流動和飲用水沙層過濾規(guī)律。設計了著名的柱狀沙桶滲流試驗裝置38人工明渠流實驗V=C*sqrt(R*J)謝才公式18世紀末水力工程師尋找了80年的C，但均未成功達西用系統(tǒng)化的實驗方法解決450m長，底寬2m的木質(zhì)棱柱明渠渠底可調(diào)坡度76m^2的引水池，其水源由4個閘門從運河入口處12個方形均勻孔導流流量計，深度儀，畢托管，浮子測速儀各種截面形狀，各種壁面材料，歷時7年39達西公式（1858年）滲流定律（1856年）實施明渠流實驗（1855-1857）都是在去世前3年，身體虛弱的狀態(tài)下完成的，令人肅然起敬1891年，曼寧根據(jù)達西助手巴贊的結果，總結出曼寧公式40實驗流體力學發(fā)展簡史阻力伽里略(1264-1642)1632年演示了運動物體在空氣中受到阻力的實驗。1638年用雙擺研究阻力與速度的關系。結果不合理！惠更斯(1629-1695)1690年用更精確的方法得到正確的結果。牛頓(1642-1727)1687年用擺和落球在水和空氣中得到與理論一致的結果。馬里奧特(1620-1684)1686年測量水中平板的阻力；發(fā)明了測力天平。

牛頓(I.Newton，1642－1727)于1687年出版了《自然哲學的數(shù)學原理》。牛頓在科學上最卓越的貢獻是微積分和經(jīng)典力學的創(chuàng)建。牛頓研究了在流體中運動的物體所受到的阻力，得到阻力與流體密度、物體迎流截面積以及運動速度的平方成正比的關系。建立了流體內(nèi)摩擦定律，為粘性流體力學初步奠定了理論基礎。但是，牛頓還沒有建立起流體動力學的理論基礎，他提出的許多力學模型和結論同實際情形還有較大的差別。實驗流體力學發(fā)展簡史定理伯努利,D（子）1738年提出定常無粘不可壓伯努利方程；伯努利,J（父）1742年完善推廣到非定常伯努利方程；歐拉1757年推廣到可壓縮流，以及沿流線的伯努利方程；1856年達西用沙土做滲流實驗，得出達西定律。1883年雷諾在不同管徑管子中做實驗，發(fā)現(xiàn)兩種流態(tài)-----層流和湍流。1894年桑尼克羅夫特、巴納比在船舶螺旋槳背面發(fā)現(xiàn)空泡現(xiàn)象。瑞士伯努利家族家族成就最大者《流體動力學》(1738年)，給出“伯努利定理”等流體動力學的基礎理論；研究彈性弦的橫向振動問題(1741～1743年)，提出聲音在空氣中的傳播規(guī)律(1762年)懸鏈線問題（1690年），曲率半徑公式（1694年），“伯努利雙紐線”（1694年），“伯努利微分方程”（1695年），“等周問題”（1700年），“伯努利數(shù)”、“伯努利大數(shù)定理”等指數(shù)運算也是他發(fā)明的。例如解決懸鏈線問題（1691年），提出洛必塔法則（1694年）、最速降線（1696年）和測地線問題（1697年），給出求積分的變量替換法（1699年），研究弦振動問題（1727年），出版《積分學數(shù)學講義》（1742年）伯努利（D.Bernoulli，1700－1782）在1738年出版了名著《Hydrodynamics》，從經(jīng)典力學的能量守恒出發(fā)，研究供水管道中水的流動，精心地安排了實驗并加以分析，建立了流體位勢能、壓強勢能和動能之間的能量轉換關系──伯努利方程。柏林科學院院士，巴黎科學院院士，英國皇家學會會員哞~

流體力學發(fā)展過程雷諾(O.Reynolds，1842-1912)1883年用實驗證實了粘性流體的兩種流動狀態(tài)──層流和紊流的客觀存在，找到了實驗研究粘性流體流動規(guī)律的相似準則數(shù)──雷諾數(shù)，以及判別層流和紊流的臨界雷諾數(shù)，為流動阻力的研究奠定了基礎。

實驗流體力學發(fā)展簡史管流泊肅葉1840年，哈根1829年同期一起通過管流實驗發(fā)現(xiàn)流量和壓降梯度與管徑4次方成正比，稱為泊肅葉-哈根公式。1860年哈根巴克做了端緣效應修正。1914年斯坦頓、潘內(nèi)爾測量了管內(nèi)速度分布。1860年哈根巴克用此方法確定了粘性，成為一種標準方法。實驗流體力學發(fā)展簡史儀器1732年畢托發(fā)明測量總壓的畢托管；普朗特1905年發(fā)明風速管。1872年柯尼希發(fā)明微壓計；1915年泰勒發(fā)明多管壓力計。1929年范德林格齊南發(fā)明了五孔方向儀。1799年文丘利發(fā)現(xiàn)文丘利管現(xiàn)象；1888年赫謝爾將其用于測量流量。普朗特(L.Prandtl，1875－1953)從1904年到1921年逐步將N-S方程作了簡化，從推理、數(shù)學論證和實驗測量等各個角度，建立了邊界層理論，解釋了阻力產(chǎn)生的機制。以后又針對航空技術和其他工程技術中出現(xiàn)的紊流邊界層，提出混合長度理論。1918-1919年間，論述了大展弦比的有限翼展機翼理論，對現(xiàn)代航空工業(yè)的發(fā)展作出了重要的貢獻。普朗特，馮卡門，錢學森實驗流體力學發(fā)展簡史水實驗1756年拜德爾建成10米長水池；1775年達朗伯在水池中做了大量船舶實驗；1852年雷什通過波浪實驗，提出重力相似的雷什弗洛德數(shù)；1872年弗洛德主持建成85×14×4米水槽，開展了大量船舶實驗和波阻實驗1896年帕爾森斯建造第一座水洞。實驗流體力學發(fā)展簡史高速空氣實驗1742年羅賓斯用自制彈道擺測圓球阻力（M=1.05），發(fā)現(xiàn)高速時阻力比牛頓值大3倍。后來，赫頓、迪戴恩做了大量類似實驗。1785年帕金森正確指出阻力增加是由于可壓縮性影響。1865-1870巴什福恩用自制電準確記錄了炮彈速度和阻力，這是第一個做高速實驗的人，他的標準彈頭阻力表直用到20世紀初。1899年維埃耶建造第一個激波管，用于研究礦井爆炸。實驗流體力學發(fā)展簡史流動顯示鋁粉（戴爾1843

）牛奶（海雷斯1911、艾爾頓

1908）煙（馬赫

1899、馬雷

1899）煙風洞（利皮希、布朗

1937）獨立紋影法（特普勒

1864測火花、爆炸）陰影法（德沃夏克

1880；博伊斯1893測子彈）干涉法（1887馬赫E(父)1889馬赫L(子)

測得子彈超聲速照片）1959年戈達德推廣煙風洞到超聲速風洞實驗流體力學發(fā)展簡史相似理論斯托克斯1851年從微分方程出發(fā)研究相似理論；赫姆霍茲1873年進一步發(fā)展理論；瑞利1892年和1904年用量綱分析求流動相似參數(shù)；白金漢1914年首次顯式地敘述定理；布里奇曼

1922年完整地敘述并證明了定理，為流體力學實驗奠定了理論基礎。實驗流體力學發(fā)展簡史航空1871年韋納姆設計并建造了第一座低速風