绪论
1.流体力学的研究内容及应用
在自然界中，物质的常见形式有三种，即固体、液体和气体，其中液体和气体都属于流体。从力学角度来分析，流体与固体的主要差别是抵抗外力的能力不同。固体能够抵抗一定强度的拉力、压力及剪切力；流体承受的力主要为压力，它不能抵抗拉力，静止的流体不能抵抗剪切力。如果对流体施加剪切力，它就会产生连续变形，这是流体区别于固体的根本标志。这种受任何微小剪切力都会产生连续变形（流动）的物质称为流体。在日常生活中，经常会接触到许多流体，如水、空气、酒精、油等。很多时候人们需要掌握流体的运动规律，从而解决各种冋题。
流体力学是力学的一个分支，是一门主要研究流体平衡和运动规律及其应用的学科。例如，静止的流体对周围固态物质的静压力，运动的流体对处于其中的其他物体产生的作用力等，这些都属于流体力学的研究范畴。
流体力学对于工科各专业来说，属于技术基础课，它的任务是为学生学习后继课程及从事专业工作奠定初步的流体力学理论基础。由于大量工程及设备中都要用到流体，与流体相关的实际问题的解决又要用到流体力学的相关知识，因Jit本门课程有着广泛的应用价值，它属于一门应用学科。
在人们日常生活及工程领域中随处可见流体及流体的力学现象，如水的流动、大气的运动、风速的高低;供水及排水系统、供暖系统、制冷系统、发电系统;石油、天然气的开采，地下水的开发利用;气体的燃烧、爆炸;血液在血管中的流动，机体中的生理流体运动和植物中营养液的输送;鸟类在空中的飞翔，动物在水中的游动;机械制造、航空航天、冶金采矿、水利水电、土建环保、石油化工、军工核能等行业都存在许多流体力学问题。以机械设备上广泛采用的液压传动为例，它是以液体作为工作介质进行能量传递的一种传动方式，在其传动的各个环节都离不开传动介质——液体。在液压系统的设计、分析、工作过程中必须充分掌握传动介质的力学规律，这显然要用到流体力学知识。
2.流体力学的学科分类及研究方法
在流体力学的发展史上，曾经出现过理论流体力学和工程流体力学这两门性质相近的学科，它们在研究内容和方法上稍有差别。前者偏重于数理分析，是连续介质力学的一个组成部分，属于基础科学范畴;后者着眼于工程应用，是工程力学的一个组成部分，属于应用科学范畴。随着现代工农业生产和科学技术的飞速发展，从内容上来说，学科之间的分工越来越细，流体力学领域中已出现许多新兴的分支学科，如地球物理流体力学、物理-化学流体动力学、气体动力学、高超声速空气动力学、超声速空气动力学、环境流体力学、海洋动力学、稀薄空气动力学、电磁流体力学、计算流体力学、两相流体力学等。
尽管学科之间的分工越来越细，但从研究方法上来说，大体可分为现场观测、实验室模拟、理论分析、数值计算四个方面。现场观测是对自然界中或已有工程的流动现象，利用仪器进行系统观测，从而总结出流体运动的规律!并借以预测流动现象的演变。实验室模拟方法是将实际流动问题概括为相似的实验模型，在实验中观察现象、测定数据并进而按照一定方法推测实际结果。实验能显示运动特点及其主要趋势，有助于形成概念，检验理论的正确性。理论分析方法是分析问题的主次因素并提出适当的假定，根据流体运动的普遍规律，如质量守恒、动量守恒、能量守恒等，利用数学分析的手段，研究流体的运动，解释已知的现象，预测可能发生的结果。数值计算是根据理论分析与实验观测拟订计算方案，通过编制程序、输入数据用计算机算出数值解，该方法使许多原来无法用理论分析求解的复杂流体力学问题有了求得数值解的可能性，促进了流体力学计算方法的发展。
这四种研究方法各有特点，需要相辅相成才能推进流体力学的发展。实验需要理论指导，才能从分散的、表面上无联系的现象和实验数据中得出规律性的结论。反之，理论分析和数值计算也要依靠现场观测和实验室模拟给出物理图案或数据，以建立流动的力学模型和数学模式;而且，还须依靠实验来检验这些模型和模式的完善程度。此外，实际流动往往异常复杂，理论分析和数值计算会遇到巨大的数学和计算方面的困难，得不到具体结果，只能通过现场观测和实验室模拟进行研究。
3.流体力学的发展
流体力学的历史非常悠久，它是在人类同自然界作斗争和在生产实践中逐步发展起来的。中国古时候有大禹治水的传说;秦朝的李冰父子带领劳动人民修建了都江堰;大约同一时期，古罗马人建成了大规模的供水管道系统等。早期*著名的研究成果是古希腊阿基米德建立的浮力定律。15世纪，意大利里奥纳多.达.芬奇在著作中提到了管流、水力机械、鸟的飞翔原理等问题;17世纪，帕斯卡阐明了静止流体中压力的概念。但流体力学作为一门科学，却是随着经典力学建立了速度、加速度、力、流场等概念，以及质量、动量、能量三个守恒定律奠定之后才逐步形成的。17世纪，力学奠基人牛顿研究了在流体中运动的物体所受到的阻力，提出了牛顿黏性定律，为流体力学理论的发展铺设了道路。之后，法国皮托发明了测量流速的皮托管;达朗贝尔证实了阻力同物体运动速度之间的平方关系;瑞士的欧拉采用了连续介质的概念建立了欧拉方程$伯努利从能量守恒的角度进行实验分析，得出了伯努利方程;还有拉格朗日、拉普拉斯等科学家都为无黏性流体的流体力学学科的建立作出了重大贡献。19世纪，纳维建立了黏性流体的基本运动方程;斯托克斯又以更合理的基础导出并论证了这组方程，这组方程就是纳维-斯托克斯方程(简称N-S方程），它是流体动力学的理论基础。1904年，德国科学家普朗特建立了边界层理论，能够对边界层内流动状态和流体同固体间的黏性力进行计算。
随着人类社会的发展，流体力学这一学科所涉及的领域将越来越广，学科分工将越来越细。工程流体力学偏重于运用流体力学基本原理和基本方法来分析和解决相关实际问题，它的应用必将越来越广泛。
第1章流体的主要物理性质
流体的平衡和运动规律与其自身的物理性质紧密相关，因此有必要对流体的物理性质进行了解，本章将介绍流体的一些主要物理性质。
要求学生通过本章的学习了解流体力学的基本概念、流体的主要物理特性。
1.1连续介质概论
流体和固体一样是由大量分子组成的，并且每个分子都不断地做随机热运动，分子与分子之间存在着分子力的作用。流体包括液体与气体，由于具体形态的不同，气体、液体与固体的属性又有着一定的差别:首先，在相同体积的条件下，固体的分子数目多于液体，而液体又多于气体;其次，在相同分子距的条件下，固体分子力大于液体，而液体大于气体;再次，在外界温度、压强等条件相同的条件下，固体分子距*小，液体分子距次之，气体分子距*大。上述特点决定了气体分子可以在所给的空间内做自由运动，而液体分子只能在小范围内做不规则热运动，固体分子却只能围绕其自身位置做微小的振动。
上述微观结构上的差异导致宏观表象的不同。从受力方面考虑，在绪论中已述及，固体既能承受压力又能承受拉力和剪切力;而流体主要承受压力，不能承受拉力，在微小剪切力的作用下就会产生连续的变形。固体受一定大小外力的作用后产生的变形在外力消除后可以自动恢复;而流体流动后，其变形是不能自行消除的。此外，固体有一定的体积和形状;液体有一定的体积，而无一定的形状;气体既无一定的体积，也无一定的形状。
流体是由无数分子组成的，而分子与分子间有空隙，即从微观角度看，流体并不是连续分布的物质。由于流体力学的任务是要研究宏观流体的运动规律，因而它不研究微观的分子运动。在研究流体的宏观运动中，引用了流体质点和连续介质两个理论模型。
所谓流体质点，就是流体中宏观尺寸非常小而微观尺寸又足够大的任意一个物理实体，也称流体微团。宏观尺寸非常小是指流体质点所占据的宏观体积极限为零;微观尺寸足够大是指流体质点的微观体积大于流体分子尺寸的数量级，即流体质点包含着大量的分子。由于包含大量的分子，所以流体质点就具有了统计平均特性，使得各宏观物理量具有意义。例如，从宏观来看，10-10mm3是很小的体积，但它在标准状态下(0℃，101325Pa)，包含的气体分子的数目约有2.7×106个，而包含的水分子的数目约有3.3×109个。可见，含有足够多分子在内的流体质点，足以使表征宏观运动的各物理量(如密度、压强、速度、温度、动量、动能等)的统计平均值具有实际意义，通过流体质点就把流体的微观结构与宏观表象建立了联系。
研究流体的平衡和运动规律，主要是描述其宏观规律，而不是微观的瞬时运动状态。而分子间的距离是很小的，例如在上例中，水分子间的平均距离为10-7cm数量级，大气中分子间的平均距离为10-15cm数量级。这个距离比起宏观运动所涉及的尺寸来说是非常微小的。因此，从宏观方面来忽略分子间距是可行的。也就是说，可以把流体视为由无数连续分布的流体微团组成的连续介质!这就是流体的连续介质。把流体看成连续介质!质上就是
可以把描述流体运动的一系列参数都看成是连续分布的，这样就有可能利用微分方程等数学工具去研究流体的平衡和运动的规律。需要说明的是!把流体作为连续介质来处理!对于大部分工程技术问题都是适用的;但对于某些特殊问题则不能采用，如当研究火箭在高空非常稀薄的气体中飞行以及高真空技术等方面的问题时，必须舍弃宏观的连续介质的研究方法，而采用微观的分子动力学的研究方法。
1.2流体的密度和相对密度
单位体积流体所具有的质量称为流体的密度，以符号p表示。
对于非均质流体，各点的密度是不相同的，密度的计算式为
(1.1)
式中:为包含所取空间点的体积;为该体积对应的流体质量;为平均密度，当趋近于一点时，为该点的密度。
对于均质流体，密度的计算式为 (1.2)
均质流体是指在空间上质量分布均匀，但流体密度仍然可以随温度和压强而变化。
流体的相对密度是指某种均质流体的质量与相同体积下4℃蒸馏水质量之比，也即两者密度之比，相对密度是一个无量纲数，以符号d表示。如果用下角标w代表4℃蒸馏水的相应物理量，则流体的相对密度为
(1.3)
由于4℃蒸馏水的密度为
所以，流体密度与相对密度的关系为
(1.4)
表1.1列出了几种常见流体在标准大气压下的密度和相对密度。
表1.1常见流体的密度和相对密度
1.3流体的黏性
当流体微团之间或流体与固体壁面之间有相对运动时，流体内部会产生摩擦力，从而抵抗流体的变形。我们把流体运动时内部产生切应力的这种性质叫做流体的黏性。黏性是流体的重要属性，所有流体都具有黏性。由于黏性的存在使得流体力学问题变得很复杂，必须引起足够的重视。
1.3.1黏性产生的原因
黏性是因为流体内摩擦力作用而产生的，而内摩擦力的产生原因需要从流体分子的微观运动来考虑。概括地说，黏性是由分子间的相互引力以及分子不规则热运动所产生的动量交换共同构成的。
一方面，当流体微团之间+目对运动时，破坏了原有的平衡状态，使相4卩分子间的距离加大，分子间的引力必将阻止这种运动趋势，即快速运动的分子层将带动速度较慢的分子层，而慢速运动的分子层将阻碍快速运动的分子层。这种相互运动的宏观表现就是内摩擦力或黏性。
另一方面，由于分子不停地做随机热运动，因此在流体运动的同时，必将存在一定数量的分子在不同速度的层与层之间做迁移运动，从而引起动量交换。当快速层的流体分子进入慢速层时，将较大的动量带入慢速层，从而导致慢速层分子加速.，反之，当慢速层的分子进入快速层时，动量交换的结果导致快速层分子减速。这样，通过分子间的动量交换形成了相互间的牵制作用力，其宏观表现也是内摩擦力或黏性。
1.3.2牛顿内摩擦定律
流体微团之间有相对运动时，就会产生内摩擦力，那么如何确定这个力的大小呢？许多科学家做出了努力，但在微积分发明之前，人们还不能掌握流体内摩擦特性的有关理论。
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