第1章 绪论

1.1 流体力学的研究任务与研究方法

1.1.1 流体力学的研究任务

流体力学的任务是研究流体在平衡或运动时所遵循的基本规律及其在工程中应用的科学，是力学的一个重要分支学科。

自然界的物质一般以固体、液体和气体3种形式存在。宏观地看，固体有一定的体积和形状，不易变形；液体有一定的体积而无一定的形状，不易压缩，形状随容器形状而变，可有自由表面；气体则既无一定的体积又无一定的形状，容易压缩，气体将充满整个容器，没有自由表面。

液体和气体统称为流体，流体力学的研究对象是流体。流体在其运动的过程中表现出与固体不同的特点，其主要差别在于它们对外力的抵抗能力不同。固体由于其分子间距离很小，内聚力很大，能抵抗一定的拉力、压力和剪切力。而流体由于分子间距离较大，内聚力较小，几乎不能承受拉力，运动的流体具有一定抗剪切的能力，但静止的流体则不能抵抗剪切力，即使在很小的剪切力作用下，静止流体都很容易发生变形或流动，这种特性称为流体的易流动性。流体的易流动性是流体的基本特征。

流体作为物质的一种基本形态，必须遵循自然界一切物质运动的普遍规律，如牛顿的第二定律、质量守恒定律、动量定理和动量矩定理等。所以，流体力学中的基本定理实质上都是这些普遍规律在流体力学中的具体体现和应用。

在许多工农业生产部门，如航空航海、天文气象、地球物理、水利水电、热能制冷、土建环保、石油化工、气液输送、燃烧爆炸、冶金采矿、生物海洋、军工核能等部门，都要碰到大量与流体运动规律有关的生产技术问题，要解决这些问题必须具备流体力学知识。因此，流体力学是高等工科院校不少专业的一门重要技术基础课。

1.1.2 流体力学的研究方法

流体力学的研究方法通常有理论分析、科学实验、数值模拟3种。

（1）理论分析：针对实际流体的力学问题，建立反映问题本质的“力学模型”；再根据物质机械运动的普遍规律，如质量守恒、能量守恒、动量定理等，建立控制流体运动的基本方程组，在相应的边界条件和初始条件下，运用数学分析方法求出理论结果，达到揭示流体运动规律的目的。但由于实际流体运动的多样性，对于某些复杂的流动，完全靠理论分析来解决还存在许多困难。

（2）科学实验：一方面可以检验理论分析结果的正确性，另一方面当有些流体力学问题在理论上暂时还不能完全得到解决时，通过实验可以找到一些经验性的规律，以满足实际应用的需要。流体力学实验包括原型实验和模型实验，两种实验都是通过对具体流动的观测和测量，来认识流体的流动规律，以模型实验为主。

（3）数值模拟：随着计算机技术和数值计算方法的发展，产生了广泛应用于实际工程的研究方法——数值模拟法（或数值计算法）。该方法采用有限体积、有限元、有限差分等离散方法，建立各种数值模型，通过计算机进行数值计算，获得定量描述流场的数值解，从而求解出许多原来无法用理论分析求解的复杂流体力学问题的数值解。

理论分析、科学实验和数值模拟互相结合补充，相辅相成，为发展流体力学理论，解决复杂工程技术问题奠定了基础。