流体力学是持续介质力学一门分支.docx
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流体力学是持续介质力学一门分支
流体力学是的一门分支,是研究(包括及)现象和相关力学行为的科学。
可按研究对象的运动方式分为和,还可按应用范围分为,等等。
理论流体力学的大体方程是,简称N-S方程。
纳维-斯托克斯方程由一些微分方程组成,通常只有通过一些边界条件或通过数值计算的方式才能够求解。
它包括
、p、ρ、η,和T等变量,而这些都是(x,y,z)和t的函数。
通过、和,和f(ρ,p,T)和介质的材料性质咱们能够肯定这些变量。
和持续介质力学的关系
以下是流体力学和持续介质力学的关系
:
研究连续介质的物理学
:
研究连续介质(不受力时有固定的形状)的物理学
:
其固体在受到作用后,会恢复原来的形状
:
固体在受到相当大的应力后,产生的永久变形
:
研究在外力作用下,物体的变形和流动
流体力学:
研究连续介质(其形状随容器而变化)的物理学
流体力学的大体假设
流体力学有一些大体假设,大体假设以方程式的形式表示。
例如,在三维的不可紧缩流体中,质量守恒的假设的方程式如下:
在任意闭曲面(例如球体)中,由曲面进入闭曲面内的质量速度,需和由曲面离开闭曲面内的质量速度相等。
(换句话说,曲面内的质量为定值,曲面外的质量也是定值)以上方程式能够用曲面上的积分式表示。
流体力学假设所有流体知足以下的假设:
∙
∙
∙
在流体力学中常会假设流体是,也就是流体的为必然值。
液体能够算是不可紧缩流体,气体则不是。
有时也会假设流体的为零,现在流体即为非黏性流体。
气体常常可视为非黏性流体。
若流体不为零,而且流体被容器包围(如管子),则在边界处流体的速度为零。
流体力学的分支
[]
∙静态液体的压力散布
∙容器壁的受力
∙自由表面的形成
∙静浮力
∙浮力定律
∙浮动物体的稳固性考虑
∙不可紧缩流体内的压力转变
∙静态可紧缩流体的压力随高度之转变
∙标准的大气
∙使被局限流体维持静态的表面力效应
∙静态不可紧缩流体之潜浸表面上的液体静态作使劲
∙力作用于平面上的问题
∙潜浸曲面上之流体静态作使劲
[]
∙流动种类
o
o
∙流动形态
o
o
∙流动稳固性
o
o
o
o
∙
∙
∙流线理论
∙管流
∙
∙相似性理论
∙
[]流体力学应用领域
∙
∙
∙
∙
∙
∙
结构力学
科技名词概念
中文名称:
结构力学
英文名称:
structuralmechanics
概念:
研究工程结构在外来因素作用下的强度、刚度和稳固性的学科。
应用学科:
水利科技(一级学科);工程力学、工程结构、建筑材料(二级学科);工程力学(水利)(三级学科)
结构力学(StructuralMechanics)是固体力学的一个分支,它主要研究工程结构受力和传力的规律,和如何进行结构优化的学科。
结构力学研究的内容包括结构的组成规则,结构在各类效应(外力,温度效应,施工误差及支座变形等)作用下的响应,包括内力(轴力,剪力,弯矩,扭矩)的计算,位移(线位移,角位移)计算,和结构在动力荷载作用下的动力响应(自振周期,振型)的计算等。
结构力学通常有三种分析的方式:
能量法,力法,位移法,由位移法衍生出的矩阵位移法后来进展出有限元法,成为利用运算机进行结构计算的理论基础。
结构力学的任务
研究在工程结构(所谓工程结构是指能够经受和传递外载荷的系统,包括杆、板、壳和它们的组合体,如飞机机身和机翼、、屋架和承力墙等。
)在外载荷作用下的应力、应变和位移等的规律;分析不同形式和不同材料的工程结构,为工程设计提供分析方式和计算公式;肯定工程结构经受和传递外力的能力;研究和进展新型工程结构。
观察自然界中的天然结构,如植物的根、茎和叶,动物的骨骼,蛋类的外壳,能够发觉它们的强度和不仅与材料有关,而且和它们的造型有紧密的关系,很多工程结构就是受到天然结构的启发而创制出来的。
结构设计不仅要考虑结构的强度和刚度,还要做到用料省、重量轻.减轻重量对某些工程尤其重要,如减轻飞机的重量就可以够使飞机航程远、上升快、速度大、能耗低。
结构力学的进展简史
人类在远古时期就开始制造各类器物,如弓箭、衡宇、舟楫和乐器等,这些都是简单的结构。
随着社会的进步,人们对于结构设计的规律和结构的强度和刚度逐渐有了熟悉,而且积累了经验,这表此刻古代建筑的辉煌成绩中,如埃及的金字塔,中国的万里长城、赵州安济桥、北京故宫等等。
虽然在这些结构中隐含有力学的知识,但并无形成一门学科。
就大体原理和方式而言,结构力学是与、材料力学同时进展起来的。
所以结构力学在进展的初期是与理论力学和材料力学融合在一路的。
到19世纪初,由于工业的进展,人们开始设计各类大规模的工程结构,对于这些结构的设计,要作较精准的分析和计算。
因此,工程结构的分析理论和分析方式开始独立出来,到19世纪中叶,结构力学开始成为一门独立的学科。
19世纪中期出现了许多结构力学的计算理论和方式。
法国的纳维于1826年提出了求解静不定结构问题的一般方式。
从19世纪30年代起,由于要在桥梁上通过火车,不仅需要考虑桥梁经受静载荷的问题,还必需考虑经受动载荷的问题,又由于桥梁跨度的增加,出现了金属桁架结构。
从1847年开始的数十年间,学者们应用图解法、解析法等来研究静定桁架结构的受力分析,这奠定了桁架理论的基础。
1864年,英国的麦克斯韦创建单位载荷法和位移互等定理,并用单位载荷法求出桁架的位移,由此学者们终于取得了解静不定问题的方式。
大体理论成立后,在解决原有结构问题的同时,还不断进展新型结构及其相应的理论。
19世纪末到20世纪初,学者们对船舶结构进行了大量的力学研究,并研究了可动载荷下的梁的动力学理论和自由振动和受迫振动方面的问题。
20世纪初,航空工程的进展增进了对薄壁结构和加劲板壳的应力和变形分析,和对稳固性问题的研究。
同时桥梁和建筑开始大量利用钢筋混凝土材料,这就要求科学家们对钢架结构进行系统的研究,在1914年德国的本迪克森创建了转角位移法,用以解决刚架和持续梁等问题。
后来,在20~30年代,对复杂的静不定杆系结构提出了一些简易计算方式,使一般的设计人员都能够掌握和利用了。
到了20世纪20年代,人们又提出了蜂窝夹层结构的假想。
按照结构的“极限状态”这一概念,学者们得出了弹性地基上梁、板及刚架的设计计算新理论。
对经受各类动载荷(专门是地震作用)的结构的力学问题,也在实验和理论方面做了许多研究工作。
随着结构力学的进展,疲劳问题、断裂问题和复合材料结构问题前后进入结构力学的研究领域。
20世纪中叶,电子运算机和有限元法的问世使得大型结构的复杂计算成为可能,从而将结构力学的研究和应用水平提到了一个新的高度。
结构力学的学科体系
一般对结构力学可按照其研究性质和对象的不同分为结构、结构动力学、结构稳固理论、结构断裂、疲劳理论和杆系结构理论、薄壁结构理论和整体结构理论等。
结构静力学
结构静力学是结构力学中第一进展起来的分支,它主要研究工程结构在静载荷作用下的弹塑性变形和应力状态,和结构优化问题。
静载荷是指不随时刻转变的外加载荷,转变较慢的载荷,也可近似地看做静载荷。
结构静力学是结构力学其他分支学科的基础。
结构动力学
结构力学
构动力学是研究工程结构在动载荷作用下的响应和性能的分支学科。
动载荷是指随时刻而改变的载荷。
在动载荷作用下,结构内部的应力、应变及位移也必然是时刻的函数。
由于涉及时刻因素,结构动力学的研究内容一般比结构静力学复杂的多。
结构稳固理论
结构稳固理论是研究工程结构稳固性的分支。
现代工程中大量利用细长型和薄型结构,如细杆、薄板和薄壳。
它们受压时,会在内部应力小于屈服极限的情形下发生失稳(皱损或曲屈),即结构产生过大的变形,从而降低以至完全丧失承载能力。
大变形还会影响结构设计的其他要求,例如影响飞行器的性能。
结构稳固理论中最重要的内容是肯定结构的失稳临界载荷。
结构断裂和疲劳理论
结构断裂和疲劳理论是研究因工程结构内部不可避免地存在裂纹,裂纹会在外载荷作用下扩展而引发断裂破坏,也会在幅值较小的交变载荷作用下扩展而引发疲劳破坏的学科。
此刻咱们对断裂和疲劳的研究历史还不长,还不完善,但断裂和疲劳理论目前得进展专门快。
在结构力学对于各类工程结构的理论和实验研究中,针对研究对象还形成了一些研究领域,这方面主要有杆系结构理论、薄壁结构理论和整体结构理论三大类。
整体结构是用整体原材料,经机械铣切或经化学侵蚀加工而成的结构,它对某些边界条件问题特别适用,常常利用作变厚度结构。
随着科学技术的不断进展,又涌现出许多新型结构,比如20世纪中期出现的夹层结构和复合材料结构。
结构力学的研究方式
结构力学的研究方式主要有工程结构的利用分析、实验研究、理论分析和计算三种。
在结构设计和研究中,这三方面往往是交替进行而且是相辅相成的进行的。
利用分析就是在结构的利用进程中,对结构中出现的情形进行分析比较和总结,这是易行而又靠得住的一种研究手腕。
利用分析对结构的评价和改良起着重要作用。
新设计的结构也需要通过利用来查验性能。
实验研究能为鉴定结构提供重要依据,这也是查验和进展结构力学理论和计算方式的主要手腕。
实验研究分为三类:
模型实验、真实结构部件实验、真实结构实验。
例如,飞机地面破坏实验、飞行实验和汽车的碰撞实验等。
结构的力学实验通常要花费较多的人力、物力和财力,因此只能有限度地进行,专门是在结构设计的初期阶段,一般多依托对结构部件进行理论分析和计算。
在固体力学领域中,材料力学为结构力学的进展提供了必要的大体知识,和又是结构力学的理论基础,另外结构力学还与其它物理学科结合形成许多边缘学科,比如流体弹性力学等。
结构力学是一门古老的学科,又是一门迅速进展的学科。
新型工程材料和新型工程结构的大量出现,向结构力学提供了新的研究内容并提出新的要求。
运算机的进展,为结构力学提供了有力的计算工具。
另一方面,结构力学对数学及其他学科的进展也起了推动作用。
有限元法这一数学方式的出现和进展就与结构力学的研究有紧密关系。
其它力学分支学科
静力学、动力学、、分析力学、运动学、固体力学、材料力学、、流变学、结构力学、弹性力学、塑性力学、爆炸力学、磁流体力学、空气动力学、理论力学、、天体力学、生物力学、
主要物理学分支
物理学概览、力学、热学、光学、声学、电磁学、核物理学、固体物理学
理论力学
理论力学是机械运动及物体间彼此机械作用的的学科,也称。
是力学的一部份,也是大部份工程技术科学理论力学的基础。
其理论基础是,故又称。
20世纪初成立起来的和相对论,表明牛顿力学所表述的是相对论力学在物体速度远小于时的极限情形,也是量子力学在为无穷大时的极限情形。
对于速度远小于光速的宏观物体的运动,包括超音速及宇宙飞行器的运动,都能够用经典力学进行分析。
英文名称EngineeringMechanics(工科)ClassicalMechanics(理科)
大体概况
理科理论力学从变分法动身,最先由拉格朗日《分析力学》作为开端,引出的拉格朗日力学体系、哈密顿力学体系、哈密顿-雅克比理论等。
是理论物理学的基础学科。
工科理论力学是研究物体的机械运动及物体间彼此机械作用的的学科。
同时理论力学是一门理论性较强的技术,随着科学技术的进展,工程专业中许多课程均以理论力学为基础。
工科
理论力学研究示用意
理论力学遵循正确的熟悉进行研究和进展。
人们通过观察生活和生产实践中的各类现象,进行多次的科学实验,通过度析、综合和归纳,总结出力学的最大体的理论规律。
大体概念和方式
运动学中关于运动的量度,对于点有速度与加速度,对于有移动的速度与加速度,转动的角速度与。
物体间的彼此机械作用的大体量度是力,理论力学中还普遍用到力对点之矩和力对轴之
理论力学
矩的概念。
物体运动的改变除与作使劲有关外,还与本身的有关。
对于,惯性的量度是其质量。
对于刚体,除其外,惯性还与质量在体内的散布状况有关,即与质心位置及惯性矩、有关。
刚体对于三个彼此垂直的坐标轴的各惯性矩及惯性积组成刚体对该坐标系的。
中关于运动的量度有、和,与此有关的力的作用的量度有冲量、冲量矩和功。
表明这两种量度间的关系的定理,有动量定理、动量矩定理和动能定理,称为。
理论力学的基础是牛顿三:
第必然律即惯性定律;第二定律给出了质点动力学;第三定律即作用与反作用定律,在研究力学问题时具有重要作用。
第一、第二定律对于成立。
在一般问题中,与地球固结的参考系或相对于地面作惯性运动的参考系,可近似地看做惯性参考系。
研究非自由质点系的平衡和运动的较有效方式是力学的变分原理,其中有原理、达朗伯原理、等。
在解题时普遍应用了由此推出的运动,其中有、哈密顿正则方程、等。
学科内容
理论力学所研究的对象(即所采用的)为质点或质点系时,称为质点力学或质点系力学;如为刚体时,称为刚体力学。
因所研究问题的不同,理论力学又可分为静力学、和动力学三部份。
静力学研究物体在力作用下处于平衡的规律。
运动学研究物体运动的几何性质。
动力学研究物体在力作用下的运动规律。
理论力学的重要有振动理论、运动、陀螺仪理论、变质量体力学、刚体系统动力学、等。
这些内容,有时总称为一般力学。
理论力学与许多技术学科直接有关,如水力学、、、机械与机构理论、外弹道学、飞行力学等,是这些学科的基础。
课程内容
静力学
大体公理,约束与约束力,平面任意力系的简化与平衡,物体系的平衡,平面
理论力学
简单桁架内力计算方式,静定与超静定的概念,系的简化与平衡,滑动摩擦与转动摩擦。
研究的问题:
物体的受力分析;力系的简化;力系的平衡及其运用。
运动学
点的运动合成,科氏加速度,的速度分析方式,刚体平面运动的加速度分析方式。
研究的问题:
成立物体运动的描述方式;肯定物体运动的有关特征量,例如:
、速度、加速度,刚体的角速度及其角加速度等。
动力学
大体概念,动量定理,,刚体对于定点的动量矩定理,刚体对于质心的动量矩定理,刚体平面运动微分方程,动能、势能、动能定理,,虚位移原理及其在静力分析中的应用。
单自由度系统振动方程与振动特征量。
动力学可分为质点动力学和质点系动力学。
研究问题包括对物体的受力分析,成立物体机械运动的普遍规律。
学习目的
理论力学是一门理论性很强的技术基础课,是材料力学,结构力学,弹性力学,流体力学等课程的基础和前提。
理论力学与工程技术有着比较紧密的联系。
某些实际工程能够直接用理论力学取得解决,有些复杂问题需要理论力学与其他专业知识联合求解。
通过理论力学的学习一方面要学习其中的具体的力学知识,还要学习其中的思想,提高咱们全面分析问题、综合利用理论和求解问题的能力,为以后的社会实践,及其创造条件。
材料力学
中文名称:
材料力学
英文名称:
mechanicsofmaterials
概念:
研究工程结构中材料的强度和构件承载力、刚度、稳固的学科。
应用学科:
水利科技(一级学科);工程力学、工程结构、建筑材料(二级学科);工程力学(水利)(三级学科)
材料力学(mechanicsofmaterials)是研究材料在各类外力作用下产生的应变、应力、强度、刚度、稳固和致使各类材料破坏的极限。
材料力学是所有工科学生必修的学科,是设计工业设施必需掌握的知识。
学习材料力学一般要求学生先修高等数学和理论力学。
材料力学与理论力学、结构力学并称三大力学。
材料力学的任务
1.研究材料在外力作用下破坏的规律;
2.为受力构件提供强度,刚度和稳固性计算的理论基础条件;
3.解决结构设计安全靠得住与经济合理的矛盾。
材料力学大体假设
一、——组成固体的物质内毫无间隙地充满了固体的体积:
二、均匀性假设--在固体内任何部份力学性能完全一样:
3、各向同性假设——材料沿各个不同方向力学性能均相同:
4、小变形假设——变形远小于构件尺寸,便于用变形前的尺寸和几何形状进行计算研究。
在人们运用材料进行建筑、工业生产的进程中,需要对材料的实际经受能力和内部转变进行研究,这就催生了材料力学。
运用材料力学知识能够分析材料的强度、刚度和稳固性。
材料力学还用于机械设计使材料在相同的强度下能够减少材料用量,优化机构设计,以达到降低本钱、减轻重量等目的。
在材料力学中,将研究对象被看做均匀、持续且具有各向同性的线性弹性物体,但在实际研究中不可能会有符合这些条件的材料,所以须要各类理论与实际方式对材料进行实验比较。
材料在机构中会受到拉伸或紧缩、弯曲、剪切、扭转及其组合等变形。
按照(Hooke'slaw),在弹性限度内,材料的应力与应变成线性关系。
大事记
1独立学科的标志及杆件的拉伸问题
通常以为,意大利科学家(Galileo)《关于力学和局部运动的两门新科学的对话和数学证明》—书的发表(1638年)是材料力学开始形成一门独立学科的标志。
在该书中这位科学大师尝试用科学的解析方式肯定构件的尺寸,讨论的第—问题是直杆轴向拉伸问题,取得承载能力与横截面积成正比而与长度无关的正确结论。
2梁的弯曲问题
在《关于力学和局部运动的两门新科学的对话和数学证明》一书中,伽利略讨论的第二个问题是梁的弯曲强度问题。
按今天的科学结论,那时作者所得的弯曲公式并非完全正确,但该公式已反映了矩形截面梁的承载能力和bh2(b、h别离为截面的宽度和高度)成正比,圆截面梁承载能力和d3(d为横截面直径)成正比的正确结论。
对于空心梁承载能力的叙述则更为出色,他说,空心梁“能大大提高强度而无需增加重量,所以在技术上取得普遍的应用。
在自然界就更为普遍了。
如此的例子在鸟类的骨骼和各类芦苇中能够看到,它们既轻巧,而又对弯曲和断裂具有相当高的抵抗能力”。
梁在弯曲变形时,沿长度方向的纤维中有一层既不伸长也不缩短者,称为中性层。
早在1620年荷兰物理学家和力学家比克门(BeeckmanI)发觉,梁弯曲时一侧纤维伸长、另一侧纤维缩短,必然存在既不伸长也不缩短的中性层。
英国科学家胡克(HookeR)于1678年也论述了一样的现象,但他们都没有述及中性层位置问题。
第一论及中性层位置的是法国科学家马略特(MariotteE,1680年)。
其后莱布尼兹(LeibnizGW)、雅科布·伯努利(JakobBernoulli,1694)、伐里农(VarignonD,1702年)等人及其他学者的研究工作虽然都涉及了这一问题,但都没有得出正确的结论。
18世纪初,法国学者帕伦(ParentA)对这一问题的研究取得了冲破性的进展。
直到1826年纳维(Navier,C.-L.-M.-H)
才在他的材料力学讲义中给出正确的结论:
中性层过横截面的形心。
平截面假设是材料力学计算理论的重要基础之一。
雅科布·伯努利于1695年提出了梁弯曲的平截面假设,由此能够证明梁(中性层)的曲率和成正比。
另外他还取得了梁的挠曲线微分方程。
但由于没有采用曲率的简化式,且那时尚无弹性模量的定量结果,致使该理论并无取得普遍的应用。
梁的变形计算问题,早在13世纪纳莫尔(NemoreJde)已经提出,尔后雅科布·伯努利、丹尼尔·伯努利(DanielBernoulli)、(EulerL)等人都曾经研究过这一问题。
1826年纳维在他材料力学讲义中得出了正确的挠曲线微分方程式及梁的弯曲强度的正确公式,为梁的变形与强度计算问题奠定了正确的理论基础。
俄罗斯铁路工程师儒拉夫斯基(ЖуравскийДИ)于1855年取得横力弯曲时的切应力公式。
30年后,他的同胞别斯帕罗夫(ВеспаловД)开始利用弯矩图,被以为是历史上第一个利用弯矩图的人。
3 关于杆件扭转问题
对于圆轴扭转问题,能够以为法国科学家库仑(CoulombCAde)别离于1777年和1784年发表的两篇论文是具有开创意义的工作。
其后英国科学家杨(YoungT)在1807年取得了横截面上切应力与到轴心距离成正比的正确结论。
尔后,法国力学家圣维南(Saint-VenantBde)于19世纪中叶运用方式奠定了柱体扭转理论研究的基础,因此学术界适应将柱体扭转问题称为圣维南问题。
闭口薄壁杆件的切应力公式是布莱特(BredtR)于1896年取得的;而铁摩辛柯(TimoshenkoSP,1922)、符拉索夫(ВласовВЗ,1939)和乌曼斯基(Уманский А А,1940)则对求解开口薄壁杆件扭转问题做出了杰出的奉献。
4关于压杆稳固问题
材料力学
压杆在工程实际中处处可见,第11章已经述及压杆的失稳现象。
早在文艺振兴时期,伟大的艺术家、科学家和工程师达·芬奇对压杆做了一些开拓性的研究工作。
荷兰物理学教授穆申布罗克(MusschenbroekPvan)于1729年通过对于木杆的受压实验,得出“压曲载荷与杆长的平方成反比的重要结论”。
众所周知,细长杆压曲载荷公式是数学家欧拉第一导出的。
他在1744年出版的变分法专著中,曾取得细长压杆失稳后弹性曲线的精准描述及压曲载荷的计算公式。
1757年他又出版了《关于柱的承载能力》的论著(工程中适应将压杆称为柱),纠正了在1744年专著中关于矩形截面抗弯刚度计算中的错误。
而大家熟知的两头铰支压杆压曲载荷公式是拉格朗日(LagrangeJL)在欧拉近似微分方程的基础上于1770年左右取得的。
1807年英国自然哲学教授杨(YoungT)、1826年纳维前后指出欧拉公式只适用于细长压杆。
1846年拉马尔(LamarleE)具体讨论了欧拉公式的适用范围,并提出超出此范围的压杆要依*实验研究方可解决问题的正确观点。
关于大家熟知的非细长杆压曲载荷经验公式的提出者,则众说纷云,难于考证。
一种说法是瑞士的台特迈尔(TetmajerL)和俄罗斯的雅辛斯基(ЯсинскийΦС)都曾提出过有关压杆临界力与柔度关系的经验公式,雅辛斯基还用过许可应力折减系数计算稳固许可应力。
5疲劳强度问题
随时刻作周期性转变的应力,称为交变应力。
构件在交变应力作用下,经必然循环次数发生的破坏,称为疲劳破坏。
1839年巴黎大学教授庞赛洛特(PanceletJU)在讲课中第一利用了金属疲劳的概念。
19世纪中期,随着铁路运输的进展,断轴的事故常有发生,引发人们对疲劳破坏现象的研究兴趣。
那时沃勒(WohlerA)第一在旋转弯曲疲劳实验机上进行开创性的实验研究,提出了应力一寿命图和疲劳极限的概念。
为纪念他对疲劳强度研究工作所做的杰出奉献,人们将应力与疲劳破坏循环次数的关系曲线(即s—N曲线)称为沃勒曲线,虽然在他那时的研究工作中并无利用这种曲线。
其后,盖帕尔(Gerber)和古德曼(Goodman)别离研究了平均应力对寿命的影响,后者还提出了考虑平均应力影响的简单理论。
尔后,高夫(Cough)对多轴应力状态疲劳现象进行研究,将静应力强度理论引入多轴应力疲劳问题,并和波拉德(Pollard)一路提出解决多轴应力疲劳设计的Gough-Pollard公式,出版了第一本关于金属材料疲劳的专著
研究方式
主要有:
①简化计算方式。
材料力学处置一维问题的大体方式。
包括载荷简化、物性关系简化和结构形状简化等。
②平衡方式。
杆件整体若是平衡的,则其上任何局部都必然是平衡的,这是分析材料力学中各类平衡问题的基础。
肯定内力分量及其彼此关系、肯定梁的剪应力、分析一点的应力状态等均以此为依据。
③变形协调分析方式。
对结构而言,各构件变形间必需知足协调条件。
据此
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- 流体力学 持续 介质 力学 分支
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