第1章_緒論_流體力學

1、流體力學 緒 論流體力學及其任務作用在流體上的力流體的主要物理性質(zhì)牛頓流體和非牛頓流體第一節(jié)第一節(jié) 流體力學的任務及發(fā)展簡史流體力學的任務及發(fā)展簡史 一、研究內(nèi)容一、研究內(nèi)容流、固體相互作用流、固體相互作用流動規(guī)律流動規(guī)律平衡規(guī)律平衡規(guī)律絕對靜止絕對靜止相對靜止相對靜止壓力分布壓力分布壓力計算壓力計算管管 流流繞繞 流流明明 渠流渠流速度分布速度分布壓力分布壓力分布能量損失能量損失力與流動的關系力與流動的關系流體動力學流體動力學流體運動學流體運動學流體靜力學流體靜力學第一節(jié)第一節(jié) 流體力學的任務及發(fā)展簡史流體力學的任務及發(fā)展簡史v掌掌 握握基本概念、基本原理基本概念、基本原理 基本計算方法基本

2、計算方法公式推導的前提條件、適用范圍公式推導的前提條件、適用范圍 各種系數(shù)的確定方法各種系數(shù)的確定方法 結(jié)合實際靈活運用結(jié)合實際靈活運用測壓、測速、測流量的儀器原理測壓、測速、測流量的儀器原理 使用方法使用方法二、重點內(nèi)容二、重點內(nèi)容 明明 確確 熟熟 悉悉公元前507-公元前444)“假如給我一個支點，我就能撬起地球?！?浸在靜止流體中的物體受到流體作用的合力大小等于物體排開的流體的重力。Martin Kemp, Leonardo lifts off: A wing designed by Leonardo da Martin Kemp, Leonardo lifts off: A wing

3、 designed by Leonardo da Vinci proves to be aerodynamic. Nature Vol. 421, 20 February 2003Vinci proves to be aerodynamic. Nature Vol. 421, 20 February 2003 .p221vTp pVVtV1)(pVVtV1)(020)(NmaF Navier (1785-1836)Stokes (1819-1903)xxxxxxxxgxpzvyvxvzvvyvvxvvv)()(222222zyxyyyyyyyygxpzvyvxvzvvyvvxvvv)()(22

4、2222zyxzzzzzzzzgxpzvyvxvzvvyvvxvvv)()(222222zyx這些瘋狂的云朵被稱之為“開爾文-赫姆霍茲波浪”，外形好似一層層海浪。它們是在兩個密度不同的空氣層或者液體層以不同速度彼此穿過對方時在分界線上被“剪”出來的。ULRe 超臨界翼型驗證試飛中的超臨界翼型驗證試飛中的TFTF8A8A Taylor (1886-1975) 流體力學流體力學氣象氣象工業(yè)工業(yè)水利水利運輸運輸航空航空環(huán)境環(huán)境體育體育海洋海洋建筑建筑s1 s2 流體力學在中國流體力學在中國v錢學森錢學森 錢學森（1911）浙江省杭州市人， 他在火箭、導彈、航天器的總體、動力、制導、氣動力、結(jié)構(gòu)、材料

5、、計算機、質(zhì)量控制和科技管理等領域的豐富知識，為中國火箭導彈和航天事業(yè)的創(chuàng)建與發(fā)展作出了杰出的貢獻。1957年獲中國科學院自然科學一等獎，1979年獲美國加州理工學院杰出校友獎，1985年獲國家科技進步獎特等獎。1989年獲小羅克維爾獎章和世界級科學與工程名人稱號，1991年被國務院、中央軍委授予“國家杰出貢獻科學家”榮譽稱號和一級英模獎章。流體力學在中國流體力學在中國v周培源（ 19021993)。 1902年8月28日出生，江蘇宜興人。理論學家、流體力學家主要從事物理學的基礎理論中難度最大的兩個方面即愛因斯坦廣義相對論引力論和流體力學中的湍流理論的研究與教學并取得出色成果。吳仲華吳仲華（W

6、u Zhonghua）在1952年發(fā)表的在軸流式、 徑流式和混流式亞聲速和超聲速葉輪機械中的三元流普遍理論和在1975年發(fā)表的使用非正交曲線坐標的葉輪機械三元流動的基本方程及其解法兩篇論文中所建立的葉輪機械三元流理論，至今仍是國內(nèi)外許多優(yōu)良葉輪機械設計計算的主要依據(jù)。第一節(jié)第一節(jié) 流體力學的任務及發(fā)展簡史流體力學的任務及發(fā)展簡史第三時期：第三時期： 近近 代代三、流體力學發(fā)展史三、流體力學發(fā)展史 三元流動理論三元流動理論 計算流體力學計算流體力學 多相流多相流 環(huán)境流體力學環(huán)境流體力學 磁流體力學磁流體力學 非牛頓流體力學非牛頓流體力學連續(xù)介質(zhì)假設流體力學的研究方法流體力學的研究方法v現(xiàn)場觀測

7、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(jié)出流體運動的規(guī)律，并借以預測流動現(xiàn)象的演變。模型實驗模型實驗在流體力學中占有重要地位。根據(jù)理論指導，把研究對象的尺度改變(放大或縮小)以便能安排實驗。有些流動現(xiàn)象難于靠理論計算解決，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)可以用像換算單位制那樣的簡單算法求出原型的數(shù)據(jù)。現(xiàn)場觀測常常是對已有事物、已有工程的觀測，而實驗室模擬卻可以對還沒有出現(xiàn)的事物、沒有發(fā)生的現(xiàn)象(如待設計的工程、機械等)進行觀察，使之得到改進。因此，實驗室模擬是研究流體力學的重要方法。 流體力學的研究

8、方法v理論分析理論分析是根據(jù)流體運動的普遍規(guī)律如質(zhì)量守恒、動量守恒、能量守恒等，利用數(shù)學分析的手段，研究流體的運動，解釋已知的現(xiàn)象，預測可能發(fā)生的結(jié)果。理論分理論分析的步驟析的步驟大致如下：首先是建立“力學模型力學模型”，即針對實際流體的力學問題，分析其中的各種矛盾并抓住主要方面，對問題進行簡化而建立反映問題本質(zhì)的“力學模型”。v其次是針對流體運動的特點，用數(shù)學語言表達，從而得到連續(xù)性方程、動量方程和能量方程連續(xù)性方程、動量方程和能量方程。此外，還要加上某些聯(lián)系流動參量的關系式(例如狀態(tài)方程) 。這些方程合在一起稱為流體力學基本方程組。求出方程組的解后，結(jié)合具體流動，解釋這些解的物理含義和流動

9、機理。流體力學的研究方法v流體力學的基本方程組非常復雜，在考慮粘性作用時更是如此。20世紀3040年代，對于復雜而又特別重要的流體力學問題，曾組織過人力用幾個月甚至幾年的時間做數(shù)值計算，比如圓錐做超聲速飛行時周圍的無粘流場就從1943年一直算到1947年。數(shù)學的發(fā)展，計算機的不斷進步，以及流體力學各種計算方法的發(fā)明，使許多原來無法用理論分析求解的復雜流體力學問題有了求得數(shù)值解的可能性，這又促進了流體力學計算方法的發(fā)展，并形成了“計算流體力學計算流體力學”。pAPpAPpAlimATATA limmFf mFXXmFYymFZZ重力場中:X=0,Y=0,Z=-g流體的基本特征流體的基本特征)/(

10、3mKgVmVmV0lim)/(3mKNVGVGV0limgVmgVG3/1000mKg水3/9.8mKN水3/133.3mKN水銀3/20. 1mkg空氣dtdAdyduAF 1.牛頓平板試驗牛頓平板試驗( )Uu yyhUFAh1FF1F1Fu=Uu=0dyu+ duu二、流體的粘性二、流體的粘性U=ConstFF 充滿靜止流體充滿靜止流體FUAhu=0u=Udyu+ duuFduAdy 粘性切應力與速度梯度成正比粘性切應力與速度梯度成正比比例系數(shù)稱比例系數(shù)稱動力粘性系數(shù)動力粘性系數(shù)，簡稱，簡稱粘度粘度。3 流體的粘性系數(shù)流體的粘性系數(shù)（1）動力粘性系數(shù)）動力粘性系數(shù)Dynamic vis

11、cosity物理常數(shù)物理常數(shù)NSNSm masas 氣體氣體：溫度上升：溫度上升, , 升高升高 液體液體: : 溫度上升，溫度上升，下降下降(3) 與溫度的關系與溫度的關系（2）運動粘性系數(shù)運動粘性系數(shù)Kinematic viscosity壓力的變化對壓力的變化對的影響不大的影響不大(1)(1)液體之間的粘性力主要由分子內(nèi)聚力形成液體之間的粘性力主要由分子內(nèi)聚力形成(2)(2)氣體之間的粘性力主要由分子動量交換形成氣體之間的粘性力主要由分子動量交換形成4.4.粘性產(chǎn)生的原因粘性產(chǎn)生的原因四、真實流體和理想流體四、真實流體和理想流體理想流體理想流體00在固體表面上發(fā)在固體表面上發(fā)生相對滑移生相

12、對滑移在固體表面上其流速在固體表面上其流速與固體的速度相同與固體的速度相同真實流體真實流體0相互接觸的流體層之相互接觸的流體層之間有剪切應力作用間有剪切應力作用（壁面不滑移條件）（壁面不滑移條件） 米秒米秒 粘性系數(shù)粘性系數(shù)：與流體物性有關的物理常數(shù)：與流體物性有關的物理常數(shù) 運動粘性系數(shù)運動粘性系數(shù)：N Ns s2 2帕帕秒秒a as sd ud y牛頓型流體牛頓型流體： 如空氣、水、汽油、煤油、甲醇、乙醇、甲苯如空氣、水、汽油、煤油、甲醇、乙醇、甲苯非牛頓型流體非牛頓型流體：凝膠、高分子溶液、泥漿、紙漿、油漆、乳化液dtddyduAFdydudtd)(spa)/(2sm2000221. 0

13、0337. 0101775. 0tt 0yuATmgddsin001. 0145. 04 . 062.22sin8 . 95sinuAmgsPa1047. 0u例題1-2 一 底 面 積 為45x40cm2 ， 高 為 5cm 的 木 塊， 質(zhì) 量 為5kg ， 沿 涂 有 潤 滑 油 的 斜 面 向 下 作 等 速 運 動， 木 塊 運 動 速 度u=1m/s ， 油 層 厚 度1mm ， 斜 坡 角22.620 ， 求 油 的 粘 度 。解： 木 塊 重 量 沿 斜 坡 分 力 F 與 切 力 T平 衡 時， 等 速 下 滑2/ )(dDvdldyduATNT5 .26例題1-3在圖中，汽

14、缸內(nèi)壁的直徑D=12cm、活塞的直徑d=11.96cm，活塞的長度l=14cm，活塞往復運動的速度為v=1m/s，潤滑油的 =0.1Pa.s，試問作用在活塞上的粘性力為多少？解：因粘性的作用，粘附在汽缸內(nèi)壁的潤滑油速度為零，粘附在活塞外沿的潤滑油與活塞的速度相同，由于活塞與汽缸的間距很小，潤滑油的速度可近似認為是從零線性變化到1m/s。由牛頓內(nèi)摩擦定律)/(2NmdpVdV)/1 (1KdTdVVv)/(12mNdVVdpK2。氣體的壓縮性和膨脹性氣體與液體不同，具有顯著的壓縮性和膨脹性一般常溫常壓下，常用氣體的密度、壓強、溫度三者之間的關系，符合完全氣體狀態(tài)方程RTp式中：p為氣體的絕對壓強，為氣體的密度，T為氣體的熱力學溫度，R為氣體常數(shù)。空氣的氣體常數(shù)為287J/kg.K不可壓縮流體: 密度幾乎不變,按常數(shù)考慮.crh15rh07.5（六）（六）汽化壓強汽化壓強汽化壓強是指液體汽化和凝結(jié)達到平衡時液面汽化壓強是指液體汽化和凝結(jié)達到平衡時液面的壓強。汽化壓強隨液體的種類和溫度的不同而改的壓強。汽化壓強隨液體的種類和溫度的不同而改變。實際工程中的空化現(xiàn)象與液體的汽化壓強有關，變。實際工程中的空化現(xiàn)象與液體的汽化壓強有關，需要注意。需要注意。綜上所述，流體的慣性、重力特性和粘滯性對綜上所述，流體的慣性、重力特性和粘滯性對流體運動有重要