流體力學(xué)Char01緒論20120906(第1講)

工程流體力學(xué)?你想知道高爾夫球飛得遠(yuǎn)應(yīng)表面光滑還是粗糙嗎？?你想知道汽車阻力來至前部還是尾部嗎？?你想知道機(jī)翼升力來至下部還是上部嗎？?你想知道房屋屋頂為什么會(huì)被風(fēng)掀起嗎？?你想知道………———請(qǐng)學(xué)習(xí)工程流體力學(xué)Colorcontoursoftheinstantaneousvorticitymagnitudein

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offlowoveracylinderatRe=300強(qiáng)/臺(tái)風(fēng)災(zāi)害鏈風(fēng)雨土木建筑動(dòng)力災(zāi)變強(qiáng)/臺(tái)風(fēng)四川都江堰大型引水樞紐，建于公元前256~251年，是世界歷史上最長(zhǎng)的無壩引水工程。以灌溉為主，兼有防洪、水運(yùn)、供水等多種效益，一直沿用至今。魚嘴內(nèi)江外江飛沙堰寶瓶口三峽工程樞紐布置水利樞紐工程：江河湖海上為有效利用水利資源而集中興建的各種水工建筑物(是一個(gè)綜合體的總稱)參考書《工程流體力學(xué)》，李玉柱，賀五洲，清華大學(xué)出版社，2006.禹華謙編著，工程流體力學(xué)新型習(xí)題集，天津大學(xué)出版社，2006.《工程流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)》，高迅等編，西南交通大學(xué)出版社，2004.《流體力學(xué)》，V.LStreeter、E.BWylie著，周均長(zhǎng)等譯，高等教育出版社，1988.《流體力學(xué)與流體機(jī)械》，柯葵，同濟(jì)大學(xué)出版社，2009.

目錄第1章緒論第2章流體靜力學(xué)第3章流體動(dòng)力學(xué)理論基礎(chǔ)第4章量綱分析與相似原理第5章流動(dòng)阻力與水頭損失第6章孔口、管嘴及有壓管流第7章明渠恒定流動(dòng)第8章堰流第9章滲流高爾夫球表面為什么有很多小凹坑？最早的高爾夫球現(xiàn)在的高爾夫球高爾夫球表面之所以設(shè)計(jì)有許多小凹坑，其目的是讓高爾夫球飛得更遠(yuǎn)。統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，一顆表面平滑的高爾夫球，經(jīng)職業(yè)選手擊出后，飛行距離大約只是表面有凹坑的高爾夫球的一半。為了找出最佳發(fā)射條件，高爾夫產(chǎn)業(yè)的工程師和科學(xué)家對(duì)球桿和球之間的撞擊進(jìn)行了深入的研究。撞擊通常只維持1/2000秒，它決定了球的速度、發(fā)射角以及球體的自旋速度。接著，球的飛行軌跡會(huì)受到重力以及空氣動(dòng)力學(xué)的影響。因此，空氣動(dòng)力學(xué)的最佳化設(shè)計(jì)便成為讓高爾夫球飛得遠(yuǎn)的關(guān)鍵?？諝鈱?duì)于任何在其中運(yùn)動(dòng)的物體，包括高爾夫球，都會(huì)施加作用力。把你的手伸出行駛中的車外，可以很容易地說明這個(gè)現(xiàn)象。空氣動(dòng)力學(xué)家把這個(gè)力分成兩部分：升力及阻力。阻力的作用方向與運(yùn)動(dòng)方向相反，而升力的作用方向則朝上。高爾夫球表面的小凹坑可以減少空氣的阻力，增加球的升力。高爾夫球表面為什么有很多小凹坑？一顆高速飛行的高爾夫球，其前方會(huì)有一高壓區(qū)。空氣流經(jīng)球的前緣再流到后方時(shí)會(huì)與球體分離。同時(shí)，球的后方會(huì)有一個(gè)紊流尾流區(qū)，在此區(qū)域氣流起伏擾動(dòng)，導(dǎo)致后方的壓力較低。尾流的范圍會(huì)影響阻力的大小。通常說來，尾流范圍越小，球體后方的壓力就越大，空氣對(duì)球的阻力就越小。小凹坑可使空氣形成一層緊貼球表面的薄薄的紊流邊界層，使得平滑的氣流順著球形多往后走一些，從而減小尾流的范圍。因此，有凹坑的球所受的阻力大約只有平滑圓球的一半。小凹坑也會(huì)影響高爾夫球的升力。一個(gè)表面不平滑的回旋球，會(huì)像飛機(jī)機(jī)翼般偏折氣流以產(chǎn)生升力。球的自旋可使球下方的氣壓比上方高，這種不平衡可以產(chǎn)生往上的推力。高爾夫球的自旋大約提供了一半的升力。另外一半則是來自小凹坑，它可以提供最佳的升力。大多數(shù)的高爾夫球有300～500個(gè)小凹坑，每個(gè)坑的平均深度約為0.025厘米。阻力及升力對(duì)凹坑的深度很敏感：即使只有0.0025厘米這么小的差異，也可以對(duì)軌跡和飛行距離造成很大的影響。小凹坑通常是圓形的，但其他的形狀也可以有極佳的空氣動(dòng)力性能，例如某些公司生產(chǎn)的高爾夫球采用的是六角形。高爾夫球表面為什么有很多小凹坑？汽車阻力來自前部還是后部？汽車發(fā)明于19世紀(jì)末，當(dāng)時(shí)人們認(rèn)為汽車的阻力主要來自前部對(duì)空氣的撞擊，因此早期的汽車后部是陡峭的，稱為箱型車，阻力系數(shù)CD很大，約為0.8。

實(shí)際上汽車阻力主要來自后部形成的尾流，稱為形狀阻力。20世紀(jì)30年代起，人們開始運(yùn)用流體力學(xué)原理改進(jìn)汽車尾部形狀，出現(xiàn)甲殼蟲型，阻力系數(shù)降至0.6。20世紀(jì)50－60年代改進(jìn)為船型，阻力系數(shù)為0.45。80年代經(jīng)過風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)研究后，又改進(jìn)為魚型，阻力系數(shù)為0.3。以后進(jìn)一步改進(jìn)為楔型，阻力系數(shù)為0.2。90年代后，科研人員研制開發(fā)的新型汽車，阻力系數(shù)僅為0.137。經(jīng)過近80年的研究改進(jìn)，汽車阻力系數(shù)從0.8降至0.137，阻力減小為原來的1/5。

目前，在汽車外形設(shè)計(jì)中流體力學(xué)性能研究已占主導(dǎo)地位，合理的外形使汽車具有更好的動(dòng)力學(xué)性能和更低的耗油率。第一章 緒論§1-1

概述§1-2

流體的連續(xù)介質(zhì)模型§1-3

流體的主要物理性質(zhì)§1-4

作用在流體上的力第一章 緒論一、本章學(xué)習(xí)要點(diǎn):工程流體力學(xué)的任務(wù)流體的連續(xù)介質(zhì)模型流體的主要物理性質(zhì):慣性、粘性、壓縮性和表面張力特性作用在流體上的力：表面力和質(zhì)量力二、本章重點(diǎn)掌握:流體的主要物理性質(zhì)作用在流體上的力§1-1

概述一、自然界物質(zhì)存在的主要形式

自然界物質(zhì)存在的主要形式有:固體、流體(包括液體和氣體）.1.流體和固體的區(qū)別(1).從表觀看，固體具有固定的形狀，不易流動(dòng)；流體則隨盛器而方圓，且易流動(dòng).(2).從力學(xué)分析的角度看，在于兩者對(duì)外力抵抗的能力不同.固體：可以承受拉力、壓力和剪力.流體：幾乎不能承受拉力；靜止流體還不能承受剪力.氣體易于壓縮；液體難于壓縮.液體具有一定的體積，并可形成自由表面；氣體可充滿任何容器，但無一定體積，也不能形成自由表面.2.液體和氣體的區(qū)別二、流體力學(xué)的分類理論流體力學(xué)：側(cè)重于理論方面的研究，主要采用數(shù)學(xué)推理方法，力求嚴(yán)密性和準(zhǔn)確性.工程流體力學(xué)：側(cè)重于解決工程實(shí)際中出現(xiàn)的問題，不追求數(shù)學(xué)上的嚴(yán)密性.1.按研究?jī)?nèi)容的側(cè)重點(diǎn)分古典流體力學(xué)：在古典力學(xué)的基礎(chǔ)上，運(yùn)用嚴(yán)密的數(shù)學(xué)分析方法，建立有關(guān)流體的基本方程，但理論中有些假設(shè)與實(shí)際不盡相符.實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)：依靠實(shí)驗(yàn)方法制定一些經(jīng)驗(yàn)公式，以滿足工程需要，但有些公式缺乏理論基礎(chǔ).現(xiàn)代流體力學(xué)：理論分析與實(shí)驗(yàn)方法相結(jié)合，理論與實(shí)驗(yàn)并重.2.按學(xué)科發(fā)展分三、工程流體力學(xué)的研究任務(wù)學(xué)科屬性：工程流體力學(xué)為工程力學(xué)的分支學(xué)科.課程性質(zhì)：工程流體力學(xué)是土建類各專業(yè)的一門重要技術(shù)基礎(chǔ)課.研究任務(wù)：研究流體平衡和機(jī)械運(yùn)動(dòng)規(guī)律及其實(shí)際應(yīng)用.研究?jī)?nèi)容：包括基礎(chǔ)理論和實(shí)際應(yīng)用的研究.其中:流體靜力學(xué)理論流體動(dòng)力學(xué)理論流體實(shí)驗(yàn)分析理論流體阻力與水頭損失理論1.基礎(chǔ)理論方面的研究有有壓管道水力計(jì)算明渠水力計(jì)算堰、閘（孔）、橋、涵水力計(jì)算工程滲流計(jì)算2.實(shí)際應(yīng)用方面的研究有四、工程流體力學(xué)的研究方法一般有理論分析、實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值模擬三種.理論分析：通過運(yùn)用數(shù)學(xué)方法求解理論模型來揭示流體運(yùn)動(dòng)的規(guī)律.但許多實(shí)際問題尚難以從數(shù)學(xué)上精確求解.實(shí)驗(yàn)研究：通過對(duì)具體流動(dòng)的觀測(cè)來認(rèn)識(shí)流體運(yùn)動(dòng)的規(guī)律.實(shí)驗(yàn)樓(146m)及其周圍環(huán)境臺(tái)風(fēng)“凡亞比”路徑風(fēng)壓傳感器粘貼于建筑表面的前端壓力傳感器數(shù)據(jù)采集現(xiàn)場(chǎng)數(shù)值模擬（或稱數(shù)值實(shí)驗(yàn)）：通過運(yùn)用數(shù)值方法將理論模型離散成數(shù)值模型，用計(jì)算機(jī)求解數(shù)值模型來揭示流體運(yùn)動(dòng)的規(guī)律.五、流體力學(xué)在土木工程中的應(yīng)用流體力學(xué)在土木工程中有著廣泛的應(yīng)用.市政工程：城市給排水管網(wǎng)設(shè)計(jì)；城市防洪工程設(shè)計(jì)；取水工程、凈水工程設(shè)計(jì)等.確定水力荷載FFF供熱通風(fēng)設(shè)計(jì)熱的效應(yīng)空氣的調(diào)節(jié)燃?xì)獾妮斉渑哦九艥癯龎m降溫的計(jì)算等鳥瞰北京-城市熱島效應(yīng)交通土建工程：路基、站場(chǎng)排水設(shè)計(jì)；橋涵孔徑水力設(shè)計(jì)；隧道及地下工程通風(fēng)及排水設(shè)計(jì)；高速鐵(公)路隧道洞形設(shè)計(jì)等.建筑工程：室內(nèi)給排水設(shè)計(jì)；地基降水及抗?jié)B設(shè)計(jì)等.輸運(yùn)工程輸運(yùn)工程其他方面：艦艇、船舶、飛機(jī)、汽車等人民海軍裝備的俄制基洛級(jí)潛艇飛行器在速度達(dá)到音速左右時(shí)，會(huì)有一股強(qiáng)大的阻力，使飛行器產(chǎn)生強(qiáng)烈的振蕩，速度衰減。這一現(xiàn)象被俗稱為音障。當(dāng)飛行器突破這一障礙后，整個(gè)世界都安靜了，一切聲音全被拋在了身后！那個(gè)白的東西，就是在突破音障的一瞬間，由于空氣氣流的不均衡攪動(dòng)產(chǎn)生的，一般情況下看不到?！?-2

流體的連續(xù)介質(zhì)模型微觀：流體是由大量做無規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)的分子所組成，分子間存有空隙，物理量在空間和時(shí)間上都是不連續(xù)的.但在標(biāo)準(zhǔn)狀況下，1cm3液體含有3.3×1022個(gè)分子，分子間距離為3.1×10-8cm；1cm3氣體含有2.7×1019個(gè)分子.分子間距離為3.2×10-7cm.宏觀：一般工程中，所研究流體的空間尺度和時(shí)間尺度要比分子距離和分子碰撞時(shí)間大得多.連續(xù)介質(zhì)：質(zhì)點(diǎn)連續(xù)地充滿所占空間的流體和固體.流體的連續(xù)介質(zhì)模型：把流體視為沒有間隙地充滿其所占空間的連續(xù)介質(zhì)，且其所有物理量都是空間坐標(biāo)和時(shí)間變量的連續(xù)函數(shù)的一種假設(shè)模型.1.定義避免了流體分子運(yùn)動(dòng)的復(fù)雜性.物理量作為時(shí)空連續(xù)函數(shù)，則可利用高等數(shù)學(xué)中連續(xù)函數(shù)分析方法研究流體流動(dòng)問題.2.優(yōu)點(diǎn)§1-3

流體的主要物理性質(zhì)流體與固體一樣，也具有慣性.質(zhì)量是慣性大小的度量.一、慣性

水的密度常用值：ρ=1000kg/m3.水銀的密度常用值：ρ=13600kg/m3.密度:單位體積流體的質(zhì)量.SI單位為kg/m3.二、粘性（粘滯性）粘性：流體在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下抵抗剪切變形的性質(zhì).1.牛頓平板實(shí)驗(yàn)當(dāng)h和u不是很大時(shí)，兩平板間沿y方向的流速呈線性分布，即實(shí)驗(yàn)表明，對(duì)于大多數(shù)流體，存在2.牛頓內(nèi)摩擦定律引入比例系數(shù)μ，則得著名的牛頓內(nèi)摩擦定律：粘性的大小由粘度來度量.流體的粘度是由流體流動(dòng)的內(nèi)聚力和分子的動(dòng)量交換引起的.（1）粘度1）粘度系數(shù)動(dòng)力粘度μ：SI單位為N·s/m2或Pa·s

運(yùn)動(dòng)粘度ν（nunju

）：SI單位為m2/s.其計(jì)算式：流體的種類：主要影響因素.一般在相同條件下，液體的粘度大于氣體的粘度.壓強(qiáng)：對(duì)常見流體，如水、氣體等，影響不大，一般可忽略不計(jì).2）粘度的影響因素溫度：主要影響因素.當(dāng)溫度升高時(shí)，液體的粘度減小，氣體的粘度增大.液體：內(nèi)聚力是產(chǎn)生粘度的主要因素.溫度分子間距分子吸引力內(nèi)摩擦力粘度氣體：分子熱運(yùn)動(dòng)引起的動(dòng)量交換是產(chǎn)生粘度的主要因素.溫度分子熱運(yùn)動(dòng)動(dòng)量交換內(nèi)摩擦力粘度數(shù)學(xué)上：為沿流體運(yùn)動(dòng)法線方向的流速梯度.物理上：為運(yùn)動(dòng)流體相鄰兩流層的剪切變形速率.（2）的含義*故牛頓內(nèi)摩擦定律又可以寫成：證明：如圖所示3.牛頓流體與非牛頓流體牛頓流體：符合牛頓內(nèi)摩擦定律的流體.如水、空氣、汽油和水銀等.非牛頓流體：不符合牛頓內(nèi)摩擦定律的流體.如泥漿、血漿、新拌水泥砂漿、新拌混凝土等.實(shí)際流體：具有粘性的流體（μ≠0）.粘性是流體的固有屬性.理想流體：忽略粘性的流體（μ=0），為研究方便引入的假想流體.平衡流體（）或理想流體（μ=0）均不產(chǎn)生切應(yīng)力，即τ=0.4.實(shí)際流體與理想流體三、壓縮性壓縮性：流體的宏觀體積隨著作用壓強(qiáng)的增大而減小的性質(zhì).1.體積壓縮系數(shù)（kappakap）2.體積彈性模量 實(shí)際流體都是可壓縮的.液體的壓縮性很小，如水的相對(duì)壓縮值約1/20000.故一般工程設(shè)計(jì)中，認(rèn)為水的壓縮可以忽略，其密度可視為常數(shù).當(dāng)藥水從瓶口滴出時(shí)，先在瓶口處形成一個(gè)小水珠，當(dāng)你再用力按一下時(shí)，藥水就滴出來了。這個(gè)小水珠是因?yàn)樗砻鎻埩Φ淖饔枚纬傻?。下面這個(gè)小實(shí)驗(yàn)也能演示給你看，什么是水的表面張力。橡皮吸管1支、透明塑料紙1張、報(bào)紙1張、凈水1瓶。四、表面張力特性3．現(xiàn)在觀察一下，滴在塑料紙上的水滴形成一個(gè)小小的水珠。為什么會(huì)形成小水珠，你能說出其中的道理嗎？4．透過這個(gè)小水珠往報(bào)紙上看，你將會(huì)看到報(bào)紙上的小字被放大了，這又是為什么呢？實(shí)驗(yàn)方法1．把報(bào)紙平攤在桌面上，把透明塑料紙放在報(bào)紙的上面。要求塑料紙要平整，能清楚地看到報(bào)紙上的字。2．用橡皮吸管在裝有凈水的瓶?jī)?nèi)吸一點(diǎn)水，再小心地在塑料紙上滴一滴水，要水滴越小越好。四、表面張力特性1.表面張力現(xiàn)象雨后水滴在枝頭懸而不滴落；細(xì)管中的液體自動(dòng)上升或下降一個(gè)高度（毛細(xì)管現(xiàn)象）；Bug-water水面漫步而不下沉.傳說中的凌波微步？2.表面張力：液體表面由于分子引力大于斥力而在表層沿表面方向產(chǎn)生的拉力.3.表面張力系數(shù)：自由表面內(nèi)單位長(zhǎng)度上所受的表面張力，SI單位為N/m.§1-4

作用在流體上的力在工程流體力學(xué)中，一般將作用在流體上的力分為表面力和質(zhì)量力兩類.1.表面力(接觸力)：作用在流體隔離體表面上，其大小與作用面積成正比. 2.質(zhì)量力(體積力)：作用在流體隔離體內(nèi)每個(gè)流體微團(tuán)上，其大小與流體質(zhì)量成正比.如重力、慣性力等.[例1]如圖所示，若作用在流體上的質(zhì)量力只有重力，試求相應(yīng)的單位質(zhì)量力.[解]質(zhì)量力在各坐標(biāo)軸上的分量為：?jiǎn)挝毁|(zhì)量力在各坐標(biāo)軸上的分量為：A、流體的分子；

B、流體內(nèi)的固體顆粒；C、幾何的點(diǎn)；D、幾何尺寸同流動(dòng)空間相比是極小量,又含有大量分子的微元體?！纠?】按連續(xù)介質(zhì)的概念，流體質(zhì)點(diǎn)是指？【例3】理想流體的特征是？

A、

粘度是