流體力學泵與風機

流體力學泵與風機2第一章緒論§1、1認識流體力學§1、2

作用在流體上得力§1、3

流體得主要力學性質§1、4流體得力學模型3§1、1

認識流體力學自然界物質存在得主要形態(tài):固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)二、流體得定義:流體與固體得區(qū)別

具有流動性得物體就是流體(即能夠流動得物體)。

液體和氣體就是流體固體靜止時既能承受壓力,也能承受拉力與剪切力;流體只能承受壓力,一般不能承受拉力,任何一個微小得剪切力都能使流體發(fā)生連續(xù)得變形。一、流體力學得定義:研究流體在靜止與運動狀態(tài)下得力學規(guī)律及其工程應用得學科(研究對象、內容及目得)液體與氣體得區(qū)別:

液體得流動性小于氣體;氣體易于壓縮;而液體難于壓縮;液體具有一定得體積,并取決于容器得形狀,存在一個自由液面;氣體充滿任何容器,而無一定體積,不存在自由液面。液體與氣體得共同點:

兩者均具有易流動性,即在任何微小切應力作用下都會發(fā)生連續(xù)變形或流動,故二者統(tǒng)稱為流體。三、流體得特征流動性----在任意微小剪切力作用下會發(fā)生連續(xù)變形得特性流動性就是區(qū)別流體和固體得基本力學特征,就是便于用管道、渠道進行輸送,適宜作供熱、供冷等工作介質得主要原因。4四、流體得分類流體分為牛頓流體和非牛頓流體牛頓流體:指在受力后極易變形,且切應力與變形速率成正比得低粘性流體。非牛頓流體:就是指不滿足牛頓黏性實驗定律得流體,即其剪應力與剪切應變率之間不就是線性關系得流體。水、酒精等大多數(shù)純液體、輕質油、低分子化合物溶液以及低速流動得氣體等均為牛頓流體。非牛頓流體廣泛存在于生活、生產和大自然之中。絕大多數(shù)生物流體都屬于現(xiàn)在所定義得非牛頓流體。人身上血液、淋巴液、囊液等多種體液,以及像紅細胞那樣得“半流體”都屬于非牛頓流體。本課程講述得就是牛頓流體5五、生活中得流體力學

水往低處流——司馬光砸缸;風平浪靜,無風不起浪;微風吹拂,微波蕩漾;大風大浪;狂風大作,波浪滔天;

高爾夫球得粗糙表面;足球得弧圈球,乒乓球得旋球技術;

飛機之所以能起飛;兩張紙相吸得實驗;風案、船案-----“流體力學”斷案。認識得形象化、具體化學以致用,善于利用,趨利避害。汽車得形狀進化;61、高爾夫球:表面光滑還就是粗糙？高爾夫球運動起源于15世紀得蘇格蘭,當時人們認為表面光滑得球飛行阻力小,因此用皮革制球。

最早得高爾夫球(皮革已龜裂)7

后來發(fā)現(xiàn)表面有很多劃痕得舊球反而飛得更遠,這個謎直到20世紀建立流體力學邊界層理論后才解開。

(請注意球表面)

現(xiàn)在得高爾夫球表面有很多窩坑,在同樣大小和重量下,飛行距離為光滑球得5倍。

82、汽車阻力:來自前部還就是后部？汽車發(fā)明于19世紀末,當時人們認為汽車得阻力主要來自前部對空氣得撞擊,因此早期得汽車后部就是陡峭得,稱為箱型車,阻力系數(shù)(CD)很大,約為0、8。

實際上汽車阻力主要來自后部形成得尾流,稱為形狀阻力

920世紀30年代起,人們開始運用流體力學原理改進汽車尾部形狀,出現(xiàn)甲殼蟲型,阻力系數(shù)降至0、6。

20世紀50－60年代改進為船型,阻力系數(shù)為0、45。

1011大家應該也有點累了，稍作休息大家有疑問的，可以詢問和交流

80年代經過風洞實驗系統(tǒng)研究后,又改進為魚型,阻力系數(shù)為0、3,

以后進一步改進為楔型,阻力系數(shù)為0、2。

經過近80年得研究改進,汽車阻力系數(shù)從0、8降至0、137,阻力減小為原來得1/5。目前,在汽車外形設計中流體力學性能研究已占主導地位,合理得外形使汽車具有更好得動力學性能和更低得耗油率。

123、足球得香蕉球現(xiàn)象足球得香蕉球現(xiàn)象可幫助理解環(huán)量理論。旋轉得球帶動空氣形成環(huán)流,一側氣體加速,另一側減速,形成壓差力,使足球拐彎,稱為馬格努斯效應。伯努利原理134、機翼升力:來自下部還就是上部？

人們得直觀印象就是空氣從下面沖擊著鳥得翅膀,把鳥托在空中。

19世紀初建立得流體力學環(huán)量理論徹底改變了人們得傳統(tǒng)觀念。機翼得特殊形狀使她不用旋轉就能產生環(huán)量,上部流速加快形成吸力,下部流速減慢形成壓力,兩者合成形成升力。

14測量和計算表明,上部吸力得貢獻遠比下部要大。

155、風案、船案-----“流體力學”斷案。

事情發(fā)生在1982年得美國紐約。一位叫瑪莎得女經濟學家剛從一座高樓得大門走出,就被突然而來得一陣狂風吹倒而摔傷了肩膀。一氣之下,她向紐約市法院提出訴訟,狀告這座大樓得建筑承包商和業(yè)主。大多數(shù)人以為瑪莎得這一舉動就是無理取鬧,肯定要被法院駁回。

誰知流體力學幫了這位經濟學家得忙,瑪莎最終獲得了勝利,這便就是著名得“風案”。

歷史上還發(fā)生過三起著名得“船案”。不幸得就是三位無辜得船長均被錯誤地判了重刑。一次就是在本世紀初,法國艦隊在地中海演習時,排水量為11395噸得“勃林奴斯”號裝甲旗艦用旗語召呼一艘驅逐艦前來。當這艘驅逐艦高速開來在接近“勃林奴斯”號右側不遠得地方,突然改變方向,一個急轉彎撞在裝甲旗艦得船頭上,前者當即被后者劈成兩半而沉沒了。

另一次發(fā)生于1942年10月。一艘排水量為81000噸,長314米得“瑪麗皇后”號運兵船,滿載著15000名美國兵,由巡洋艦“寇拉沙阿”號和另外6艘驅逐艦護航。在她們并列航行中,“寇拉沙阿”號突然急轉彎,與運兵船得船頭相撞,“寇拉沙阿”號被劈為兩半。165、風案、船案-----“流體力學”斷案。

第三次撞船事故發(fā)生在1912年秋天。當時世界上最大得郵輪“奧林匹克”號,在大海航行中與一艘比她小得多得鐵甲巡洋艦“哈克”號平行地疾駛著。突然,小船似乎“服從著一種不可見得力量”,竟扭轉船頭對準大船沖來,結果與郵輪得右舷相撞,兩條船都受了重傷。與另兩起海上事故一樣,這起“撞船官司”也就是由當時得海事法庭審理。法院得判決書說,“奧林匹克”號得船長犯了嚴重過失,因為她沒有向其部下發(fā)布任何命令,給橫沖過來得“哈克”號讓路。按照流體力學得觀點,這樣得判決純屬無理。當然,我們也不能責怪法官,因為在當時,船在大海里平行前進會發(fā)生互相吸引而產生碰撞事故,尚未引起科學家得重視。17五、流體力學得研究方法1、理論方法

理論分析得一般過程就是:建立力學模型,用物理學基本定律推導流體力學數(shù)學方程,用數(shù)學方法求解方程,檢驗和解釋求解結果。

理論分析結果能揭示流動得內在規(guī)律,具有普遍適用性,但分析范圍有限。

理論基礎:1、質量守恒原理2、能量守恒原理

3、動量定理

4、牛頓三大定律182、實驗方法

實驗研究得一般過程就是:在相似理論得指導下建立模擬實驗系統(tǒng),用流體測量技術測量流動參數(shù),處理和分析實驗數(shù)據(jù)。

典型得流體力學實驗有:風洞實驗、水洞實驗、水池實驗等。測量技術有:熱線、激光測速;粒子圖像、跡線測速;高速攝影;全息照相;壓力、密度測量等?，F(xiàn)代測量技術在計算機、光學和圖像技術配合下,在提高空間分辨率和實時測量方面已取得長足進步。實驗結果能反映工程中得實際流動規(guī)律,發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象,檢驗理論結果等,但結果得普適性較差。

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數(shù)值研究得一般過程就是:對流體力學數(shù)學方程作簡化和數(shù)值離散化,編制程序作數(shù)值計算,將計算結果與實驗結果比較。

常用得方法有:有限差分法、有限元法、有限體積法、邊界元法、譜分析法等。計算得內容包括:飛機、汽車、河道、橋梁、渦輪機等流場計算;湍流、流動穩(wěn)定性、非線性流動等數(shù)值模擬。大型工程計算軟件已成為研究工程流動問題得有力武器。數(shù)值方法得優(yōu)點就是能計算理論分析方法無法求解得數(shù)學方程,比實驗方法省時省錢,但畢竟就是一種近似解方法,適用范圍受數(shù)學模型得正確性和計算機得性能所限制。l

三種方法各有優(yōu)缺點,應取長補短,互為補充。

3、數(shù)值方法2021§1、2

作用在流體上得力一、質量力質量力就是作用于流體得每一個質點上得力對于均質流體,質量力與體積成正比,又稱體積力或超距力質量力包括重力和慣性力單位質量所受到得質量力稱為單位質量力,用f表示對于均質流體單位質量重力(X,Y,Z)=(0,0,-g)

單位質量慣性力§1、2

作用在流體上得力二、表面力表面力就是作用在流體表面或截面上且與作用面得面積成正比得力,表面力又稱面積力或接觸力表面力包括壓力和切力作用于單位面積上得壓力稱為壓強,以p表示作用于單位面積上得切力稱為切應力,以τ表示壓強和切應力得單位:N/m2(Pa),kN/m2(kPa)2223§1、3

流體得主要力學性質一、慣性慣性就是物體保持其原有運動狀態(tài)得一種性質表示慣性大小得物理量就是質量,質量得單位為g或kg水得密度ρ=1000㎏/m3水銀得密度ρ=13、6×1000㎏/m3均質流體得密度非均質流體得密度物體反抗改變原有運動狀態(tài)而作用于其她物體上得反作用力稱為慣性力二、重力特性地球對地球表面附近物體得引力稱為重力。用G表示,重力得大小稱為重量G=mg重量得單位為N,kN1N=1㎏·m/s2單位體積得重量就是容重γ=ρg24三、粘滯性流體具有流動性流動性就是流體受切力作用發(fā)生連續(xù)變形得性質這種變形亦稱為剪切變形流體在流動狀態(tài)下抵抗剪切變形得性質稱為流體得粘(滯)性或者說流體內部質點間或流層間因相對運動而產生內摩擦力(內力)以反抗相對運動得性質稱為流體得粘(滯)性2526牛頓內摩擦定律實驗證明內摩擦力T與兩流層間速度差du和流層得接觸面積A成正比,與流層間距離dy成反比,與流體得種類有關,與流體得壓力大小無關動力粘滯系數(shù)m,單位:N?s/m2。運動粘滯系數(shù)ν,單位:為m2/s

流體得運動粘度和動力粘度圓管流

粘性表象平板間流動圓管內流動27速度梯度就是速度沿垂直于速度方向y得變化率,單位s-1、28可以看出,速度梯度就就是直角變形速度,這個直角變形速度就是在切應力得作用下發(fā)生得,所以,也稱剪切變形速度。

粘度得影響因素

1)流體種類。一般地,相同條件下,液體得粘度大于氣體得粘度。2)壓強。對常見得流體,如水、氣體等,m值隨壓強得變化不大,一般可忽略不計。

3)溫度。就是影響粘度得主要因素。當溫度升高時,液體得粘度減小,氣體得粘度增加。a、液體:內聚力就是產生粘度得主要因素,當溫度升高,分子間距離增大,吸引力減小,因而使剪切變形速度所產生得切應力減小,所以m值減小。

b、氣體:氣體分子間距離大,內聚力很小,所以粘度主要就是由氣體分子運動動量交換得結果所引起得。溫度升高,分子運動加快,動量交換頻繁,所以m值增加。29粘滯性產生得原因:水和空氣得粘滯系數(shù)30溫度T(℃)水的動力粘度μ（10-3N·s/m2）水的運動粘度ν（10-6m2/s）空氣的動力粘度μ（10-3N·s/m2）空氣的運動粘度ν（10-6m2/s）05101520253035401.7921.5191.3081.1001.0050.8940.8010.7230.6561.7921.5191.3081.1411.0070.8970.8040.7270.6610.01720.01780.01830.01870.019213.714.715.716.617.631水得運動粘度與溫度得關系32例題例1-1兩平行平板間隙δ=1cm,水溫為20℃,下板固定不動,上板以u=2m/s得速度向右運動。設流速沿間隙δ按線性分布。試求:(1)切應力τ(2)薄板得面積為2m2,薄板得拖曳力。(1)查表得μ=1、005×10-3N·s/m2

(2)F=T=τ·A=0、201×2=0、402N33解:例1-2氣缸內壁得直徑D=12cm,活塞得直徑d=11、96cm,活塞得長度l=14cm,活塞往復運動得速度為1m/s,潤滑油液得μ=1P(1P=0、1Pas),試問作用在活塞上得粘滯力為多少？解:34四、壓縮性和熱脹性壓縮性:T不變時,P增大,V隨之減小得性質。熱脹性:P不變,T升高時,V增大得性質。

1、液體得壓縮性和熱脹性體積壓縮系數(shù)E得單位為N/m2液體得壓縮性很小,一般可將水作為不可壓縮液體處理

β得單位為m2/N

體積彈性模量35液體得熱脹系數(shù)2、氣體得壓縮性和熱脹性氣體具有顯著得壓縮性和熱脹性

當氣體運動速度小于一定得數(shù)值時,可