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文檔簡介
第一章導(dǎo)
論第一節(jié)課程概述流體力學(xué):力學(xué)的一個(gè)獨(dú)立分支。1738年伯努利出版他的專著時(shí),首先采用了水動(dòng)力學(xué)這個(gè)名詞并作為書名;1880年前后出現(xiàn)了空氣動(dòng)力學(xué)這個(gè)名詞;1935年以后,人們概括了這兩方面的知識,建立了統(tǒng)一的體系,統(tǒng)稱為流體力學(xué)。研究對象:流體。受到任何微小剪切力的作用都能導(dǎo)致其連續(xù)變形的物質(zhì)。包括液體和氣體。液體:無形狀,有一定的體積;不易壓縮,存在自由面。氣體:既無形狀,也無體積,易于壓縮。研究任務(wù):研究流體平衡和運(yùn)動(dòng)規(guī)律以及流體和周圍物體之間的相互作用。學(xué)時(shí)數(shù):48=44(理論課)+4(實(shí)驗(yàn)課)課程性質(zhì):技術(shù)基礎(chǔ)課流體力學(xué)與工程熱力學(xué)、傳熱學(xué)一起構(gòu)成了熱能工程專業(yè)的三門主要專業(yè)基礎(chǔ)課。所有后續(xù)的專業(yè)課程,都是這三門課程的綜合和實(shí)際的應(yīng)用。學(xué)好這三門課程,對熱能工程專業(yè)學(xué)生,尤為重要。課程要求:考試課。課堂教學(xué):自學(xué)=1:1工程應(yīng)用航空航天航海
船舶運(yùn)動(dòng)浮標(biāo)
海洋平臺(tái)
潛器
工程應(yīng)用流體力學(xué)也是眾多應(yīng)用科學(xué)和工程技術(shù)的基礎(chǔ)。由于空氣動(dòng)力學(xué)的發(fā)展,人類研制出2-3倍聲速的戰(zhàn)斗機(jī)。利用超高速氣體動(dòng)力學(xué),物理化學(xué)流體力學(xué)和稀薄氣體力學(xué)的研究成果,人類制造出航天飛機(jī),建立太空站,實(shí)現(xiàn)了人類登月的夢想。排水量達(dá)50萬噸以上的超大型運(yùn)輸船;航速達(dá)30節(jié),深潛達(dá)數(shù)百米的核動(dòng)力潛艇;21世紀(jì)人類面臨許多重大問題的解決,需要流體力學(xué)的進(jìn)一步發(fā)展,它們涉及人類的生存和生活質(zhì)量的提高。全球氣象預(yù)報(bào);(衛(wèi)星云圖)大型水利樞紐工程,超高層建筑,大跨度橋梁等的設(shè)計(jì)和建造離不開水力學(xué)和風(fēng)工程。流體力學(xué)需要與其他學(xué)科交叉,如工程學(xué),地學(xué),天文學(xué),物理學(xué),材料科學(xué),生命科學(xué)等,在學(xué)科交叉中開拓新領(lǐng)域,建立新理論,創(chuàng)造新方法。毛細(xì)血管流動(dòng)幾個(gè)概念和問題人類長期生活在空氣和水環(huán)境中,但對一些流體運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象卻缺乏認(rèn)識,現(xiàn)舉三例。1.高爾夫球:表面光滑還是粗糙?高爾夫球起源于15世紀(jì)的蘇格蘭,當(dāng)時(shí)認(rèn)為表面光滑的球飛行阻力小,用皮革制球。后來發(fā)現(xiàn)表面有很多劃痕的舊球飛得更遠(yuǎn),這個(gè)謎直到20世紀(jì)建立流體力學(xué)邊界層理論后才解開?,F(xiàn)在的高爾夫球表面有很多窩坑,在同樣大小和重量下,飛行距離為光滑球的5倍。幾個(gè)概念和問題2.魚雷3.汽車阻力:(1)觀念變遷:空氣對前部的撞擊→汽車尾流;(2)摩擦阻力和壓差阻力:(3)外形的變遷:阻力系數(shù)越來越小→省油。幾個(gè)概念和問題汽車發(fā)明于19世紀(jì)末,當(dāng)時(shí)認(rèn)為阻力主要來自前部對空氣的撞擊,因此早期的汽車后部是陡峭的,稱為箱型車,阻力系數(shù)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。幾個(gè)概念和問題用流體力學(xué)原理不斷進(jìn)行改進(jìn)。20世紀(jì)30年代起,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,Cd=0.45Cd=0.3用流體力學(xué)原理不斷進(jìn)行改進(jìn)。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)的未來型汽車,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。Cd=0.2Cd=0.1373
汽車阻力汽車發(fā)明于19世紀(jì)末,當(dāng)時(shí)認(rèn)為阻力主要來自前部對空氣的撞擊,因此早期的汽車后部是陡峭的,稱為箱型車,阻力系數(shù)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)的未來型汽車,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。研究方法流體力學(xué)的研究方法分三個(gè)方面。理論分析方法一般過程是:建立力學(xué)模型,用物理學(xué)基本定律推導(dǎo)流體力學(xué)數(shù)學(xué)方程,用數(shù)學(xué)方法求解方程,檢驗(yàn)和解釋求解結(jié)果。目前流體力學(xué)理論研究的主攻方向是:湍流、流動(dòng)穩(wěn)定性、渦運(yùn)動(dòng)、水動(dòng)力學(xué)、水波動(dòng)力學(xué)、復(fù)雜流動(dòng)、多相流動(dòng)等。理論分析結(jié)果能揭示流動(dòng)的內(nèi)在規(guī)律,具有普遍適用性,但分析范圍有限。湍斑泰勒渦機(jī)翼渦系實(shí)驗(yàn)方法實(shí)驗(yàn)研究的一般過程是:在相似理論的指導(dǎo)下建立模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),用流體測量技術(shù)測量流動(dòng)參數(shù),處理和分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果能反映工程中的實(shí)際流動(dòng)規(guī)律,發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象,檢驗(yàn)理論結(jié)果等,但結(jié)果的普適性較差。數(shù)值方法數(shù)值研究的一般過程是:對流體力學(xué)數(shù)學(xué)方程作簡化和數(shù)值離散化,編制程序作數(shù)值計(jì)算,將計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較。常用的方法有:有限差分法、有限元法、有限體積法、邊界元法、譜分析法等。計(jì)算的內(nèi)容包括:飛機(jī)、汽車、河道、橋梁、渦輪機(jī)等流場計(jì)算;湍流、流動(dòng)穩(wěn)定性、非線性流動(dòng)等數(shù)值模擬。大型工程計(jì)算軟件已成為研究工程流動(dòng)問題的有力武器。數(shù)值方法的優(yōu)點(diǎn)是能計(jì)算理論分析方法無法求解的數(shù)學(xué)方程,比實(shí)驗(yàn)方法省時(shí)省錢,但畢竟是一種近似解方法,適用范圍受數(shù)學(xué)模型的正確性和計(jì)算機(jī)的性能所限制。流體的主要特征
易流動(dòng)性(力學(xué)特征,易變形)靜止?fàn)顟B(tài)的流體不能承受剪切應(yīng)力;流體只能承受壓力,不能承受拉力;液體隨其所在容器的形狀而變,氣體總能充滿它所到達(dá)的全部空間。流體的連續(xù)介質(zhì)假設(shè)1753年,歐拉(L.Euler)提出了連續(xù)介質(zhì)假設(shè),為研究流體的宏觀運(yùn)動(dòng)奠定了基礎(chǔ)。內(nèi)容:不考慮分子間存在的間隙,而把流體看作是由無數(shù)連續(xù)分布的流體微團(tuán)或質(zhì)點(diǎn)組成的連續(xù)介質(zhì)。作用與意義:
連續(xù)介質(zhì)模型的假設(shè)使表征流體屬性的物理量,如密度、壓力(壓強(qiáng))、溫度、速度、粘度、應(yīng)力等都可以看成是連續(xù)分布的,可以用時(shí)間、空間的單值連續(xù)函數(shù)來表示,從而就可以以微分方程來描述流體的平衡、運(yùn)動(dòng)規(guī)律了。流體力學(xué)在工程上的應(yīng)用(1)空氣動(dòng)力學(xué)、氣體動(dòng)力學(xué):航空:大氣層內(nèi),連續(xù)介質(zhì)力學(xué)航天:稀薄氣體動(dòng)力學(xué)(滑流、過渡流、自由分子流);等離子體潛艇、船舶:液體壓縮性小、粘性大汽車:F1—最完美的貼地飛行器
60年代,意識到空氣動(dòng)力學(xué)在賽車設(shè)計(jì)上的重要性;1968年首次出現(xiàn)了繞流翼板,開始利用繞流來控制F1,此后逐漸相信“誰掌握了空氣,誰就掌握了F1”.F1各車隊(duì)在空氣動(dòng)力學(xué)研發(fā)上的花費(fèi)占整個(gè)預(yù)算的15%,僅次于引擎。
(2)滲流力學(xué):石油天然氣、地下水、分離和過濾(3)等離子體、電磁流體力學(xué):核聚變、發(fā)電、宇宙運(yùn)動(dòng)(4)多相流體力學(xué):沙漠遷移、河流泥沙運(yùn)動(dòng)、管道輸送(5)環(huán)境流體力學(xué):風(fēng)荷載、水和大氣污染(6)生物流變學(xué):血液流動(dòng)、植物中營養(yǎng)輸送(7)天氣預(yù)報(bào)、星系螺旋運(yùn)動(dòng)、動(dòng)力機(jī)械、供暖散熱流體力學(xué)在工程上的應(yīng)用一、流體密度與重度:密度定義:單位體積的流體所具有的質(zhì)量物理意義:表示流體在空間分布的密集程度。對于均質(zhì)流體,各點(diǎn)密度相同,即:對于非均質(zhì)流體,各點(diǎn)密度不相同,在流體的空間中某點(diǎn)密度:第二節(jié)流體的主要物理特性
重度:對于均質(zhì)流體對于非均質(zhì)流體1、壓縮性:定義:在一定的溫度下,流體的體積隨壓強(qiáng)升高而縮小的性質(zhì)表示方法:體積壓縮系數(shù)β(1/Pa)二、流體的壓縮性與膨脹性2、膨脹性:定義:在一定的壓強(qiáng)下,流體的體積隨溫度的升高而增大的性質(zhì)表示方法:溫度膨脹系數(shù)α(1/K)實(shí)驗(yàn)表明:液體不具有明顯的壓縮性與膨脹性--------
可以不考慮氣體的壓縮性與膨脹性不同于液體,具有明顯的壓縮性與膨脹性,這是由于氣體的密度隨著溫度和壓強(qiáng)的改變將發(fā)生顯著的變化。對于理想氣體,其密度與溫度和壓強(qiáng)之間的關(guān)系用熱力學(xué)中的狀態(tài)方程式表示,即三、流體的粘性流體除易變形性外,還有抗拒快速變形的性質(zhì),稱為粘性。1、流體粘性的表現(xiàn)
表現(xiàn)一:相鄰兩層流體作相對運(yùn)動(dòng)時(shí)有內(nèi)摩擦作用。流體在靜止時(shí)不表現(xiàn)出粘性。表現(xiàn)二:流體對固體表面的粘附作用。2、牛頓內(nèi)摩擦定律粘性形成的原因:分子間內(nèi)聚力、分子熱運(yùn)動(dòng)引起的動(dòng)量交換.
液體:溫度升高,μ變??;分子間距小,內(nèi)聚力大,起主要作用,溫度升高間距增大,內(nèi)聚力減小,粘度減??;氣體:溫度升高,μ變大;分子間距大,熱運(yùn)動(dòng)引起的動(dòng)量交換為主,溫度升高,熱運(yùn)動(dòng)加劇,動(dòng)量交換加劇,粘性增大。牛頓流體:溫度不變時(shí),粘度不變;水、空氣、酒精非牛頓流體:血漿、泥漿、油漆。理想流體:粘度為0的牛頓流體。三、流體的粘性
△內(nèi)摩擦概念由牛頓(1687)首先提出,稱為牛頓粘性假說。一百年后由庫侖(1784)用實(shí)驗(yàn)證實(shí)。
庫侖實(shí)驗(yàn):把一薄圓板用細(xì)絲平吊在液體中,將圓板轉(zhuǎn)過一角度后放開,圓板作往返擺動(dòng),逐漸衰減,直至停止,測量其衰減時(shí)間。用三種圓板(a、普通板,b、表面涂蠟,c、表面膠一層細(xì)砂)做實(shí)驗(yàn)?!鲙靵鰧?shí)驗(yàn)證明衰減原因不是圓板與液體間的摩擦,而是液體內(nèi)部的摩擦,即內(nèi)摩擦。
△流體內(nèi)摩擦是兩層流體間分子內(nèi)聚力和分子動(dòng)量交換的宏觀表現(xiàn)。液體以內(nèi)聚力為主,氣體以分子動(dòng)量交換為主,稱為表觀切應(yīng)力。
流體分子可吸附在固體表面,隨固體一起運(yùn)動(dòng),稱為流體對固體表面的無滑移假設(shè),在庫侖實(shí)驗(yàn)中已得到間接證明。粘度的單位是:N.s/m2或Pa.s粘度μ的物理意義:單位速度梯度作用下的切應(yīng)力,反映了流體粘性的動(dòng)力學(xué)性質(zhì),所以μ又被稱為動(dòng)力粘度。
與動(dòng)力粘度μ對應(yīng)的是運(yùn)動(dòng)粘度υ,二者的關(guān)系是運(yùn)動(dòng)粘度υ物理意義:單位速度梯度下的切應(yīng)力對單位體積的質(zhì)量產(chǎn)生的阻力加速度。(m2/s)3、流體的粘度原因:分子之間的內(nèi)聚力對液體粘性起主要作用。當(dāng)溫度升高時(shí),分子間距離變大,內(nèi)聚力相應(yīng)變小,因而粘度下降。液體粘度:隨溫度升高急劇下降。4、粘性與溫度的關(guān)系氣體粘度:隨溫度的上升而增大。原因:相鄰流層之間分子動(dòng)量的交換對氣體粘性起主要作用。當(dāng)溫度升高時(shí),氣體的熱運(yùn)動(dòng)加強(qiáng),動(dòng)量交換加劇,各層之間的制動(dòng)作用加大,因而粘度增大?;旌蠚怏w的粘度,可以近似用下式來計(jì)算:式中:Mm——混合氣體的分子量;
μm——混合氣體的粘度;
Mi、αi、μi——混合氣體中各組分的分子量、體積百分?jǐn)?shù)、粘度。5、混合氣體的粘度四、表面張力和汽化壓強(qiáng)1、表面張力定義:液體自由表面有明顯的欲成球形的收縮趨勢,引起這種收縮趨勢的力稱為表面張力。
表面張力由分子的內(nèi)聚力引起,其作用結(jié)果使液體表面看起來好像是一張均勻受力的彈性膜。
表面張力是一種拉力。假想在液體自由表面上任取一條線將其分開,則表面張力的作用將使兩邊彼此吸引,作用方向與該線相垂直。單位長度上的這種拉力定義為表面張力系數(shù),以σ
標(biāo)記,它的單位是N/m。表面張力隨溫度變化而變化。當(dāng)溫度升高時(shí),表面張力減小。表面張力也因液體自由表面所接觸的氣體不同而有差異。
表面張力的數(shù)值是很小的,在一般計(jì)算中可以忽略。只有當(dāng)流體自由表面的邊界尺寸非常小,如很細(xì)的玻璃管,很狹的縫隙等時(shí),表面張力的影響才明顯,必須計(jì)及。
液體與固體壁面接觸時(shí),液體內(nèi)聚力小于液體與壁面間的附著力時(shí),液體的表面張力將使液體沿垂直管壁上升。浸潤反之,當(dāng)液體內(nèi)聚力大于液體與壁面間的附著力時(shí),液體的表面張力將使液體沿垂直管壁下降。不浸潤
2、毛細(xì)現(xiàn)象
毛細(xì)現(xiàn)象:液體沿管壁上升或下降的現(xiàn)象毛細(xì)管σ---表面張力系數(shù),N/m.)--接觸角,取決于液、氣的種類和管壁材料等因素
γ---液體的重度d--管內(nèi)徑
由液柱重力與表面張力垂直分量相平衡對于工程中常用的測壓管,毛細(xì)現(xiàn)象往往造成較大的誤差。一般情況下,
當(dāng)測壓管徑大于10mm,誤差可以忽略不計(jì)。
3、汽化壓強(qiáng)
物質(zhì)三態(tài)在一定條件下可以互相轉(zhuǎn)化。不變,增加,沸騰;不變,降低,汽化沸點(diǎn);汽化壓強(qiáng)第三節(jié)作用在流體上的力一、質(zhì)量力(massforce):
1、定義:作用在流體某體積內(nèi)所有流體質(zhì)點(diǎn)上,并與這一體積的流體質(zhì)量成正比的力。例如:重力是最普遍的一個(gè)質(zhì)量力。
其他質(zhì)量力如:磁力場中的磁力;電力場中的電動(dòng)力;變速運(yùn)動(dòng)中的慣性力。2、度量方法:單位質(zhì)量力單位:m/s2。在直角坐標(biāo)系中,若質(zhì)量力在各坐標(biāo)軸上投影分別為dFx、dFy、dFz。設(shè)X、Y、Z為單位質(zhì)
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