流體力學(xué)課件

流體力學(xué)課件目錄流體力學(xué)概述流體靜力學(xué)基礎(chǔ)流體動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)流體流動(dòng)現(xiàn)象與規(guī)律流體力學(xué)中的重要概念與理論流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)與實(shí)踐01流體力學(xué)概述流體是能夠流動(dòng)的物質(zhì)，包括液體和氣體。流體的定義流體具有不可壓縮性、粘性和流動(dòng)性等特性。流體的特性流體可分為牛頓流體和非牛頓流體，牛頓流體又可分為理想流體和實(shí)際流體。流體分類流體的定義與特性古代流體力學(xué)主要基于經(jīng)驗(yàn)，如中國(guó)的水利工程和灌溉系統(tǒng)。古代流體力學(xué)經(jīng)典流體力學(xué)起源于17世紀(jì)，以牛頓定律為基礎(chǔ)，研究流體運(yùn)動(dòng)的基本規(guī)律。經(jīng)典流體力學(xué)隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)值計(jì)算方法的進(jìn)步，近代流體力學(xué)得到了快速發(fā)展，如湍流理論和計(jì)算流體力學(xué)。近代流體力學(xué)流體力學(xué)的發(fā)展歷程流體力學(xué)在水利工程、航空航天、交通運(yùn)輸、能源等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。工程領(lǐng)域環(huán)境領(lǐng)域生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域流體力學(xué)在氣象、水文、環(huán)境工程等領(lǐng)域有重要應(yīng)用，如氣候變化研究、洪水預(yù)測(cè)等。流體力學(xué)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用，如血流動(dòng)力學(xué)、藥物輸送等。030201流體力學(xué)的應(yīng)用領(lǐng)域02流體靜力學(xué)基礎(chǔ)03流體靜壓強(qiáng)的單位帕斯卡（Pa），1Pa=1N/m^2。01流體靜壓強(qiáng)的概念流體在靜止?fàn)顟B(tài)下所受的壓力。02流體靜壓強(qiáng)的特性流體靜壓強(qiáng)的大小與作用面的位置和方向有關(guān)，在同一高度上，不同方向的流體靜壓強(qiáng)相等。流體靜壓強(qiáng)及其特性流體平衡的原理流體的平衡狀態(tài)是由流體的重力和外力共同作用的結(jié)果，當(dāng)流體的重力與外力相平衡時(shí)，流體保持靜止或相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)。流體平衡的條件流體內(nèi)部各部分之間的壓力差等于零，或者流體的重力與外力相平衡。流體平衡的概念流體在靜止或相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)下，其內(nèi)部各部分之間沒有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)。流體平衡的原理描述流體靜力學(xué)基本規(guī)律的數(shù)學(xué)表達(dá)式。流體靜力學(xué)基本方程的概念p=p0+ρgh，其中p為流體壓強(qiáng)，p0為參考?jí)簭?qiáng)，ρ為流體密度，g為重力加速度，h為高度。流體靜力學(xué)基本方程的形式表示流體的壓強(qiáng)與流體的密度、重力加速度和高度之間的關(guān)系。流體靜力學(xué)基本方程的意義流體靜力學(xué)基本方程液柱的重量根據(jù)流體靜力學(xué)基本方程，可以計(jì)算出液柱的重量。液體的相對(duì)靜止在某些情況下，液體內(nèi)部各部分之間可能存在相對(duì)靜止的現(xiàn)象，這是由于流體的平衡原理所致。液體對(duì)容器底部的壓力根據(jù)流體靜力學(xué)基本方程，可以計(jì)算出液體對(duì)容器底部的壓力大小。流體靜力學(xué)應(yīng)用實(shí)例03流體動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)流體運(yùn)動(dòng)的基本概念流體是氣體和液體的總稱，具有流動(dòng)性和不可壓縮性。流場(chǎng)是指流體運(yùn)動(dòng)的區(qū)域，可以用空間坐標(biāo)和時(shí)間描述。流線是表示流體運(yùn)動(dòng)方向的曲線，流線的切線方向是流速的方向。流速場(chǎng)是描述流體在空間中速度分布的量。流體流場(chǎng)流線流速場(chǎng)123穩(wěn)態(tài)是指流體的運(yùn)動(dòng)不隨時(shí)間變化，非穩(wěn)態(tài)則相反。穩(wěn)態(tài)與非穩(wěn)態(tài)根據(jù)流體運(yùn)動(dòng)的自由度進(jìn)行分類。一維、二維和三維流動(dòng)無旋流動(dòng)是指流場(chǎng)中沒有旋渦產(chǎn)生，有旋流動(dòng)則存在旋渦。無旋和有旋流動(dòng)流體運(yùn)動(dòng)的分類以流體質(zhì)點(diǎn)為研究對(duì)象，描述其運(yùn)動(dòng)軌跡和速度。拉格朗日法以固定空間點(diǎn)為研究對(duì)象，描述流速隨時(shí)間的變化。歐拉法描述流體運(yùn)動(dòng)速度隨時(shí)間和空間的變化。隨體導(dǎo)數(shù)流體運(yùn)動(dòng)的描述方法質(zhì)量守恒方程表示流體質(zhì)量不隨時(shí)間變化的規(guī)律。動(dòng)量守恒方程表示流體動(dòng)量不隨時(shí)間變化的規(guī)律。能量守恒方程表示流體能量不隨時(shí)間變化的規(guī)律。流體動(dòng)力學(xué)基本方程流體動(dòng)力學(xué)在飛機(jī)和火箭設(shè)計(jì)中起到關(guān)鍵作用，涉及到氣動(dòng)外形優(yōu)化、飛行器性能提升等方面。航空航天設(shè)計(jì)汽車設(shè)計(jì)中的空氣動(dòng)力學(xué)應(yīng)用廣泛，涉及到車身外形、進(jìn)排氣系統(tǒng)等方面。汽車設(shè)計(jì)流體動(dòng)力學(xué)在水力發(fā)電、水利樞紐設(shè)計(jì)、河流治理等方面有重要應(yīng)用，如水壩的穩(wěn)定性分析、河流的流動(dòng)模擬等。水利工程流體動(dòng)力學(xué)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用包括血流動(dòng)力學(xué)、呼吸力學(xué)等，涉及到人體循環(huán)系統(tǒng)、呼吸系統(tǒng)的研究。生物醫(yī)學(xué)流體動(dòng)力學(xué)應(yīng)用實(shí)例04流體流動(dòng)現(xiàn)象與規(guī)律流體流動(dòng)遵循牛頓第二定律，即流體的動(dòng)量變化率等于作用在流體上的力。牛頓第二定律理想流體在穩(wěn)定流動(dòng)中，流體的壓力、速度和位置之間遵循伯努利方程。伯努利方程流體的質(zhì)量守恒，即在封閉管道中，流體的質(zhì)量流量是恒定的。連續(xù)性方程描述了流體動(dòng)量變化率與作用力之間的關(guān)系。歐拉方程流體流動(dòng)的基本規(guī)律由于流體與管壁之間的摩擦而產(chǎn)生的阻力。摩擦阻力由于流道截面變化、閥門、彎頭等造成的流體能量損失。局部損失由于流體流動(dòng)過程中壓力變化而產(chǎn)生的能量損失。壓能損失由于流體速度變化而產(chǎn)生的能量損失。動(dòng)能損失流體流動(dòng)的阻力與損失流體的流動(dòng)狀態(tài)可以分為層流和湍流，層流是平滑的，湍流則是不規(guī)則的。層流與湍流臨界雷諾數(shù)穩(wěn)定性分析湍流的模擬方法當(dāng)流體的雷諾數(shù)超過某一臨界值時(shí)，流動(dòng)狀態(tài)會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)變，從層流變?yōu)橥牧?。研究流體流動(dòng)的穩(wěn)定性，分析各種因素對(duì)流動(dòng)穩(wěn)定性的影響。研究湍流的模擬方法，如直接數(shù)值模擬、大渦模擬和模型化方法等。流體流動(dòng)的穩(wěn)定性與湍流管道設(shè)計(jì)利用流體流動(dòng)的基本規(guī)律和阻力損失知識(shí)，進(jìn)行管道系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。泵與風(fēng)機(jī)選型根據(jù)流體流動(dòng)規(guī)律和特性，選擇合適的泵與風(fēng)機(jī)型號(hào)。流體控制利用流體流動(dòng)規(guī)律，設(shè)計(jì)各種流體控制系統(tǒng)，如閥門、調(diào)節(jié)器等。環(huán)境工程利用流體流動(dòng)規(guī)律，進(jìn)行環(huán)境工程的設(shè)計(jì)和優(yōu)化，如污水處理、空氣凈化等。流體流動(dòng)現(xiàn)象與規(guī)律的應(yīng)用實(shí)例05流體力學(xué)中的重要概念與理論流體的速度增加，壓強(qiáng)減小；流體的速度減小，壓強(qiáng)增加，這是伯努利方程的基本表述。在封閉系統(tǒng)中，沒有外力做功的情況下，系統(tǒng)的機(jī)械能總量保持不變。伯努利方程與能量守恒能量守恒伯努利方程納維-斯托克斯方程描述了粘性流體在運(yùn)動(dòng)中的應(yīng)力狀態(tài)和應(yīng)變率之間的關(guān)系，是流體動(dòng)力學(xué)的基本方程。流體動(dòng)力學(xué)的本質(zhì)流體動(dòng)力學(xué)主要研究流體在力場(chǎng)作用下的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，包括流體靜止和運(yùn)動(dòng)的規(guī)律，以及流體和固體相互作用的規(guī)律。納維-斯托克斯方程與流體動(dòng)力學(xué)的本質(zhì)表征流體流動(dòng)特性的無量綱數(shù)，由流體的速度、粘度和管道直徑?jīng)Q定。雷諾數(shù)當(dāng)兩個(gè)流動(dòng)的雷諾數(shù)相同時(shí)，它們的流動(dòng)特性相似，可以用相同的數(shù)學(xué)模型描述。流體流動(dòng)的相似性雷諾數(shù)與流體流動(dòng)的相似性邊界層理論流體的速度和壓強(qiáng)等參數(shù)在靠近固體邊界時(shí)會(huì)有明顯的變化，形成邊界層。分離現(xiàn)象在邊界層內(nèi)，由于流體的粘性和湍流等因素，流體會(huì)從固體邊界分離，產(chǎn)生渦旋和回流等現(xiàn)象。邊界層理論與分離現(xiàn)象06流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)與實(shí)踐流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備與測(cè)量技術(shù)實(shí)驗(yàn)設(shè)備介紹流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)中常用的設(shè)備，如水槽、風(fēng)洞、壓力計(jì)、流量計(jì)等，并說明其工作原理和使用方法。測(cè)量技術(shù)介紹流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)中常用的測(cè)量技術(shù)，如壓力測(cè)量、速度測(cè)量、流量測(cè)量等，并說明其測(cè)量原理和精度要求。VS介紹流體動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)原則和方法，包括實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)步驟等。實(shí)驗(yàn)實(shí)施詳細(xì)介紹流體動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)的具體實(shí)施過程，包括實(shí)驗(yàn)操作、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理等。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)流體動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)與實(shí)施介紹流體力學(xué)在水利工程中的應(yīng)用，如水力發(fā)