山東大學(xué)工程流體力學(xué)課件

山東大學(xué)工程流體力學(xué)課件本課件旨在為山東大學(xué)工程流體力學(xué)課程提供教學(xué)輔助資料，幫助學(xué)生深入理解流體力學(xué)的基本原理，并將其應(yīng)用于工程實踐。課程介紹課程內(nèi)容本課程涵蓋流體力學(xué)的基本原理和應(yīng)用，包括流體靜力學(xué)、流體動力學(xué)、管道流動、渦輪機械等內(nèi)容。實踐環(huán)節(jié)課程將結(jié)合實驗和案例分析，幫助學(xué)生深入理解流體力學(xué)原理，并培養(yǎng)解決實際工程問題的能力。學(xué)習(xí)目標(biāo)學(xué)生將掌握流體力學(xué)的基本概念和理論，能夠運用流體力學(xué)知識分析和解決實際工程問題，為后續(xù)學(xué)習(xí)和工作打下基礎(chǔ)。流體靜力學(xué)基礎(chǔ)靜止流體流體靜力學(xué)主要研究靜止流體的平衡條件和性質(zhì)。壓力靜止流體中各點壓力的分布規(guī)律和計算方法。浮力靜止流體對浸入其中的物體產(chǎn)生的浮力及其應(yīng)用。流體靜壓力及其計算1定義流體靜壓力是指靜止流體內(nèi)部任一點由于流體自身重量而產(chǎn)生的壓力。2影響因素流體密度、重力加速度和深度是影響流體靜壓力的關(guān)鍵因素。3計算公式P=ρgh，其中P為壓力，ρ為密度，g為重力加速度，h為深度。浮力及其應(yīng)用阿基米德原理浸沒在流體中的物體受到的浮力大小等于物體排開流體的重量。浮力計算浮力的大小可以通過計算浸沒體積和流體密度來確定。浮力的應(yīng)用浮力在許多領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用，例如船舶設(shè)計、氣球和飛艇的升力以及潛水艇的浮沉控制。流體動力學(xué)基礎(chǔ)流體運動流體動力學(xué)研究流體的運動規(guī)律，包括流體速度、壓力、密度等參數(shù)的變化。流體性質(zhì)流體的粘性、壓縮性、表面張力等特性對流體運動有重要影響。流體方程流體動力學(xué)利用數(shù)學(xué)方程描述流體的運動，例如連續(xù)性方程、動量方程和能量方程。流體速度場與流線流體速度場是指在某一時刻，流體中各個點速度的集合。流線是流體中所有速度方向一致的點所連成的曲線。流線方向與速度方向一致。流線可以幫助我們理解流體的運動趨勢和方向。例如，我們可以使用流線來觀察河流的流動方向，或者飛機的飛行軌跡。伯努利方程及其應(yīng)用描述流體在流動中能量守恒關(guān)系。應(yīng)用于管道流動分析，計算流速、壓力和高度的變化。解釋機翼升力的產(chǎn)生，分析飛機飛行原理。管道流動層流流體在管道內(nèi)以平穩(wěn)、有序的方式流動，流線彼此平行。湍流流體在管道內(nèi)以不規(guī)則、混亂的方式流動，流線相互交織。阻力流體在管道內(nèi)流動時受到的阻力，主要包括摩擦阻力和局部阻力。管道阻力系數(shù)及其估算管道阻力系數(shù)是衡量流體在管道中流動時遇到的摩擦阻力的重要指標(biāo)。該系數(shù)與管道的形狀、表面粗糙度、流體的性質(zhì)和流速等因素有關(guān)。管網(wǎng)設(shè)計1系統(tǒng)規(guī)劃確定管網(wǎng)規(guī)模和布局2管道選型選擇合適的管道材料和尺寸3水力計算計算管網(wǎng)的水力特性4管網(wǎng)優(yōu)化優(yōu)化管網(wǎng)設(shè)計方案泵的原理及其應(yīng)用能量傳遞泵利用機械能將流體提升到更高的位置，或提高流體的壓力。種類繁多根據(jù)工作原理、用途和流體性質(zhì)，泵有離心泵、軸流泵、容積泵等多種類型。應(yīng)用廣泛在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、市政等各個領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用，例如供水、灌溉、消防等。渦輪機械基礎(chǔ)渦輪機械是利用流體能量進行能量轉(zhuǎn)換的機械裝置，包括汽輪機、水輪機、風(fēng)力機等。渦輪機械將流體能量轉(zhuǎn)換為機械能，例如將水流的勢能轉(zhuǎn)換為軸功率。渦輪機械通常包含葉輪、軸承、密封等部件，通過葉輪與流體的相互作用實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換。渦輪機械選型性能需求流量、揚程、效率等因素影響著渦輪機械的選擇。運行環(huán)境工作壓力、溫度、腐蝕性等環(huán)境因素決定著渦輪機械的材質(zhì)和結(jié)構(gòu)。經(jīng)濟因素成本、維護費用、運行成本等因素影響著渦輪機械的最終選擇。孔口流量計1定義孔口流量計是一種常見的流量測量裝置，通過測量流體通過孔口的速度來計算流量。2原理基于伯努利方程，利用孔口前后壓差計算流體速度，進而推算流量。3應(yīng)用廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)、科研實驗等領(lǐng)域，測量各種流體流量，例如水、氣體、油等。流量測量的其他方法超聲波流量計利用聲波在流體中的傳播時間變化來測量流量，適用于各種流體和管道尺寸。渦輪流量計利用流體推動渦輪旋轉(zhuǎn)的頻率來測量流量，適用于氣體和液體。電磁流量計利用法拉第電磁感應(yīng)定律，通過測量流體中產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢來測量流量，適用于導(dǎo)電液體。流體動量定律及其應(yīng)用動量定理可以用來分析流體運動產(chǎn)生的動量變化應(yīng)用領(lǐng)域包括噴氣推進，水輪機等可以計算管道中流體的壓力變化流體能量定律及其應(yīng)用能量守恒流體能量定律基于能量守恒原理，它指出在沒有能量損失的情況下，流體系統(tǒng)的總能量保持不變。應(yīng)用范圍流體能量定律在水力工程、管道設(shè)計、風(fēng)力發(fā)電等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，用于分析和預(yù)測流體系統(tǒng)中的能量變化。雷諾數(shù)及其應(yīng)用1無量綱參數(shù)雷諾數(shù)是一個無量綱參數(shù)，用于描述流體的慣性力和粘性力之間的比例。2流態(tài)判斷雷諾數(shù)可以用來判斷流體的流動狀態(tài)是層流還是湍流。3工程應(yīng)用雷諾數(shù)在管道設(shè)計、飛機機翼設(shè)計等工程領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。邊界層理論粘性影響邊界層是指流體與固體表面之間的一層薄薄的流體層，其中流體由于粘性而受到固體表面的影響。速度梯度邊界層內(nèi)流體的速度從固體表面的零速度逐漸過渡到主流速度。流動阻力邊界層的存在會導(dǎo)致流體流動產(chǎn)生阻力，影響物體運動和能量損失。湍流的基本特征不規(guī)則性湍流中的流體運動呈現(xiàn)高度的隨機性，不可預(yù)測性。流速、壓力等參數(shù)在時間和空間上均存在劇烈波動。擴散性湍流能夠促進流體中動量、熱量和物質(zhì)的快速混合和擴散，這使得湍流在許多工程應(yīng)用中發(fā)揮著重要作用。耗散性湍流的隨機運動會消耗流體能量，導(dǎo)致流體動能轉(zhuǎn)化為熱能。湍流邊界層高雷諾數(shù)當(dāng)流體速度較高時，邊界層內(nèi)的流體流動會變得不穩(wěn)定，進而形成湍流。隨機性湍流邊界層中的流體速度、壓力等參數(shù)在時間和空間上都呈現(xiàn)出隨機的變化。能量耗散湍流邊界層內(nèi)存在著強烈的能量耗散，這主要源于流體分子之間的摩擦和能量傳遞。紊流阻力系數(shù)0.001光滑管相對光滑的管道表面0.01粗糙管表面有明顯粗糙度的管道0.05極粗糙管道表面極其粗糙開放水域流動河流流動河流的流動受重力和摩擦力的影響，形成了復(fù)雜的水流模式。湖泊流動湖泊流動主要由風(fēng)力驅(qū)動，但也受地形和水溫差異的影響。海洋流動海洋流動是地球上最重要的水循環(huán)之一，受到風(fēng)、潮汐和密度差異的驅(qū)動。相似律及其應(yīng)用模型實驗?zāi)Ｐ蛯嶒炇橇黧w力學(xué)研究中常用的方法。它通過對縮小的模型進行實驗，來模擬真實物體在流體中的流動情況。相似律相似律是模型實驗的基礎(chǔ)。它指明了模型實驗結(jié)果與原型實驗結(jié)果之間的關(guān)系，確保模型實驗結(jié)果能夠準(zhǔn)確地反映原型實驗結(jié)果。應(yīng)用相似律廣泛應(yīng)用于各種工程領(lǐng)域，例如飛機設(shè)計、船舶設(shè)計、水利工程等。量綱分析的基本原理物理量所有物理量都可以用基本量綱表示，例如長度(L)、質(zhì)量(M)、時間(T)。無量綱量無量綱量是通過物理量的組合得到的，沒有量綱，例如雷諾數(shù)(Re)。量綱分析原理任何物理方程式都必須在量綱上是平衡的，也就是說，等式兩邊的量綱必須相同。流體力學(xué)的實驗研究方法1風(fēng)洞實驗研究物體在氣流中的受力情況。2水洞實驗研究物體在水流中的受力情況。3模型實驗通過模型實驗?zāi)M真實流體的流動情況。流體力學(xué)的計算研究方法數(shù)值模擬使用計算機程序模擬流體的運動，解決復(fù)雜流體問題。有限元法將流體域劃分為網(wǎng)格，在每個網(wǎng)格節(jié)點上求解流體方程。有限體積法將流體域劃分為控制體，在每個控制體上求解流體方程。邊界元法將流體域邊界劃分為邊界元，在邊界元上求解流體方程。工程應(yīng)用實例工程流體力學(xué)在實際工程中有著廣泛的應(yīng)用。例如，橋梁、建筑、管道、風(fēng)機、水輪機、船舶等的設(shè)計和建造都需要用到流體力學(xué)的原理。流體力學(xué)可以幫助工程師們更好地理解流體的運動規(guī)律，并設(shè)計出更加安全、高效、經(jīng)濟的工程設(shè)施。本課程的知識拓展方向深化理論研究可以深入研究流體力學(xué)中的高級理論，如湍流理論