流體力學(xué)課件緒論

1、教材與主要參考書(shū)教材與主要參考書(shū)1. 周光炯等，流體力學(xué)（第二版），高等教育出版社，2000年6月2.吳望一等，流體力學(xué)，北京大學(xué)出版社，1982年第一版(公式推導(dǎo))?第二版3.葉敬棠等，流體力學(xué)，復(fù)旦大學(xué)出版社，1989年5月(習(xí)題)4.蘇朗道等著，孔祥言等譯，流體動(dòng)力學(xué)，高等教育出版社，1983年4月 第一章、流體的物理性質(zhì)與流體運(yùn)動(dòng)學(xué) 第三章、流體運(yùn)動(dòng)基本方程組 第四章、流體的積分方程及應(yīng)用(bernoulli equation) 第五章、流體的渦旋運(yùn)動(dòng) 第六章、無(wú)粘不可壓縮流體的無(wú)旋運(yùn)動(dòng) 第七章、液體表面波（部分內(nèi)容） 第八章、n-s方程與量綱分析（部分內(nèi)容）內(nèi)容緒論1. .流體力學(xué)的

2、研究對(duì)象流體力學(xué)的研究對(duì)象2. 2.流體力學(xué)的研究方法流體力學(xué)的研究方法3. 3.流體知識(shí)回顧流體知識(shí)回顧1. 研究對(duì)象 （object, what)1.1 1.1 流體力學(xué)流體力學(xué)1.2 1.2 學(xué)科性質(zhì)學(xué)科性質(zhì) 基礎(chǔ)性- 認(rèn)識(shí)自然 應(yīng)用性- 改造自然1. 研究對(duì)象 （object, what)1.3 1.3 流體力學(xué)與現(xiàn)代化建設(shè)的關(guān)系流體力學(xué)與現(xiàn)代化建設(shè)的關(guān)系 研究大氣和海洋運(yùn)動(dòng)天氣和海情預(yù)報(bào)農(nóng)業(yè)、漁業(yè)、航空航天、航海、國(guó)防和日常生活地球的周?chē)灰粚颖”〉拇髿鈱影鼑厍虻谋砻?1是海洋。大氣與海洋相互作用、相互影響，構(gòu)成一個(gè)龐大而復(fù)雜的流體系統(tǒng)促使大氣運(yùn)動(dòng)的根本原因是太陽(yáng)輻射、地球自轉(zhuǎn)、

3、壓強(qiáng)梯度、日月引力和地表與大氣之間的耗散過(guò)程等大氣和海洋運(yùn)動(dòng) (a) (a)信風(fēng)與西風(fēng)帶信風(fēng)與西風(fēng)帶 p247 p247 例例5.4 5.4 信風(fēng)的形成信風(fēng)的形成由于赤道與極地，地面與高空之間的溫度差異，東北吹向西南(b)(b)季風(fēng)季風(fēng)由于太陽(yáng)輻射熱的季節(jié)性變化而產(chǎn)生的一種風(fēng)向隨季節(jié)而異的風(fēng)系，大多出現(xiàn)在熱帶島嶼或半島地區(qū)(c)(c)臺(tái)風(fēng)、颶風(fēng)臺(tái)風(fēng)、颶風(fēng)臺(tái)風(fēng)的形成機(jī)理至今尚未取得完全共識(shí)(d)(d)龍卷風(fēng)龍卷風(fēng)在熱力急劇不穩(wěn)定的大氣中生成，詳細(xì)機(jī)制未知大氣和海洋運(yùn)動(dòng)(e)(e)表層環(huán)流表層環(huán)流( (或洋流或洋流) )主要由行星風(fēng)所引起，它由幾個(gè)幾乎平行于赤道的環(huán)流組成(f)(f)深層環(huán)流深層環(huán)

4、流 土要由海水的熱鹽密度差引起(g)(g)表面波表面波 （第七章第七章） 廣泛存在于海洋、江河和湖泊中，它是在流體表層受外力作用后，產(chǎn)生的一種運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象科學(xué)家發(fā)現(xiàn)兩種新型水波.mht1. 研究對(duì)象 研究各種空間飛行物和各種水上或水下運(yùn)動(dòng)物體 高效率 (低阻力、高升力或高推進(jìn))、高穩(wěn)定性、高可控性改造飛機(jī)、人造衛(wèi)星、導(dǎo)彈、炮彈和船艦、潛艇、魚(yú)雷等1. 研究對(duì)象 （object, what)研究河流、渠道和各種管路系統(tǒng)低能耗、高安全性的工程設(shè)計(jì)研究油氣田、地下水、泥石流、機(jī)械潤(rùn)滑等研究含有化學(xué)反應(yīng)的流體運(yùn)動(dòng)(如燃燒)研究熱交換系統(tǒng)傳熱傳質(zhì)水暖系統(tǒng)、核反應(yīng)堆 1. 研究對(duì)象 （object, what

5、)研究生物工程和生命科學(xué)中的流體動(dòng)力學(xué)，如人體內(nèi)的血液流動(dòng)、肺部循環(huán)、人工腎等2. 研究方法 （how)2.1 2.1 實(shí)驗(yàn)方法實(shí)驗(yàn)方法 古老、有效的研究方法古老、有效的研究方法航空、航天和水利樞紐等復(fù)雜系統(tǒng)最初都是依賴(lài)實(shí)驗(yàn)才順利實(shí)現(xiàn)航空、航天和水利樞紐等復(fù)雜系統(tǒng)最初都是依賴(lài)實(shí)驗(yàn)才順利實(shí)現(xiàn) 研究步驟研究步驟 提出問(wèn)題，選擇適當(dāng)?shù)奶岢鰡?wèn)題，選擇適當(dāng)?shù)臒o(wú)量綱參數(shù)無(wú)量綱參數(shù)，并確定大小范圍；，并確定大小范圍； 制定實(shí)驗(yàn)方案制定實(shí)驗(yàn)方案 準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)條件：模型的設(shè)計(jì)制造、設(shè)備儀器的選擇和制備準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)條件：模型的設(shè)計(jì)制造、設(shè)備儀器的選擇和制備 進(jìn)行實(shí)驗(yàn)并取得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，檢驗(yàn)重復(fù)性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)并取得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，檢驗(yàn)重

6、復(fù)性 整理和分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并與其他方法進(jìn)行對(duì)比，得出結(jié)論整理和分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并與其他方法進(jìn)行對(duì)比，得出結(jié)論 優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn) 能直接解決生產(chǎn)中的復(fù)雜問(wèn)題，能發(fā)現(xiàn)流動(dòng)中的新現(xiàn)象和新原理，它的能直接解決生產(chǎn)中的復(fù)雜問(wèn)題，能發(fā)現(xiàn)流動(dòng)中的新現(xiàn)象和新原理，它的結(jié)果可以作為檢驗(yàn)其他方法是否正確的依據(jù)結(jié)果可以作為檢驗(yàn)其他方法是否正確的依據(jù) 缺點(diǎn)缺點(diǎn) 對(duì)不同情況，需作不同實(shí)驗(yàn)，即所得結(jié)果的普適性較差對(duì)不同情況，需作不同實(shí)驗(yàn)，即所得結(jié)果的普適性較差 有些實(shí)驗(yàn)的費(fèi)用較高有些實(shí)驗(yàn)的費(fèi)用較高實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn) （ krmn 渦街)2. 研究方法 （how) 本課主要內(nèi)容本課主要內(nèi)容2.2 2.2 分析方法分析方法 分析分析(analy

7、se)(analyse)，與數(shù)學(xué)有關(guān)，與數(shù)學(xué)有關(guān) 應(yīng)用數(shù)學(xué)與力學(xué)應(yīng)用數(shù)學(xué)與力學(xué) 研究步驟研究步驟 提出問(wèn)題，建立簡(jiǎn)化的數(shù)學(xué)模型，即根據(jù)所給問(wèn)題的特點(diǎn)，做出一定提出問(wèn)題，建立簡(jiǎn)化的數(shù)學(xué)模型，即根據(jù)所給問(wèn)題的特點(diǎn)，做出一定的假設(shè)，簡(jiǎn)化流體動(dòng)力學(xué)方程組，簡(jiǎn)化初始條件和邊界條件；的假設(shè)，簡(jiǎn)化流體動(dòng)力學(xué)方程組，簡(jiǎn)化初始條件和邊界條件； 用分析方法求此簡(jiǎn)化后的初值問(wèn)題或邊值問(wèn)題的分析解；用分析方法求此簡(jiǎn)化后的初值問(wèn)題或邊值問(wèn)題的分析解； 選取適當(dāng)?shù)乃憷?，利用分析解進(jìn)行具體的計(jì)算，得到分析結(jié)果；選取適當(dāng)?shù)乃憷?，利用分析解進(jìn)行具體的計(jì)算，得到分析結(jié)果； 檢查分析結(jié)果，并與實(shí)驗(yàn)或別的方法得到的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，檢驗(yàn)

8、簡(jiǎn)化檢查分析結(jié)果，并與實(shí)驗(yàn)或別的方法得到的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，檢驗(yàn)簡(jiǎn)化模型的合理性模型的合理性 優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn) 分析解明確地給出了各種物理與流動(dòng)參數(shù)之間的變化關(guān)系，有較好的分析解明確地給出了各種物理與流動(dòng)參數(shù)之間的變化關(guān)系，有較好的普適性普適性 缺點(diǎn)缺點(diǎn) 數(shù)學(xué)上的困難較大，能獲得的分析解數(shù)量有限數(shù)學(xué)上的困難較大，能獲得的分析解數(shù)量有限2. 研究方法 （how)2.3 2.3 數(shù)值方法數(shù)值方法 計(jì)算流體力學(xué)計(jì)算流體力學(xué)( (計(jì)算傳熱學(xué)、計(jì)算地球動(dòng)力學(xué)計(jì)算傳熱學(xué)、計(jì)算地球動(dòng)力學(xué)) ) 流動(dòng)預(yù)測(cè)、天氣預(yù)報(bào)等流動(dòng)預(yù)測(cè)、天氣預(yù)報(bào)等 研究步驟研究步驟 對(duì)一般的流體動(dòng)力學(xué)方程組、對(duì)一般的流體動(dòng)力學(xué)方程組、初始條件和邊界

9、條件初始條件和邊界條件進(jìn)行簡(jiǎn)化；進(jìn)行簡(jiǎn)化； 選取適當(dāng)?shù)臄?shù)值方法，對(duì)簡(jiǎn)化或改寫(xiě)的初值問(wèn)題或邊值問(wèn)題進(jìn)行離選取適當(dāng)?shù)臄?shù)值方法，對(duì)簡(jiǎn)化或改寫(xiě)的初值問(wèn)題或邊值問(wèn)題進(jìn)行離散化；散化； 編制程序，選取算例，進(jìn)行具體計(jì)算，并將所得結(jié)果繪制成圖表；編制程序，選取算例，進(jìn)行具體計(jì)算，并將所得結(jié)果繪制成圖表； 將計(jì)算結(jié)果與其他方法得到的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，對(duì)流動(dòng)進(jìn)行分析將計(jì)算結(jié)果與其他方法得到的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，對(duì)流動(dòng)進(jìn)行分析 優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn) 許多用分析法無(wú)法求解的問(wèn)題，或?qū)嶒?yàn)無(wú)法實(shí)現(xiàn)的問(wèn)題，用此法可許多用分析法無(wú)法求解的問(wèn)題，或?qū)嶒?yàn)無(wú)法實(shí)現(xiàn)的問(wèn)題，用此法可以求得數(shù)值解以求得數(shù)值解 在一定程度上，可以節(jié)約實(shí)驗(yàn)費(fèi)用在一定程度上，可

10、以節(jié)約實(shí)驗(yàn)費(fèi)用 缺點(diǎn)缺點(diǎn) 對(duì)于復(fù)雜而又缺乏完善數(shù)學(xué)模型的問(wèn)題，仍無(wú)能為力對(duì)于復(fù)雜而又缺乏完善數(shù)學(xué)模型的問(wèn)題，仍無(wú)能為力數(shù)值方法 （一些圖片)卡門(mén)渦街血管瘤內(nèi)血流生物運(yùn)動(dòng)仿真飛機(jī)周?chē)鲌?chǎng)3. 知識(shí)回顧3.1 3.1 液體內(nèi)部的壓強(qiáng)液體內(nèi)部的壓強(qiáng) 液體內(nèi)部向各個(gè)方向都有壓強(qiáng)，同一深處的壓強(qiáng)相等3.2 3.2 連通器原理連通器原理(千斤頂)p89:例2.3 圖示的圓柱形堰，直徑2r=3m，長(zhǎng)l6m試求兩側(cè)靜止流體作用于堰上的合力大小，方向及作用線22003200(sinsincos )2(1cos )(1cos) sin23lxxlxlxxlxfdfgrdgrfydfrgrdry (cos )(si

11、ncos)(cos )sin(cos )cossin(1 cos )xyyyxxdfg rrrdijdfg rrrddfg rrrddldfrdldfr 左側(cè)面:3. 流體知識(shí)回顧3.3 3.3 浮力浮力 浸入液體中的物體都會(huì)受到浮力的作用 阿基米德原理：浸在液體中的物體所受到的浮力等于該物體排開(kāi)液體的重量。3.3 浮力 p95完全浸沒(méi)在靜止流體中的物體，若其浮力中心高于重心，平衡是穩(wěn)定的；若其浮力中心低于重心，平衡是不穩(wěn)定的我們把過(guò)e點(diǎn)的堅(jiān)直線與bg(或其延長(zhǎng)線)的交點(diǎn)m叫做定傾中心很顯然如果m點(diǎn)高于g點(diǎn)，那么右圖中浮力fb與重力w產(chǎn)生的力矩使船趨于恢復(fù)平衡，若m點(diǎn)低于g點(diǎn)，則fb與w產(chǎn)生的力矩使船趨于偏離平衡3. 知識(shí)回顧3.4 大氣壓強(qiáng) 托里拆利實(shí)驗(yàn)(1643年)760mmhg3. 知識(shí)回顧3.5 氣體壓強(qiáng)與溫度、密度的關(guān)系p89:例2.3 圖示的圓柱形堰，直徑2r=3m，長(zhǎng)l6m試求兩側(cè)靜止流體作用于堰上的合力大小，方向及作用線22020322(2)21