第01章流體的力學(xué)性質(zhì)-2

1、工程流體力學(xué)工程流體力學(xué)賴煥新賴煥新機(jī)械與動力工程學(xué)院機(jī)械與動力工程學(xué)院 流體機(jī)械研究室流體機(jī)械研究室辦公室：辦公室：17411電電 話：話：64253754程基本情況學(xué)時(shí)學(xué)分：學(xué)時(shí)學(xué)分： 32學(xué)時(shí)，學(xué)時(shí)，2學(xué)分學(xué)分課程性質(zhì)：課程性質(zhì)：專業(yè)基礎(chǔ)課專業(yè)基礎(chǔ)課先修課程：先修課程：高等數(shù)學(xué)、大學(xué)物理、理論力學(xué)高等數(shù)學(xué)、大學(xué)物理、理論力學(xué)課程教材：課程教材：工程流體力學(xué)工程流體力學(xué)(第第2版版), 黃衛(wèi)星等編，化學(xué)工業(yè)出版社黃衛(wèi)星等編，化學(xué)工業(yè)出版社.參考書：參考書：普朗特流體力學(xué)基礎(chǔ)普朗特流體力學(xué)基礎(chǔ), H. Oertel著，朱自強(qiáng)等譯，科學(xué)出版社，著，朱自強(qiáng)等譯，科學(xué)出版

2、社，2011. 流體力學(xué)及其工程應(yīng)用流體力學(xué)及其工程應(yīng)用，E.J.Finnemore著，錢翼稷著，錢翼稷(j)等譯，等譯， 機(jī)械工業(yè)出版社，機(jī)械工業(yè)出版社，2009.粘性流體動力學(xué)粘性流體動力學(xué)，陳矛章編，高等教育出版社，陳矛章編，高等教育出版社，2002化工流體力學(xué)化工流體力學(xué)，戴干策，戴干策 陳敏恒編，化學(xué)工業(yè)出版社，陳敏恒編，化學(xué)工業(yè)出版社，2005馮馮卡門傳卡門傳，馮，馮卡門著，曹開誠譯，卡門著，曹開誠譯，上?？茖W(xué)技術(shù)出版社。上?？茖W(xué)技術(shù)出版社。流體力學(xué)流體力學(xué)課程課程的主要任務(wù)：的主要任務(wù)： 研究流體與物體之間的相互作用以及流體在靜止研究流體與物體之間的相互作用以及流體在靜止或運(yùn)動時(shí)

3、所遵循的基本規(guī)律?；蜻\(yùn)動時(shí)所遵循的基本規(guī)律。“工程工程”“”“流體力學(xué)流體力學(xué)”課程的特點(diǎn)課程的特點(diǎn): :1.1. 專業(yè)基礎(chǔ)課由專業(yè)基礎(chǔ)課由 基礎(chǔ)基礎(chǔ) 向向 專業(yè)專業(yè) 過渡的一門課程；過渡的一門課程；2. 2. 是工科學(xué)生必須具備的一門基礎(chǔ)知識；是工科學(xué)生必須具備的一門基礎(chǔ)知識；3.3.“工程工程”“”“流體力學(xué)流體力學(xué)” 流體力學(xué)流體力學(xué)嚴(yán)格的基礎(chǔ)理論嚴(yán)格的基礎(chǔ)理論【物理物理 力學(xué)力學(xué) 流體力學(xué)流體力學(xué)】+) +) 工程工程 的作風(fēng)做法的作風(fēng)做法 【近似、簡化、工程誤差要求近似、簡化、工程誤差要求】流體力學(xué)流體力學(xué) 留級力學(xué)留級力學(xué)？ 流體力學(xué)在工程中的應(yīng)用流體力學(xué)在工程中的應(yīng)用 ( (為什

4、么要學(xué)為什么要學(xué)) ) 大雁的飛行團(tuán)隊(duì)大雁的飛行團(tuán)隊(duì)人類在空氣、水中的運(yùn)動人類在空氣、水中的運(yùn)動 鳥類飛行鳥類飛行 船舶的設(shè)計(jì)船舶的設(shè)計(jì): 浮力浮力定理與浮體穩(wěn)定性定理與浮體穩(wěn)定性.大型潛艇的艦體設(shè)大型潛艇的艦體設(shè)計(jì)與推進(jìn)系統(tǒng)更是計(jì)與推進(jìn)系統(tǒng)更是離不開流體力學(xué)知離不開流體力學(xué)知識。識。美國高超音速樣機(jī)美國高超音速樣機(jī)火箭導(dǎo)彈發(fā)射火箭導(dǎo)彈發(fā)射 航空航空/ /航海航海/ /國防國防 水利工程水利工程 19931993年青海溝后水庫垮壩年青海溝后水庫垮壩 19931993年年8 8月月2727日夜間，庫容為日夜間，庫容為330330萬立方米的萬立方米的青海省海南藏族自治州溝后水庫在庫水位低于設(shè)青海省

5、海南藏族自治州溝后水庫在庫水位低于設(shè)計(jì)水位計(jì)水位0.750.75米的情況下突然垮壩失事，造成米的情況下突然垮壩失事，造成288288人人死亡，死亡，4040人失蹤人失蹤, ,直接經(jīng)濟(jì)損失直接經(jīng)濟(jì)損失1.531.53億元億元. . 水利部專家組調(diào)查認(rèn)定，溝后水庫在設(shè)計(jì)上有水利部專家組調(diào)查認(rèn)定，溝后水庫在設(shè)計(jì)上有缺陷，施工中又存在嚴(yán)重的質(zhì)量問題，運(yùn)行管理缺陷，施工中又存在嚴(yán)重的質(zhì)量問題，運(yùn)行管理工作薄弱。工作薄弱。箱型箱型甲殼蟲甲殼蟲船型船型魚型魚型楔型楔型未來型未來型 地面交通工具地面交通工具 汽車的外形設(shè)計(jì)從最早期的箱型逐漸汽車的外形設(shè)計(jì)從最早期的箱型逐漸向今天的流線型過渡，反映了空氣動向今天

6、的流線型過渡，反映了空氣動力特性對汽車性能的影響。力特性對汽車性能的影響。大氣、海洋運(yùn)動大氣、海洋運(yùn)動 可怕的龍卷風(fēng)（可怕的龍卷風(fēng)（tornado)tornado) 對大氣運(yùn)動、海洋環(huán)流運(yùn)動及其相互作用的掌握對氣候?yàn)?zāi)害預(yù)對大氣運(yùn)動、海洋環(huán)流運(yùn)動及其相互作用的掌握對氣候?yàn)?zāi)害預(yù)報(bào)與控制、農(nóng)業(yè)、漁業(yè)、航空航海等有積極意義。報(bào)與控制、農(nóng)業(yè)、漁業(yè)、航空航海等有積極意義。流體機(jī)械和動力機(jī)械流體機(jī)械和動力機(jī)械 風(fēng)力機(jī)風(fēng)力機(jī)風(fēng)扇風(fēng)扇渦輪噴氣發(fā)動機(jī)PDC鉆頭石油、化工石油、化工 能源的開采、輸運(yùn)、冶煉各環(huán)節(jié)均離不開流體力學(xué)知識。能源的開采、輸運(yùn)、冶煉各環(huán)節(jié)均離不開流體力學(xué)知識。建筑安全和環(huán)境建筑安全和環(huán)境 世貿(mào)

7、大廈和上海環(huán)球金融大廈超高層建筑，大跨度橋梁等的設(shè)計(jì)和建造離不開風(fēng)工程。超高層建筑，大跨度橋梁等的設(shè)計(jì)和建造離不開風(fēng)工程。楊浦大橋 流體力學(xué)問題在自然界和一般的工程技術(shù)中隨處可流體力學(xué)問題在自然界和一般的工程技術(shù)中隨處可見，廣泛應(yīng)用于見，廣泛應(yīng)用于水利、機(jī)械、動力、化工、石油、土建、水利、機(jī)械、動力、化工、石油、土建、航空、航海、氣象、環(huán)境航空、航海、氣象、環(huán)境等工程技術(shù)中，是一門十分有等工程技術(shù)中，是一門十分有用的知識。用的知識。 “萬物皆流、萬物皆變?nèi)f物皆流、萬物皆變”，要更好地認(rèn)識世界，必須，要更好地認(rèn)識世界，必須學(xué)習(xí)流體力學(xué)！學(xué)習(xí)流體力學(xué)！ 總結(jié)總結(jié) 流體力學(xué)的發(fā)展簡介流體力學(xué)的發(fā)展簡

8、介 萌芽期（萌芽期（1717世紀(jì)中葉以前）世紀(jì)中葉以前） 特點(diǎn)：生產(chǎn)實(shí)踐活動是發(fā)展動力、經(jīng)驗(yàn)積累為主特點(diǎn)：生產(chǎn)實(shí)踐活動是發(fā)展動力、經(jīng)驗(yàn)積累為主 大禹治水大禹治水/ /李冰父子設(shè)計(jì)建造的李冰父子設(shè)計(jì)建造的都江堰都江堰 船船/ /帆船帆船 魯班：會飛的木鳶魯班：會飛的木鳶( (讀yun ) ) 沙漏計(jì)時(shí)沙漏計(jì)時(shí) 阿基米德定律阿基米德定律 大禹治水圖大禹治水圖古箭古箭阿基米德阿基米德 快速發(fā)展期（快速發(fā)展期（1717世紀(jì)后半葉世紀(jì)后半葉-19-19世紀(jì)）世紀(jì)） 特點(diǎn)：理論和實(shí)驗(yàn)研究方法建立、特點(diǎn)：理論和實(shí)驗(yàn)研究方法建立、 形成流體動力學(xué)、水力學(xué)兩分支形成流體動力學(xué)、水力學(xué)兩分支 主要代表人物主要代表

9、人物: : 1650 1650年帕斯卡年帕斯卡帕斯卡原理帕斯卡原理 16861686年牛頓年牛頓牛頓內(nèi)摩擦定律牛頓內(nèi)摩擦定律 17381738年伯努利年伯努利伯努利方程伯努利方程 17751775年歐拉年歐拉理想流體的運(yùn)動方程理想流體的運(yùn)動方程 18831883年雷諾年雷諾雷諾實(shí)驗(yàn)雷諾實(shí)驗(yàn) 18231823年年 納維、斯托克斯納維、斯托克斯粘性流體的運(yùn)動方程粘性流體的運(yùn)動方程 成熟發(fā)展期（成熟發(fā)展期（2020世紀(jì)初世紀(jì)初2020世紀(jì)中葉）世紀(jì)中葉） 粘性流體力學(xué)得到相當(dāng)發(fā)展，航空航天技術(shù)驚人發(fā)粘性流體力學(xué)得到相當(dāng)發(fā)展，航空航天技術(shù)驚人發(fā)展，人類的飛行夢實(shí)現(xiàn)。展，人類的飛行夢實(shí)現(xiàn)。 代表人物：代

10、表人物：庫塔 M.W.Kutta，18671944 德國儒科夫斯基（,18471921）（俄國）普朗特（L.Prandtl，18751953）(德國)馮.卡門（T.von Krmn，1881-1963）（美籍匈牙利） 20 20世紀(jì)中葉以后世紀(jì)中葉以后 廣泛的學(xué)科交叉廣泛的學(xué)科交叉與新分支：與新分支： 計(jì)算流體力學(xué)、實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)、可壓縮氣體力學(xué)、環(huán)計(jì)算流體力學(xué)、實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)、可壓縮氣體力學(xué)、環(huán)境流體力學(xué)、稀薄氣體動力學(xué)、微尺度流體力學(xué)、磁流境流體力學(xué)、稀薄氣體動力學(xué)、微尺度流體力學(xué)、磁流體力學(xué)、非牛頓流體力學(xué)、生物流體力學(xué)、多相流體力體力學(xué)、非牛頓流體力學(xué)、生物流體力學(xué)、多相流體力學(xué)、物理學(xué)、

11、物理- -化學(xué)流體力學(xué)、流體機(jī)械流體力學(xué)化學(xué)流體力學(xué)、流體機(jī)械流體力學(xué) 難點(diǎn)問題難點(diǎn)問題：湍流、流動穩(wěn)定性、非定常流湍流、流動穩(wěn)定性、非定常流流體力學(xué)在中國流體力學(xué)在中國n周培源（19021993)n錢學(xué)森 （19112009）n陸士嘉（19111986）n吳仲華（19171992） 流體力學(xué)的研究方法流體力學(xué)的研究方法 理論分析理論分析 力學(xué)模型流體力學(xué)基本方程求解分析力學(xué)模型流體力學(xué)基本方程求解分析 實(shí)驗(yàn)研究：實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)研究：實(shí)驗(yàn)流體力學(xué) 相似原理實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯?shí)驗(yàn)分析相似原理實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯?shí)驗(yàn)分析 數(shù)值模擬：計(jì)算流體力學(xué)數(shù)值模擬：計(jì)算流體力學(xué) （Computational Fluid Dyna

12、mics, CFD）全全課課程程分分章章目目錄錄1. 流體的力學(xué)性質(zhì)流體的力學(xué)性質(zhì)2. 流體流動的基本概念流體流動的基本概念3. 流體靜力學(xué)流體靜力學(xué)4. 流體流動的守恒原理流體流動的守恒原理5. 不可壓縮流體的一維層流流動不可壓縮流體的一維層流流動6. 流體流動微分方程流體流動微分方程7. 不可壓理想流體平面流（合并到不可壓理想流體平面流（合并到2）8. 管內(nèi)流體流動管內(nèi)流體流動 (書上第書上第9章章)9. 流體繞物流動流體繞物流動 (部份合并到部份合并到8)10.流體力學(xué)的實(shí)驗(yàn)研究方法流體力學(xué)的實(shí)驗(yàn)研究方法 (書上第書上第8章章)11.流體流動的數(shù)值模擬流體流動的數(shù)值模擬(CFD)基本概念

13、基本概念基本原理基本原理 及及分析方法分析方法實(shí)驗(yàn)方法實(shí)驗(yàn)方法數(shù)值模擬數(shù)值模擬本科生本科生工程流體力學(xué)工程流體力學(xué)課程的主要內(nèi)容課程的主要內(nèi)容課程考核與成績計(jì)算方法：課程考核與成績計(jì)算方法：平時(shí)作業(yè) 課堂(點(diǎn)名、提問) 結(jié)束考試流體力學(xué)流體力學(xué) 留級力學(xué)留級力學(xué)？1.1 流體、流體質(zhì)點(diǎn)、連續(xù)介質(zhì)假設(shè)流體、流體質(zhì)點(diǎn)、連續(xù)介質(zhì)假設(shè)1.2 流體的主要物理性質(zhì)流體的主要物理性質(zhì) 流體的流動性流體的流動性 流體的可壓縮性流體的可壓縮性 流體的粘滯性流體的粘滯性 作用在流體上的力作用在流體上的力 1.3 牛頓流體與非牛頓流體牛頓流體與非牛頓流體 液體和氣體的總稱。液體和氣體的總稱。無固定的形狀無固定的形狀

14、: 分子間距離大，吸引力小分子間距離大，吸引力小 （對比固體？）（對比固體？） “水可方可圓，能環(huán)山襄陵；風(fēng)無形無體，卻能拔屋倒樹水可方可圓，能環(huán)山襄陵；風(fēng)無形無體，卻能拔屋倒樹”能承受壓力，但不能承受拉力能承受壓力，但不能承受拉力易流動性：易流動性： 剪切力剪切力是流體流動的充分且必要的條件是流體流動的充分且必要的條件力學(xué)中力學(xué)中“流體流體”的定義：的定義： 在任何微小在任何微小剪切力剪切力(shearforce)的作用下都能夠發(fā)的作用下都能夠發(fā)生連續(xù)變形的物質(zhì)稱為流體。生連續(xù)變形的物質(zhì)稱為流體。流體的基本特點(diǎn)流體的基本特點(diǎn): :固體可以承受一定的剪切力而不至于宏觀變形；但流體不能。不管剪切

15、力多大（多?。?，流體都會發(fā)生宏觀運(yùn)動：旋渦 （將進(jìn)一步說明）。著名流體力學(xué)家、力學(xué)教育家。北京航空學(xué)院的籌建者之一，創(chuàng)辦了我國第一個(gè)空氣動力學(xué)專業(yè)。 體積體積為為dV=10-9 mm3 的空氣，分子數(shù)目：的空氣，分子數(shù)目： 3x107。流體的連續(xù)介質(zhì)（流體的連續(xù)介質(zhì)（Continuum）假設(shè)）假設(shè)將流體看成由無限多個(gè)流體質(zhì)點(diǎn)所組成的將流體看成由無限多個(gè)流體質(zhì)點(diǎn)所組成的密集密集而而無間無間隙隙的的連續(xù)介質(zhì)連續(xù)介質(zhì)。流體質(zhì)點(diǎn)：流體質(zhì)點(diǎn)：不呈現(xiàn)流體個(gè)別分子無規(guī)則運(yùn)動的最小部不呈現(xiàn)流體個(gè)別分子無規(guī)則運(yùn)動的最小部分所包含的大量分子的組合。分所包含的大量分子的組合。Fluid particle Fluid

16、 particle 流體質(zhì)點(diǎn)流體質(zhì)點(diǎn) 流體質(zhì)點(diǎn)：微觀上足夠大、宏觀上足夠小、具有流體質(zhì)點(diǎn)：微觀上足夠大、宏觀上足夠小、具有一定體積的一定體積的流體微團(tuán)流體微團(tuán)，各參數(shù)的統(tǒng)計(jì)平均特性即為流，各參數(shù)的統(tǒng)計(jì)平均特性即為流體的宏觀特性。體的宏觀特性。連續(xù)介質(zhì)模型的數(shù)學(xué)表達(dá)式：連續(xù)介質(zhì)模型的數(shù)學(xué)表達(dá)式：lim( , , , )lVVmx y z tV 流體密度是物性參數(shù)流體密度是物性參數(shù)某種某種流體的密度主要與流體的密度主要與 溫度溫度T和和壓強(qiáng)壓強(qiáng)p有關(guān)，有關(guān)， 即即=（p,T)混合氣體的密度混合氣體的密度niiinn12211式中：式中： 1 1， 2 2， n n 各組分氣體的密度各組分氣體的密度

17、 1 1， 2 2， n n各組分氣體所占各組分氣體所占的體積百分?jǐn)?shù)的體積百分?jǐn)?shù) 采用連續(xù)介質(zhì)假設(shè)的好處采用連續(xù)介質(zhì)假設(shè)的好處 無需關(guān)心分子的微觀運(yùn)動無需關(guān)心分子的微觀運(yùn)動 流場參數(shù)為空間坐標(biāo)的連續(xù)函數(shù)流場參數(shù)為空間坐標(biāo)的連續(xù)函數(shù) 連連續(xù)介質(zhì)假設(shè)的續(xù)介質(zhì)假設(shè)的合理性合理性 失效狀態(tài)失效狀態(tài) 外太空氣體十分稀薄外太空氣體十分稀薄 激波激波 微尺度流動（微尺度流動（MEMS-MEMS-微機(jī)電系統(tǒng)）微機(jī)電系統(tǒng)） 教科書教科書P2P2提提“連續(xù)介質(zhì)模型連續(xù)介質(zhì)模型”有有3 3條要點(diǎn)，其實(shí)歸結(jié)條要點(diǎn)，其實(shí)歸結(jié)為只有一個(gè)要點(diǎn)：為只有一個(gè)要點(diǎn)： 假設(shè)流體的任一物理參數(shù)假設(shè)流體的任一物理參數(shù) （密度、壓力、速

18、度、溫（密度、壓力、速度、溫度等等），都是空間坐標(biāo)和時(shí)間的連續(xù)可導(dǎo)函數(shù)，度等等），都是空間坐標(biāo)和時(shí)間的連續(xù)可導(dǎo)函數(shù)， = = (x, y, z, t)(x, y, z, t)1.2.1流體的易流動性流體的易流動性 （如前所述）（如前所述）1.2.2流體的可壓縮性流體的可壓縮性 （Compressibility）體積壓縮系數(shù)：體積壓縮系數(shù)：一定溫度下單位壓力變化引起的體積一定溫度下單位壓力變化引起的體積的的相對收縮相對收縮 。/1pdV VdVdpV dp體積彈性模數(shù)體積彈性模數(shù): 單位體積的相對變化所需要的單位體積的相對變化所需要的壓力增量壓力增量.1/VpdpEdV V 恒為正，單位：1/P

19、a,m2/Np 越大可壓縮性越大。恒為正，單位與壓力相同：PaEV 越大可壓縮性越小。和流體密度相似，和流體密度相似，pEV液體和氣體的可壓縮性顯著不同：液體和氣體的可壓縮性顯著不同：例：例：20和標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下水和標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下水EV2109Pa,求當(dāng)壓力增求當(dāng)壓力增大大1atm（ 1.013105Pa ）時(shí)體積減小率為多少？）時(shí)體積減小率為多少？ 1/VpdpEdV V 5391.013 105 102 10VdVdpVE 氣體的壓縮性與壓縮的熱力學(xué)過程有關(guān)氣體的壓縮性與壓縮的熱力學(xué)過程有關(guān)，受具體過程，受具體過程參數(shù)的影響也較大，但整體上壓縮性表現(xiàn)較易于壓縮。參數(shù)的影響也較大，但整體上壓縮性

20、表現(xiàn)較易于壓縮。10nnndppVconst npVV dpnpVdV 1/VndpEpdV V 等溫壓縮，/Vn kdpEkpdV V 等熵壓縮，空氣空氣EV 105 N/m2例：例：理想氣體理想氣體液體的可壓縮很小液體的可壓縮很小，是難于壓縮的流體，而且其可壓，是難于壓縮的流體，而且其可壓縮性（縮性（ p或或EV ）受溫度和壓力的影響也相對較小。）受溫度和壓力的影響也相對較小。嚴(yán)格地說，絕對不可壓縮流體是不存在的嚴(yán)格地說，絕對不可壓縮流體是不存在的;真實(shí)的流體真實(shí)的流體都是可壓縮的。都是可壓縮的。流體是否是可壓縮，判斷的主要依據(jù)是：可壓縮性對流體是否是可壓縮，判斷的主要依據(jù)是：可壓縮性對流體流動影響的大小。流體流動影響的大小。水通常為不可壓，但水中爆炸、水擊（水錘）是可壓；水通常為不可壓，但水中爆炸、水擊（水錘）是可壓；空氣通常被認(rèn)為可壓，但流速空氣通常被認(rèn)為可壓，但流速 內(nèi)聚力內(nèi)聚力液面上升液面上升附著力附著力 內(nèi)聚力內(nèi)聚力液面下降液面下降毛細(xì)現(xiàn)象毛細(xì)現(xiàn)象: :液體在細(xì)管中能液體在細(xì)管中能上升上升或或下降下降的現(xiàn)象的現(xiàn)象. 2cos44cosddghhgd ：液體種類，管徑、管子材料，液面上流體：液體種類，管徑、管子材料，液面上流體種類及溫度種類及溫度管內(nèi)液柱高管內(nèi)液柱高h(yuǎn): h: 液柱所受表面液柱所