第1章_緒論_流體力學(xué)

1、流體力學(xué) 緒 論流體力學(xué)及其任務(wù)作用在流體上的力流體的主要物理性質(zhì)牛頓流體和非牛頓流體第一節(jié)第一節(jié) 流體力學(xué)的任務(wù)及發(fā)展簡(jiǎn)史流體力學(xué)的任務(wù)及發(fā)展簡(jiǎn)史 一、研究?jī)?nèi)容一、研究?jī)?nèi)容流、固體相互作用流、固體相互作用流動(dòng)規(guī)律流動(dòng)規(guī)律平衡規(guī)律平衡規(guī)律絕對(duì)靜止絕對(duì)靜止相對(duì)靜止相對(duì)靜止壓力分布?jí)毫Ψ植級(jí)毫τ?jì)算壓力計(jì)算管管 流流繞繞 流流明明 渠流渠流速度分布速度分布?jí)毫Ψ植級(jí)毫Ψ植寄芰繐p失能量損失力與流動(dòng)的關(guān)系力與流動(dòng)的關(guān)系流體動(dòng)力學(xué)流體動(dòng)力學(xué)流體運(yùn)動(dòng)學(xué)流體運(yùn)動(dòng)學(xué)流體靜力學(xué)流體靜力學(xué)第一節(jié)第一節(jié) 流體力學(xué)的任務(wù)及發(fā)展簡(jiǎn)史流體力學(xué)的任務(wù)及發(fā)展簡(jiǎn)史掌掌 握握基本概念、基本原理基本概念、基本原理 基本計(jì)算方法基本計(jì)

2、算方法公式推導(dǎo)的前提條件、適用范圍公式推導(dǎo)的前提條件、適用范圍 各種系數(shù)的確定方法各種系數(shù)的確定方法 結(jié)合實(shí)際靈活運(yùn)用結(jié)合實(shí)際靈活運(yùn)用測(cè)壓、測(cè)速、測(cè)流量的儀器原理測(cè)壓、測(cè)速、測(cè)流量的儀器原理 使用方法使用方法二、重點(diǎn)內(nèi)容二、重點(diǎn)內(nèi)容 明明 確確 熟熟 悉悉公元前507-公元前444)“假如給我一個(gè)支點(diǎn)，我就能撬起地球。” 浸在靜止流體中的物體受到流體作用的合力大小等于物體排開(kāi)的流體的重力。Martin Kemp, Leonardo lifts off: A wing designed by Leonardo da Martin Kemp, Leonardo lifts off: A wing

3、designed by Leonardo da Vinci proves to be aerodynamic. Nature Vol. 421, 20 February 2003Vinci proves to be aerodynamic. Nature Vol. 421, 20 February 2003 .p221vTp pVVtV1)(pVVtV1)(020)(NmaF Navier (1785-1836)Stokes (1819-1903)xxxxxxxxgxpzvyvxvzvvyvvxvvv)()(222222zyxyyyyyyyygxpzvyvxvzvvyvvxvvv)()(222

4、222zyxzzzzzzzzgxpzvyvxvzvvyvvxvvv)()(222222zyx這些瘋狂的云朵被稱之為“開(kāi)爾文-赫姆霍茲波浪”，外形好似一層層海浪。它們是在兩個(gè)密度不同的空氣層或者液體層以不同速度彼此穿過(guò)對(duì)方時(shí)在分界線上被“剪”出來(lái)的。ULRe 超臨界翼型驗(yàn)證試飛中的超臨界翼型驗(yàn)證試飛中的TFTF8A8A Taylor (1886-1975) 流體力學(xué)流體力學(xué)流體力學(xué)流體力學(xué)流體力學(xué)流體力學(xué)氣象氣象氣象氣象氣象氣象工業(yè)工業(yè)工業(yè)工業(yè)工業(yè)工業(yè)水利水利水利水利水利水利運(yùn)輸運(yùn)輸運(yùn)輸運(yùn)輸運(yùn)輸運(yùn)輸航空航空航空航空航空航空環(huán)境環(huán)境環(huán)境環(huán)境環(huán)境環(huán)境體育體育體育體育體育體育海洋海洋海洋海洋海洋海洋建

5、筑建筑建筑建筑建筑建筑 流體力學(xué)在中國(guó)流體力學(xué)在中國(guó)v錢(qián)學(xué)森錢(qián)學(xué)森 錢(qián)學(xué)森（1911）浙江省杭州市人， 他在火箭、導(dǎo)彈、航天器的總體、動(dòng)力、制導(dǎo)、氣動(dòng)力、結(jié)構(gòu)、材料、計(jì)算機(jī)、質(zhì)量控制和科技管理等領(lǐng)域的豐富知識(shí)，為中國(guó)火箭導(dǎo)彈和航天事業(yè)的創(chuàng)建與發(fā)展作出了杰出的貢獻(xiàn)。1957年獲中國(guó)科學(xué)院自然科學(xué)一等獎(jiǎng)，1979年獲美國(guó)加州理工學(xué)院杰出校友獎(jiǎng)，1985年獲國(guó)家科技進(jìn)步獎(jiǎng)特等獎(jiǎng)。1989年獲小羅克維爾獎(jiǎng)?wù)潞褪澜缂?jí)科學(xué)與工程名人稱號(hào)，1991年被國(guó)務(wù)院、中央軍委授予“國(guó)家杰出貢獻(xiàn)科學(xué)家”榮譽(yù)稱號(hào)和一級(jí)英模獎(jiǎng)?wù)隆Ａ黧w力學(xué)在中國(guó)流體力學(xué)在中國(guó)v周培源（ 19021993)。 1902年8月28日出生，江蘇

6、宜興人。理論學(xué)家、流體力學(xué)家主要從事物理學(xué)的基礎(chǔ)理論中難度最大的兩個(gè)方面即愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論引力論和流體力學(xué)中的湍流理論的研究與教學(xué)并取得出色成果。吳仲華吳仲華（Wu Zhonghua）在1952年發(fā)表的在軸流式、 徑流式和混流式亞聲速和超聲速葉輪機(jī)械中的三元流普遍理論和在1975年發(fā)表的使用非正交曲線坐標(biāo)的葉輪機(jī)械三元流動(dòng)的基本方程及其解法兩篇論文中所建立的葉輪機(jī)械三元流理論，至今仍是國(guó)內(nèi)外許多優(yōu)良葉輪機(jī)械設(shè)計(jì)計(jì)算的主要依據(jù)。第一節(jié)第一節(jié) 流體力學(xué)的任務(wù)及發(fā)展簡(jiǎn)史流體力學(xué)的任務(wù)及發(fā)展簡(jiǎn)史第三時(shí)期：第三時(shí)期： 近近 代代三、流體力學(xué)發(fā)展史三、流體力學(xué)發(fā)展史 三元流動(dòng)理論三元流動(dòng)理論 計(jì)算流體力

7、學(xué)計(jì)算流體力學(xué) 多相流多相流 環(huán)境流體力學(xué)環(huán)境流體力學(xué) 磁流體力學(xué)磁流體力學(xué) 非牛頓流體力學(xué)非牛頓流體力學(xué)連續(xù)介質(zhì)假設(shè)流體力學(xué)的研究方法流體力學(xué)的研究方法v現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)是對(duì)自然界固有的流動(dòng)現(xiàn)象或已有工程的全尺寸流動(dòng)現(xiàn)象，利用各種儀器進(jìn)行系統(tǒng)觀測(cè)，從而總結(jié)出流體運(yùn)動(dòng)的規(guī)律，并借以預(yù)測(cè)流動(dòng)現(xiàn)象的演變。模型實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯?shí)驗(yàn)在流體力學(xué)中占有重要地位。根據(jù)理論指導(dǎo)，把研究對(duì)象的尺度改變(放大或縮小)以便能安排實(shí)驗(yàn)。有些流動(dòng)現(xiàn)象難于靠理論計(jì)算解決，有的則不可能做原型實(shí)驗(yàn)(成本太高或規(guī)模太大)。這時(shí)，根據(jù)模型實(shí)驗(yàn)所得的數(shù)據(jù)可以用像換算單位制那樣的簡(jiǎn)單算法求出原型的數(shù)據(jù)?，F(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)常常是對(duì)已有事物、已有工程的觀

8、測(cè)，而實(shí)驗(yàn)室模擬卻可以對(duì)還沒(méi)有出現(xiàn)的事物、沒(méi)有發(fā)生的現(xiàn)象(如待設(shè)計(jì)的工程、機(jī)械等)進(jìn)行觀察，使之得到改進(jìn)。因此，實(shí)驗(yàn)室模擬是研究流體力學(xué)的重要方法。 流體力學(xué)的研究方法v理論分析理論分析是根據(jù)流體運(yùn)動(dòng)的普遍規(guī)律如質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒、能量守恒等，利用數(shù)學(xué)分析的手段，研究流體的運(yùn)動(dòng)，解釋已知的現(xiàn)象，預(yù)測(cè)可能發(fā)生的結(jié)果。理論分理論分析的步驟析的步驟大致如下：首先是建立“力學(xué)模型力學(xué)模型”，即針對(duì)實(shí)際流體的力學(xué)問(wèn)題，分析其中的各種矛盾并抓住主要方面，對(duì)問(wèn)題進(jìn)行簡(jiǎn)化而建立反映問(wèn)題本質(zhì)的“力學(xué)模型”。v其次是針對(duì)流體運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)，用數(shù)學(xué)語(yǔ)言表達(dá)，從而得到連續(xù)性方程、動(dòng)量方程和能量方程連續(xù)性方程、動(dòng)量方程和能

9、量方程。此外，還要加上某些聯(lián)系流動(dòng)參量的關(guān)系式(例如狀態(tài)方程) 。這些方程合在一起稱為流體力學(xué)基本方程組。求出方程組的解后，結(jié)合具體流動(dòng)，解釋這些解的物理含義和流動(dòng)機(jī)理。流體力學(xué)的研究方法v流體力學(xué)的基本方程組非常復(fù)雜，在考慮粘性作用時(shí)更是如此。20世紀(jì)3040年代，對(duì)于復(fù)雜而又特別重要的流體力學(xué)問(wèn)題，曾組織過(guò)人力用幾個(gè)月甚至幾年的時(shí)間做數(shù)值計(jì)算，比如圓錐做超聲速飛行時(shí)周圍的無(wú)粘流場(chǎng)就從1943年一直算到1947年。數(shù)學(xué)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)的不斷進(jìn)步，以及流體力學(xué)各種計(jì)算方法的發(fā)明，使許多原來(lái)無(wú)法用理論分析求解的復(fù)雜流體力學(xué)問(wèn)題有了求得數(shù)值解的可能性，這又促進(jìn)了流體力學(xué)計(jì)算方法的發(fā)展，并形成了“計(jì)算

10、流體力學(xué)計(jì)算流體力學(xué)”。pAPpAPpAlimATATA limmFf mFXXmFYymFZZ重力場(chǎng)中:X=0,Y=0,Z=-g流體的基本特征流體的基本特征)/(3mKgVmVmV0lim)/(3mKNVGVGV0limgVmgVG3/1000mKg水3/9.8mKN水3/133.3mKN水銀3/20. 1mkg空氣dtdAdyduAF 1.牛頓平板試驗(yàn)牛頓平板試驗(yàn)( )Uu yyhUFAh1FF1F1Fu=Uu=0dyu+ duu二、流體的粘性二、流體的粘性U=ConstFF 充滿靜止流體充滿靜止流體FUAhu=0u=Udyu+ duuFduAdy 粘性切應(yīng)力與速度梯度成正比粘性切應(yīng)力與速

11、度梯度成正比比例系數(shù)稱比例系數(shù)稱動(dòng)力粘性系數(shù)動(dòng)力粘性系數(shù)，簡(jiǎn)稱，簡(jiǎn)稱粘度粘度。3 流體的粘性系數(shù)流體的粘性系數(shù)（1）動(dòng)力粘性系數(shù)）動(dòng)力粘性系數(shù)Dynamic viscosity物理常數(shù)物理常數(shù)NSNSm masas 氣體氣體：溫度上升：溫度上升, , 升高升高 液體液體: : 溫度上升，溫度上升，下降下降(3) 與溫度的關(guān)系與溫度的關(guān)系（2）運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù)運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù)Kinematic viscosity壓力的變化對(duì)壓力的變化對(duì)的影響不大的影響不大(1)(1)液體之間的粘性力主要由分子內(nèi)聚力形成液體之間的粘性力主要由分子內(nèi)聚力形成(2)(2)氣體之間的粘性力主要由分子動(dòng)量交換形成氣體之間的粘性力

12、主要由分子動(dòng)量交換形成4.4.粘性產(chǎn)生的原因粘性產(chǎn)生的原因四、真實(shí)流體和理想流體四、真實(shí)流體和理想流體理想流體理想流體00在固體表面上發(fā)在固體表面上發(fā)生相對(duì)滑移生相對(duì)滑移在固體表面上其流速在固體表面上其流速與固體的速度相同與固體的速度相同真實(shí)流體真實(shí)流體0相互接觸的流體層之相互接觸的流體層之間有剪切應(yīng)力作用間有剪切應(yīng)力作用（壁面不滑移條件）（壁面不滑移條件） 米秒米秒 粘性系數(shù)粘性系數(shù)：與流體物性有關(guān)的物理常數(shù)：與流體物性有關(guān)的物理常數(shù) 運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù)運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù)：N Ns s2 2帕帕秒秒a as sd ud y牛頓型流體牛頓型流體： 如空氣、水、汽油、煤油、甲醇、乙醇、甲苯如空氣、水、汽油、

13、煤油、甲醇、乙醇、甲苯非牛頓型流體非牛頓型流體：凝膠、高分子溶液、泥漿、紙漿、油漆、乳化液dtddyduAFdydudtd)(spa)/(2sm2000221. 00337. 0101775. 0tt 0yuATmgddsin001. 0145. 04 . 062.22sin8 . 95sinuAmgsPa1047. 0u例題1-2 一 底 面 積 為45x40cm2 ， 高 為 5cm 的 木 塊， 質(zhì) 量 為5kg ， 沿 涂 有 潤(rùn) 滑 油 的 斜 面 向 下 作 等 速 運(yùn) 動(dòng)， 木 塊 運(yùn) 動(dòng) 速 度u=1m/s ， 油 層 厚 度1mm ， 斜 坡 角22.620 ， 求 油 的

14、粘 度 。解： 木 塊 重 量 沿 斜 坡 分 力 F 與 切 力 T平 衡 時(shí)， 等 速 下 滑2/ )(dDvdldyduATNT5 .26例題1-3在圖中，汽缸內(nèi)壁的直徑D=12cm、活塞的直徑d=11.96cm，活塞的長(zhǎng)度l=14cm，活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)的速度為v=1m/s，潤(rùn)滑油的 =0.1Pa.s，試問(wèn)作用在活塞上的粘性力為多少？解：因粘性的作用，粘附在汽缸內(nèi)壁的潤(rùn)滑油速度為零，粘附在活塞外沿的潤(rùn)滑油與活塞的速度相同，由于活塞與汽缸的間距很小，潤(rùn)滑油的速度可近似認(rèn)為是從零線性變化到1m/s。由牛頓內(nèi)摩擦定律)/(2NmdpVdV)/1 (1KdTdVVv)/(12mNdVVdpK2。氣體

15、的壓縮性和膨脹性氣體與液體不同，具有顯著的壓縮性和膨脹性一般常溫常壓下，常用氣體的密度、壓強(qiáng)、溫度三者之間的關(guān)系，符合完全氣體狀態(tài)方程RTp式中：p為氣體的絕對(duì)壓強(qiáng)，為氣體的密度，T為氣體的熱力學(xué)溫度，R為氣體常數(shù)。空氣的氣體常數(shù)為287J/kg.K不可壓縮流體: 密度幾乎不變,按常數(shù)考慮.crh15rh07.5（六）（六）汽化壓強(qiáng)汽化壓強(qiáng)汽化壓強(qiáng)是指液體汽化和凝結(jié)達(dá)到平衡時(shí)液面汽化壓強(qiáng)是指液體汽化和凝結(jié)達(dá)到平衡時(shí)液面的壓強(qiáng)。汽化壓強(qiáng)隨液體的種類和溫度的不同而改的壓強(qiáng)。汽化壓強(qiáng)隨液體的種類和溫度的不同而改變。實(shí)際工程中的空化現(xiàn)象與液體的汽化壓強(qiáng)有關(guān)，變。實(shí)際工程中的空化現(xiàn)象與液體的汽化壓強(qiáng)有關(guān)，需要注意。需要注意。綜上所述，流體的慣性、重力特性和粘滯性對(duì)綜上所述，流體的慣性、重力特性和粘滯性對(duì)流體運(yùn)