工程流體力學(xué)：第01章 流體的力學(xué)性質(zhì)

1、工程流體力學(xué)課程基本情況學(xué)時(shí)學(xué)分： 32學(xué)時(shí)，2學(xué)分課程性質(zhì)：專業(yè)基礎(chǔ)課先修課程：高等數(shù)學(xué)、大學(xué)物理、理論力學(xué)課程教材：工程流體力學(xué)(第2版), 黃衛(wèi)星等編，化學(xué)工業(yè)出版社.參考書：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，2011. 流體力學(xué)及其工程應(yīng)用，E.J.Finnemore著，錢翼稷(j)等譯， 機(jī)械工業(yè)出版社，2009.粘性流體動(dòng)力學(xué)，陳矛章編，高等教育出版社，2002化工流體力學(xué)，戴干策 陳敏恒編，化學(xué)工業(yè)出版社，2005馮卡門傳，馮卡門著，曹開誠譯，上?？茖W(xué)技術(shù)出版社。流體力學(xué)課程的主要任務(wù)： 研究流體與物體之間的相互作用以及流體在靜止或運(yùn)動(dòng)時(shí)所遵循的

2、基本規(guī)律?！肮こ獭薄傲黧w力學(xué)”課程的特點(diǎn):1. 專業(yè)基礎(chǔ)課由 基礎(chǔ) 向 專業(yè) 過渡的一門課程；2. 是工科學(xué)生必須具備的一門基礎(chǔ)知識(shí)；3.“工程”“流體力學(xué)” 流體力學(xué)嚴(yán)格的基礎(chǔ)理論【物理力學(xué)流體力學(xué)】+) 工程 的作風(fēng)做法 【近似、簡化、工程誤差要求】流體力學(xué) 留級(jí)力學(xué)？ 流體力學(xué)在工程中的應(yīng)用 (為什么要學(xué)) 大雁的飛行團(tuán)隊(duì)人類在空氣、水中的運(yùn)動(dòng) 鳥類飛行 船舶的設(shè)計(jì): 浮力定理與浮體穩(wěn)定性.大型潛艇的艦體設(shè)計(jì)與推進(jìn)系統(tǒng)更是離不開流體力學(xué)知識(shí)。美國高超音速樣機(jī)火箭導(dǎo)彈發(fā)射 航空/航海/國防 水利工程 1993年青海溝后水庫垮壩 1993年8月27日夜間，庫容為330萬立方米的青海省海南藏族

3、自治州溝后水庫在庫水位低于設(shè)計(jì)水位0.75米的情況下突然垮壩失事，造成288人死亡，40人失蹤,直接經(jīng)濟(jì)損失1.53億元. 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。箱型甲殼蟲船型魚型楔型未來型 地面交通工具 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(dòng)力特性對(duì)汽車性能的影響。大氣、海洋運(yùn)動(dòng) 可怕的龍卷風(fēng)（tornado) 對(duì)大氣運(yùn)動(dòng)、海洋環(huán)流運(yùn)動(dòng)及其相互作用的掌握對(duì)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。流體機(jī)械和動(dòng)力機(jī)械 風(fēng)力機(jī)風(fēng)扇渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)PDC鉆頭石油、化工 能源的開采、輸運(yùn)、冶煉各環(huán)節(jié)均離不開流體

4、力學(xué)知識(shí)。建筑安全和環(huán)境 世貿(mào)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。楊浦大橋 流體力學(xué)問題在自然界和一般的工程技術(shù)中隨處可見，廣泛應(yīng)用于水利、機(jī)械、動(dòng)力、化工、石油、土建、航空、航海、氣象、環(huán)境等工程技術(shù)中，是一門十分有用的知識(shí)。 “萬物皆流、萬物皆變”，要更好地認(rèn)識(shí)世界，必須學(xué)習(xí)流體力學(xué)！ 總結(jié) 流體力學(xué)的發(fā)展簡介 萌芽期（17世紀(jì)中葉以前） 特點(diǎn)：生產(chǎn)實(shí)踐活動(dòng)是發(fā)展動(dòng)力、經(jīng)驗(yàn)積累為主 大禹治水/李冰父子設(shè)計(jì)建造的都江堰 船/帆船 魯班：會(huì)飛的木鳶(讀yun ) 沙漏計(jì)時(shí) 阿基米德定律 大禹治水圖古箭阿基米德 快速發(fā)展期（17世紀(jì)后半葉-19世紀(jì)） 特點(diǎn)：理

5、論和實(shí)驗(yàn)研究方法建立、 形成流體動(dòng)力學(xué)、水力學(xué)兩分支 主要代表人物: 1650年帕斯卡帕斯卡原理 1686年牛頓牛頓內(nèi)摩擦定律 1738年伯努利伯努利方程 1775年歐拉理想流體的運(yùn)動(dòng)方程 1883年雷諾雷諾實(shí)驗(yàn) 1823年 納維、斯托克斯粘性流體的運(yùn)動(dòng)方程 成熟發(fā)展期（20世紀(jì)初20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)展，人類的飛行夢實(shí)現(xiàn)。 代表人物：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世紀(jì)中葉以

6、后 廣泛的學(xué)科交叉與新分支： 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)境流體力學(xué)、稀薄氣體動(dòng)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)、多相流體力學(xué)、物理-化學(xué)流體力學(xué)、流體機(jī)械流體力學(xué) 難點(diǎn)問題：湍流、流動(dòng)穩(wěn)定性、非定常流流體力學(xué)在中國周培源（19021993)錢學(xué)森 （19112009）陸士嘉（19111986）吳仲華（19171992） 流體力學(xué)的研究方法 理論分析 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) 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) （Computational Fluid Dynamics, CFD）全課程分章目錄流體的

7、力學(xué)性質(zhì)流體流動(dòng)的基本概念流體靜力學(xué)流體流動(dòng)的守恒原理不可壓縮流體的一維層流流動(dòng)流體流動(dòng)微分方程不可壓理想流體平面流（合并到2）管內(nèi)流體流動(dòng) (書上第9章)流體繞物流動(dòng) (部份合并到8)流體力學(xué)的實(shí)驗(yàn)研究方法 (書上第8章)流體流動(dòng)的數(shù)值模擬(CFD)基本概念基本原理 及分析方法實(shí)驗(yàn)方法數(shù)值模擬本科生工程流體力學(xué)課程的主要內(nèi)容課程考核與成績計(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) 留級(jí)力學(xué)？第一章 流體的力學(xué)性質(zhì) 1.1 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) 流體的流動(dòng)性 流體的可壓縮性 流體的粘滯性 作用在流體上的力 1.3 牛頓流體與非牛頓流體1.1 流體

8、、流體質(zhì)點(diǎn)、連續(xù)介質(zhì)假設(shè)一、流體： 液體和氣體的總稱。流體是相對(duì)固體而言的。 無固定的形狀: 分子間距離大，吸引力小 （對(duì)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”能承受壓力，但不能承受拉力易流動(dòng)性： 剪切力是流體流動(dòng)的充分且必要的條件力學(xué)中“流體”的定義： 在任何微小剪切力(shear force)的作用下都能夠發(fā)生連續(xù)變形的物質(zhì)稱為流體。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。不管剪切力多大（多?。?，流體都會(huì)發(fā)生宏觀運(yùn)動(dòng)：旋渦 （將進(jìn)一步說明）?！傲黧w經(jīng)不起搓，一搓就搓起了渦”陸士嘉（19111986）著名流體力學(xué)家、力學(xué)教育家。北京航空

9、學(xué)院的籌建者之一，創(chuàng)辦了我國第一個(gè)空氣動(dòng)力學(xué)專業(yè)。二、流體質(zhì)點(diǎn)及連續(xù)介質(zhì)假設(shè) 從微觀角度看：流體分子之間存在空隙，流體物理量的分布在空間和時(shí)間上都是不連續(xù)的。 但宏觀尺度看，即使是很小的體積中，包含的分子數(shù)目也是十分巨大的。例如標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下， 體積為dV=10-9 mm3 的空氣，分子數(shù)目： 3x107。 流體力學(xué)中，感興趣的是流體的宏觀特性，即有連續(xù)介質(zhì)假設(shè)的提出。流體的連續(xù)介質(zhì)（Continuum）假設(shè)將流體看成由無限多個(gè)流體質(zhì)點(diǎn)所組成的密集而無間隙的連續(xù)介質(zhì)。流體質(zhì)點(diǎn)：不呈現(xiàn)流體個(gè)別分子無規(guī)則運(yùn)動(dòng)的最小部分所包含的大量分子的組合。Fluid particle 流體質(zhì)點(diǎn) 流體質(zhì)點(diǎn)：微觀上足夠

10、大、宏觀上足夠小、具有一定體積的流體微團(tuán)，各參數(shù)的統(tǒng)計(jì)平均特性即為流體的宏觀特性。連續(xù)介質(zhì)模型的數(shù)學(xué)表達(dá)式：v1流體平均密度隨微團(tuán)體積的變化v0v流體密度是物性參數(shù)某種流體的密度主要與 溫度T和壓強(qiáng)p有關(guān)， 即=（p,T)混合氣體的密度式中：1， 2， n 各組分氣體的密度 1， 2， n各組分氣體所占的體積百分?jǐn)?shù) 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(dòng) 流場參數(shù)為空間坐標(biāo)的連續(xù)函數(shù) 連續(xù)介質(zhì)假設(shè)的合理性 失效狀態(tài) 外太空氣體十分稀薄 激波 微尺度流動(dòng)（MEMS-微機(jī)電系統(tǒng)）教科書P2提“連續(xù)介質(zhì)模型”有3條要點(diǎn)，其實(shí)歸結(jié)為只有一個(gè)要點(diǎn)： 假設(shè)流體的任一物理參數(shù)（密度、壓力、速度、溫度

11、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)1.2.1流體的易流動(dòng)性 （如前所述）1.2 流體的力學(xué)性質(zhì)1.2.2流體的可壓縮性 （Compressibility）體積壓縮系數(shù)：一定溫度下單位壓力變化引起的體積的相對(duì)收縮 。體積彈性模數(shù): 單位體積的相對(duì)變化所需要的壓力增量.恒為正，單位：1/Pa, m2/Np 越大可壓縮性越大。恒為正，單位與壓力相同：Pa EV 越大可壓縮性越小。和流體密度相似，p和 EV 也都是物性參數(shù)。液體和氣體的可壓縮性顯著不同：例：20和標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下水EV2109Pa,求當(dāng)壓力增大1atm（ 1.013105Pa ）時(shí)體積減小率為多少？

12、氣體的壓縮性與壓縮的熱力學(xué)過程有關(guān)，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。空氣EV 105 N/m2例：理想氣體液體的可壓縮很小，是難于壓縮的流體，而且其可壓縮性（ p或EV ）受溫度和壓力的影響也相對(duì)較小?？蓧嚎s流體與不可壓縮流體嚴(yán)格地說，絕對(duì)不可壓縮流體是不存在的;真實(shí)的流體都是可壓縮的。當(dāng) p 引起的 很小時(shí)，可認(rèn)為此時(shí)流體為不可壓：constEV 流體是否是可壓縮，判斷的主要依據(jù)是：可壓縮性對(duì)流體流動(dòng)影響的大小。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，但流速內(nèi)聚力液面上升附著力內(nèi)聚力液面下降毛細(xì)現(xiàn)象:液體在細(xì)管中能上升或下降的現(xiàn)象. h的影響因素：液體種類，管徑、管子材料，液面上流體種類及溫度注意：工程中通常忽略毛細(xì)現(xiàn)象，但細(xì)管測量不可忽略管內(nèi)液柱高h(yuǎn): 液柱所受表面張力的總和與液柱的重量靜力平衡求蜻蜓的體重Cross-sectionof bug legq 設(shè): s = 7.3x10-2 N/m q = 25共有六條腿、每條腿與水面接觸長度為5mm.拉普拉斯公式(見P8）彎曲液面附加的壓力差1.3 牛頓流體與非牛頓流體牛頓流體： 切應(yīng)力與速度梯度之間呈線性關(guān)系，即動(dòng)力黏性系數(shù)為流體的物性參數(shù)（通常只與流體種類、溫度、壓力有關(guān)，對(duì)一定種類的流體， 隨溫度和壓力的變化很小，可近