流體力學(xué)B課件 第一章

1、流體力學(xué) 李 旭武漢理工大學(xué)工程結(jié)構(gòu)與力學(xué)系2014年9月任課教師簡(jiǎn)介李旭，講師教育背景：20002005，上海大學(xué)，土木工程系，本科20052008，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)，近代力學(xué)系，碩士20082012，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)，近代力學(xué)系，博士工作經(jīng)歷：2012至今，武漢理工大學(xué)，工程結(jié)構(gòu)與力學(xué)系承擔(dān)課程：CAD建模、有限元分析、流體力學(xué)等電話(huà)Email：課程相關(guān)介紹成績(jī)：平時(shí)15%+實(shí)驗(yàn)15%+考試70%Attendance, Exercise, Answer questions in class etc.教材 丁祖榮，流體力學(xué)（第2版），高等教育出版社參考書(shū) 吳望一，流

2、體力學(xué)，北京大學(xué)出版社 莊禮賢，流體力學(xué)，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社流體力學(xué)的研究任務(wù)流體的宏觀平衡流體力學(xué)流體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律力學(xué)流體靜力學(xué)流體動(dòng)力學(xué) 基礎(chǔ)知識(shí)高等數(shù)學(xué)，大學(xué)物理，理論力學(xué)旋轉(zhuǎn)球生活中的流體力學(xué) 瑪格努斯效應(yīng)生活中的流體力學(xué)高爾夫球，表面光滑還是粗糙？ 高爾夫球表面有很多窩坑 在同樣大小和重量下，飛 行距離為光滑球的5倍 當(dāng)時(shí)人們認(rèn)為汽車(chē)的阻力主要來(lái)自前部對(duì)空氣的撞擊，因此早期的汽車(chē)后部是陡峭的，稱(chēng)為箱型車(chē)，阻力系數(shù)很大，約為0.8。 實(shí)際上汽車(chē)阻力主要來(lái)自后部形成的尾流，稱(chēng)為形狀阻力汽車(chē)的阻力 19世紀(jì)末工程中的流體力學(xué)工程中的流體力學(xué)汽車(chē)的阻力 20世紀(jì)30年代甲殼蟲(chóng)型 CD =

3、0.6 20世紀(jì)50-60年代船型 CD = 0.45工程中的流體力學(xué)汽車(chē)的阻力 80年代魚(yú)型 CD = 0.3 90年代楔型 CD = 0.2工程中的流體力學(xué)汽車(chē)的阻力 90年代以后未來(lái)型汽車(chē) CD= 0.137工程中的流體力學(xué)機(jī)翼升力 環(huán)量的存在導(dǎo) 致升力Boeing 74770.764.4 19.41 (m) 395 000kg醫(yī)學(xué)中的流體力學(xué)傳統(tǒng)工業(yè)中的流體力學(xué)水過(guò)熱蒸汽推動(dòng)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)在汽機(jī)葉柵中膨脹、加速熱能機(jī)械能汽輪機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電機(jī)械能電能經(jīng)鍋爐加熱流體力學(xué)的應(yīng)用流體力學(xué)環(huán)境氣象能源醫(yī)學(xué)水利交通航空體育海洋土建流體力學(xué)的發(fā)展歷程古典流體力學(xué)阿基米德（Archimedes,28

4、7-212 B.C.希臘）浮力定律流體力學(xué)的發(fā)展歷程古典流體力學(xué)牛頓運(yùn)動(dòng)定理與微積分流體力學(xué)的發(fā)展歷程古典流體力學(xué)拉格朗日（J-L.Lagrange，17361813，意大利)歐拉（L.Euler, 1707-1783,瑞士）描述流體運(yùn)動(dòng)的方法流體力學(xué)的發(fā)展歷程古典流體力學(xué)伯努利方程伯努利（D.Bernouli 17001782，瑞士）流體力學(xué)的發(fā)展歷程古典流體力學(xué)粘性流體運(yùn)動(dòng)方程納維（L.Navier） 和 斯托克斯（G.Stokes）（17851836，法國(guó)）（18191903，英國(guó)）流體力學(xué)的發(fā)展歷程古典流體力學(xué)層流與湍流雷諾（O.Reynolds，18421912，愛(ài)爾蘭）流體力學(xué)的發(fā)

5、展歷程現(xiàn)代流體力學(xué)邊界層理論普朗特（L.Prandtl，18751953，德國(guó)）流體力學(xué)的發(fā)展歷程現(xiàn)代流體力學(xué)卡門(mén)渦與泰勒渦卡門(mén)（V.Karman，18811963，美國(guó)）泰勒（G.Taylor，18861975，英國(guó)）流體力學(xué)的發(fā)展歷程現(xiàn)代流體力學(xué)湍流理論、氣動(dòng)力學(xué)周培源（19021993）錢(qián)學(xué)森（19112009）流體力學(xué)的研究方法理論分析方法建立模型推導(dǎo)方程求解方程解釋結(jié)果 理論分析揭示了流動(dòng)的內(nèi)在規(guī)律，具有 普遍適用性，但分析范圍有限流體力學(xué)的研究方法實(shí)驗(yàn)方法相似理論模型試驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)分析 反映實(shí)際流動(dòng)規(guī)律，發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象，檢驗(yàn) 理論結(jié)果等，但結(jié)果的普適性較差流體力學(xué)的研究方法數(shù)值模擬方法數(shù)

6、學(xué)模型離散化編程計(jì)算檢驗(yàn)結(jié)果 能求解理論方法無(wú)法求解或難于的數(shù)學(xué)方程，適用范圍受數(shù)學(xué)模型的正確性和計(jì)算機(jī)的性能所限制流體力學(xué)的學(xué)習(xí)難點(diǎn)與固體力學(xué)（如彈性力學(xué)）的對(duì)比 總的來(lái)說(shuō)，流體力學(xué)的研究對(duì)象較固體力學(xué)更為抽象，因此在研究方法和思路上也有所差別，需要適應(yīng)；但某些本質(zhì)的內(nèi)容是相同的，要善于抓住。流體的運(yùn)動(dòng)過(guò)程流動(dòng)的形態(tài)變化較難觀察較難想象在任意微小剪切力持續(xù)作用下即可發(fā)生連續(xù)變形的物質(zhì)稱(chēng)為流體。流體定義和特征固體液體氣體形狀體積壓力拉力剪切力流體的定義（1）剪切力作用下：固體發(fā)生有限的變形；流體發(fā)生持續(xù)的變形。流體定義和特征流體的易變形性（2）撤銷(xiāo)剪切力作用后：固體的變形部分或完全恢復(fù)；流體的

7、變形無(wú)任何恢復(fù)。（3）固體內(nèi)的剪切應(yīng)力由剪切變形量決定；流體內(nèi)的剪切應(yīng)力由剪切變形率決定。流體的連續(xù)介質(zhì)模型第一個(gè)問(wèn)題： 流體是由大量作無(wú)規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)的分子組成的，研究流體運(yùn)動(dòng)，是否有必要以分子為基本考察對(duì)象？第二個(gè)問(wèn)題： 如果不以離散分子為對(duì)象，那么應(yīng)該以多大尺度的流體物質(zhì)為研究對(duì)象？流體的連續(xù)介質(zhì)模型 組成流體的最小物質(zhì)實(shí)體是流體質(zhì)點(diǎn)。 流體由無(wú)限多的流體質(zhì)點(diǎn)在空間中無(wú)間隙的連續(xù)組成。流體質(zhì)點(diǎn)的尺度：宏觀足夠小、微觀足夠大。流體的連續(xù)介質(zhì)模型 分子平均自由程 流體質(zhì)點(diǎn)尺度 0油漆淀粉糊水du/dy理想流體理想流體粘性系數(shù)為零的流體 實(shí)際流體都具有粘性，粘性是流體的基本 屬性流體的粘性例1例：

8、已知軸承長(zhǎng) L = 0.5m，軸徑d = 150mm，轉(zhuǎn)速n = 400r/min，軸與軸承間隙= 0.25mm，作用在轉(zhuǎn)軸上的摩擦力矩 M = 10.89Nm，求解：1、切應(yīng)力流體的粘性例1幾個(gè)概念轉(zhuǎn)速 n (r/min)角速度 (rad/s) = 2n/60線(xiàn)速度u (m/s) = r = d/2功率N (w) = F.u = F.r =M 轉(zhuǎn)矩 M (N.m) = F.r = F.d/2 流體的粘性例12、速度梯度（角變形率）流體的粘性例2例題2: 一塊可動(dòng)平板與另外一塊不動(dòng)平板之間充滿(mǎn)了某種液體,兩塊板相互平行,間距h=0.5m.若可動(dòng)平板以v=0.25m/s的水平速度向右運(yùn)動(dòng),且維持該速度需要單位面積上的作用力為2N/m2.求平板間液體的動(dòng)力粘度.v=0.25m/sv流體的粘性例2解：根據(jù)牛頓內(nèi)摩擦定律假定 兩板間的液體速度呈線(xiàn)性分布，故：小結(jié)1流體的定義不能承受剪切力連續(xù)介質(zhì)模型流體質(zhì)點(diǎn)連續(xù)介質(zhì)模型