流體力學(xué)導(dǎo)學(xué)

《工程流體力學(xué)》

FluidDynamics任課教師：趙存友Tel求：關(guān)閉通訊工具第1章 緒論流體力學(xué)?你想知道高爾夫球飛得遠(yuǎn)應(yīng)表面光滑還是粗糙嗎？?你想知道汽車(chē)阻力來(lái)自前部還是尾部嗎？?你想知道機(jī)翼升力來(lái)自下部還是上部嗎？?你想知道同一容器上同高同徑孔口和管嘴泄流誰(shuí)的流速大誰(shuí)的流量大嗎？

………———請(qǐng)學(xué)習(xí)流體力學(xué)高爾夫球表面為什么有很多小凹坑？最早的高爾夫球現(xiàn)在的高爾夫球高爾夫球表面為什么有很多小凹坑？飛行中的高爾夫球汽車(chē)阻力來(lái)自前部還是后部？汽車(chē)發(fā)明于19世紀(jì)末，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)CD很大，約為0.8。汽車(chē)阻力來(lái)自前部還是后部？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)阻力來(lái)自前部還是后部？20世紀(jì)30年代起，人們開(kāi)始運(yùn)用流體力學(xué)原理改進(jìn)汽車(chē)尾部形狀，出現(xiàn)甲殼蟲(chóng)型，阻力系數(shù)降至0.6。汽車(chē)阻力來(lái)自前部還是后部？20世紀(jì)50－60年代改進(jìn)為船型，阻力系數(shù)為0.45。汽車(chē)阻力來(lái)自前部還是后部？80年代經(jīng)過(guò)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)研究后，又改進(jìn)為魚(yú)型，阻力系數(shù)為0.3。以后進(jìn)一步改進(jìn)為楔型，阻力系數(shù)為0.2。90年代后，科研人員研制開(kāi)發(fā)的未來(lái)型汽車(chē)，阻力系數(shù)僅為0.137。

經(jīng)過(guò)近80年的研究改進(jìn)，汽車(chē)阻力系數(shù)從0.8降至0.137，阻力減小為原來(lái)的1/5。目前，在汽車(chē)外形設(shè)計(jì)中流體力學(xué)性能研究已占主導(dǎo)地位，合理的外形使汽車(chē)具有更好的動(dòng)力學(xué)性能和更低的耗油率。汽車(chē)阻力來(lái)自前部還是后部？機(jī)翼升力來(lái)至下部還是上部？流體無(wú)所不在——天氣與氣候——交通工具：汽車(chē)、火車(chē)、輪船、飛機(jī)等——環(huán)境——生理學(xué)和醫(yī)學(xué)——運(yùn)動(dòng)與休閑——還有其它許許多多的例子!流體力學(xué)的重要性旋風(fēng)閃電全球氣候颶風(fēng)天氣與氣候交通工具飛機(jī)高速鐵路水面艦只潛艇環(huán)境空氣污染河流水力橋梁建筑生理學(xué)和醫(yī)學(xué)輸血管心臟起搏器運(yùn)動(dòng)與休閑水上運(yùn)動(dòng)自行車(chē)運(yùn)動(dòng)賽車(chē)沖浪汽艇用翼柵及高溫，化學(xué)，多相流動(dòng)理論設(shè)計(jì)制造成功大型氣輪機(jī)，水輪機(jī)，渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)等動(dòng)力機(jī)械，為人類(lèi)提供單機(jī)達(dá)百萬(wàn)千瓦的強(qiáng)大動(dòng)力。汽輪機(jī)葉片用翼柵及高溫，化學(xué)，多相流動(dòng)理論設(shè)計(jì)制造成功大型氣輪機(jī)，水輪機(jī)，渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)等動(dòng)力機(jī)械，為人類(lèi)提供單機(jī)達(dá)百萬(wàn)千瓦的強(qiáng)大動(dòng)力。水輪機(jī)通過(guò)各個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)，使學(xué)生掌握流體力學(xué)的基本知識(shí)（基本概念、原理和研究方法）、有關(guān)的計(jì)算和必要的實(shí)驗(yàn)技能，對(duì)工程實(shí)踐中有關(guān)的流體力學(xué)問(wèn)題能夠應(yīng)用流體力學(xué)知識(shí)進(jìn)行分析并具備一定的解決實(shí)際問(wèn)題的能力，為后續(xù)專(zhuān)業(yè)課的學(xué)習(xí)和將來(lái)從事專(zhuān)業(yè)技術(shù)工作打下基礎(chǔ)。課程性質(zhì)、目的和意義本課程是機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)一門(mén)重要的技術(shù)基礎(chǔ)課，是必不可少的先修課程。目的和意義：性質(zhì)：本門(mén)課程講授的內(nèi)容體系1、緒論2、流體靜力學(xué)3、流體動(dòng)力學(xué)及工程應(yīng)用4、相似原理與量綱分析5、管流損失和水力計(jì)算6、孔口和管嘴出流7、縫隙流教學(xué)參考書(shū)籍教材：《工程流體力學(xué)》高等教育出版社，2010年，趙存友先修課程要求：高等數(shù)學(xué)、物理學(xué)、理論力學(xué)、材料力學(xué)參考教材：[1]張也影主編，流體力學(xué)，高等教育出版社，1999[2]杜廣生主編，流體力學(xué)，機(jī)械工業(yè)出版社，2004[3]姜興華等編，流體力學(xué)，西南交通大學(xué)出版社，1999[4]禹華謙主編，工程流體力學(xué)，高等教育出版社，2004[5]禹華謙編著，工程流體力學(xué)新型習(xí)題集，天津大學(xué)出版社，2005[6]李玉柱主編，工程流體力學(xué)，清華大學(xué)出版社，2006[7]劉鶴年編著，流體力學(xué)，中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2007

考核方法采用考試（60%）+作業(yè)（5%）+實(shí)驗(yàn)（10%）+出勤（5%）+綜合能力和素質(zhì)訓(xùn)練考核（20%）的考核方式,即平時(shí)成績(jī)占總成績(jī)的40%，期末采用閉卷考試形式，重點(diǎn)考核對(duì)知識(shí)的運(yùn)用能力，成績(jī)占總成績(jī)的60%。學(xué)習(xí)網(wǎng)站

1)http://2)http://3)http://4)http://5)http:///cae/cfd.php本課程有一定的作業(yè)，必須按要求完成1.作業(yè)根據(jù)要求抄題，畫(huà)圖，寫(xiě)出計(jì)算公式，具體計(jì)算步驟和結(jié)果；2.作業(yè)須按時(shí)交，課程結(jié)束時(shí)沒(méi)完成作業(yè)者，不能參加考試；3.作業(yè)的成績(jī)占總評(píng)成績(jī)的5%；本課程有實(shí)驗(yàn)，必須按要求完成1.按照規(guī)定的時(shí)間、地點(diǎn)進(jìn)行上好實(shí)驗(yàn)課；2.課前須預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)，實(shí)驗(yàn)后按規(guī)定的時(shí)間交實(shí)驗(yàn)報(bào)告；3.無(wú)實(shí)驗(yàn)成績(jī)，最后成績(jī)?yōu)椴患案?。第一?緒論（Introduction）

基本要求：（1）了解工程流體力學(xué)研究對(duì)象及方法、表面張力的形成及計(jì)算；（2）掌握流體物理性質(zhì)及其連續(xù)介質(zhì)概念和模型包括粘性、牛頓內(nèi)摩擦定律、流體的壓縮性、膨脹性、流體質(zhì)點(diǎn)等。重點(diǎn)：粘性、牛頓內(nèi)摩擦定律、連續(xù)介質(zhì)概念。

難點(diǎn)：牛頓內(nèi)摩擦定律的具體應(yīng)用。

§1.1工程流體力學(xué)的研究對(duì)象、任務(wù)和方法流體力學(xué)是力學(xué)的一個(gè)分支，是研究流體平衡和宏觀運(yùn)動(dòng)規(guī)律及其應(yīng)用的科學(xué)。在工程技術(shù)中應(yīng)用流體力學(xué)，形成的學(xué)科叫工程流體力學(xué)。1、工程流體力學(xué)2、研究對(duì)象流體：氣體和液體

3、流體的定義根據(jù)力學(xué)中的應(yīng)力理論來(lái)定義，在靜力平衡時(shí)，不能承受剪切力的物質(zhì)。4、流體的基本特征(1)易流動(dòng)性：在剪切力的作用下發(fā)生連續(xù)不斷的變形；(2)不能受拉，只能受壓；(3)形狀，取決于約束邊界形狀；(4)流體的物理性質(zhì)不同，即使相同的邊界必將產(chǎn)生不同的流動(dòng)。流動(dòng)性的應(yīng)用：便于管道進(jìn)行運(yùn)輸，適宜于供熱、制冷等。流體不能承受拉力，只能承受壓力，其抗壓能力和易流動(dòng)性的應(yīng)用：利用蒸汽壓力推動(dòng)氣輪機(jī)發(fā)電，利用液壓、氣壓傳動(dòng)各種機(jī)械等。流動(dòng)現(xiàn)象：微風(fēng)吹過(guò)平靜的池水，水面因受氣流的摩擦力（沿水面作用的剪切力）作用而波動(dòng)；斜坡上的水，因受重力沿坡面方向的切向分力而往低處流……(1)理論方法：通過(guò)對(duì)流體物理性質(zhì)和運(yùn)動(dòng)特征的科學(xué)抽象，提出合理的理論模型，并能運(yùn)用數(shù)學(xué)方法求出理論結(jié)果，以達(dá)到揭示運(yùn)動(dòng)規(guī)律的目的。建立模型推導(dǎo)方程求解方程解釋結(jié)果5、流體力學(xué)的研究方法(2)實(shí)驗(yàn)方法：通過(guò)對(duì)具體流動(dòng)的觀察和測(cè)量，來(lái)認(rèn)識(shí)流動(dòng)的規(guī)律，其實(shí)驗(yàn)包括原型觀測(cè)和模型實(shí)驗(yàn)，而以模型實(shí)驗(yàn)為主。將實(shí)際流體問(wèn)題概括為相似的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，在?shí)驗(yàn)中觀察現(xiàn)象、測(cè)定數(shù)據(jù)并進(jìn)而按照一定方法推測(cè)實(shí)際結(jié)果。相似理論模型試驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)分析(3)數(shù)值方法：根據(jù)理論分析與實(shí)驗(yàn)觀測(cè)擬定計(jì)算方案，在計(jì)算機(jī)應(yīng)用的基礎(chǔ)上，采用各種離散化方法（有限差分法、有限元法等），建立各種數(shù)學(xué)模型通過(guò)編制程序輸入數(shù)據(jù)用計(jì)算機(jī)獲得定量描述流場(chǎng)的數(shù)值解。計(jì)算流體力學(xué)有限差分法有限元法邊界元法譜分析等（1）密度：?jiǎn)挝惑w積流體的質(zhì)量，即流體質(zhì)量在空間的密集程度，簡(jiǎn)稱(chēng)為密度，用表示。

分別為流體微團(tuán)的質(zhì)量和體積。1、慣性

§1.2流體的主要物理性質(zhì)對(duì)于均質(zhì)流體對(duì)于非均質(zhì)液體mVΔm,ΔV

（2）重度（Formula）：重量密度(SpecificWeight)，即單位體積流體的重量簡(jiǎn)稱(chēng)為重度,用表示。對(duì)于均質(zhì)流體，其重度為，若不指明溫度，水的重度=9810kg/m2s24℃蒸餾水的比體積（3）流體的比容（比體積）：（m3/kg)（4）流體的相對(duì)密度:

40C蒸餾水的密度某液體的質(zhì)量與同體積4°C（嚴(yán)格說(shuō)是3.98°C）蒸餾水質(zhì)量之比，它是無(wú)量綱的純數(shù)，即

40C蒸餾水的比體積流體密度、比體積數(shù)值與相對(duì)密度的關(guān)系為：2、黏性（viscosity）黏性：當(dāng)流體運(yùn)動(dòng)時(shí)，流體內(nèi)部各質(zhì)點(diǎn)間或流體層間會(huì)因相對(duì)運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生內(nèi)摩擦力（剪切力）以抵抗其相對(duì)運(yùn)動(dòng)，流體的這種性質(zhì)稱(chēng)為粘性。此內(nèi)摩擦力稱(chēng)為粘滯力（粘性切應(yīng)力）。粘性是流體的固有屬性。

流體運(yùn)動(dòng)時(shí)才顯示出來(lái)，靜止時(shí)顯示不出來(lái)。流體阻止發(fā)生剪切變形的一種特性，是流體的內(nèi)摩擦特性。粘性流體內(nèi)摩擦的概念最早由牛頓（Newton,1687）提出。（1）牛頓內(nèi)摩擦定律由庫(kù)侖（C.A.Coulomb,1784）用實(shí)驗(yàn)得到證實(shí)。庫(kù)侖分別測(cè)量了普通板、涂臘板和細(xì)沙板，三種圓板的衰減時(shí)間，三種圓板的衰減時(shí)間均相等。

結(jié)論:衰減的原因，不是圓板與液體之間的相互摩擦，而是液體內(nèi)部的摩擦。

實(shí)驗(yàn)證明：牛頓內(nèi)摩擦定律流體的內(nèi)摩擦力（剪切力）與速度梯度、流層的接觸面積成比例，與流體的性質(zhì)有關(guān)，與接觸面上的壓力無(wú)關(guān)。速度梯度，即速度在流層法線方向的變化率。流層接觸面面積動(dòng)力黏度，單位Pa·s牛頓流體和非牛頓流體牛頓流體(Newtonianfluid)：符合牛頓內(nèi)摩擦定律的流體。如水、酒精、汽油和一般氣體等分子結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的流體都是牛頓流體。非牛頓流體：不符合牛頓內(nèi)摩擦定律的流體。如泥漿、有機(jī)膠體、油漆、高分子溶液等。非牛頓流體包括：a.塑性流體(凝膠、牙膏）b.假塑性流體（泥漿、紙漿、高分子溶液）c.脹塑性流體(乳化液、油漆、油墨）相關(guān)概念（2）粘性系數(shù)動(dòng)力粘度（dynamicviscosity）：反映流體的粘性，具有動(dòng)力學(xué)問(wèn)題的量綱?！?，↑。值由實(shí)驗(yàn)測(cè)定。值表示速度梯度等于1時(shí)的接觸面上的切應(yīng)力。動(dòng)力粘度的單位是Pa·s工程流體力學(xué)的理論公式中常常出現(xiàn)與液體密度的比，用表示，稱(chēng)運(yùn)動(dòng)粘度。運(yùn)動(dòng)粘度（kinematicviscosity）：

動(dòng)力粘度與密度的比值，即

運(yùn)動(dòng)粘度的單位是m2/s或cm2/s,mm2/s)

例如：30號(hào)機(jī)械油，就是指這種油在50°C時(shí)的運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù)平均值為

液體與氣體內(nèi)部分子運(yùn)動(dòng)機(jī)理不同，因此，氣體與液體的粘度變化規(guī)律不同。液體：溫度↑，粘度↓。氣體：溫度↑，粘度↑。溫度影響大。液體、氣體：常壓影響??；高壓下：壓強(qiáng)↑，粘度↑。（3）溫度、壓力對(duì)粘性系數(shù)的影響（4）理想流體與實(shí)際流體

自然界中存在的流體都具有粘性——粘性流體或?qū)嶋H流體（practicalfluid）。流體力學(xué)的研究方法：將實(shí)際流體假想為理想流體，找出它的運(yùn)動(dòng)規(guī)律后，再考慮粘性的影響，修正后再用于實(shí)際流體。理想流體（perfectfluid）：是一種假想的無(wú)粘性的流體，即認(rèn)為。壓縮性(Compressible)

流體受壓，體積縮小，密度增大，除去外力后能恢復(fù)原狀的性質(zhì)。

可壓縮性實(shí)際上是流體的彈性。膨脹性(Expansibility)

流體受熱，體積膨脹，密度減小，溫度下降后能恢復(fù)原狀的性質(zhì)。3、壓縮性和膨脹性液體壓縮系數(shù)（CompressibleCoefficient)：βp，單位1/Pa體積彈性模量（BulkModulus）：E0,單位Pa

壓縮系數(shù)的倒數(shù)在實(shí)際工程中，一般認(rèn)為：液體是不可壓縮的；氣體，當(dāng)壓力和溫度在整個(gè)流動(dòng)過(guò)程中變化很小時(shí)（如通風(fēng)系統(tǒng)），可按不可壓縮流體處理。如礦井通風(fēng)系統(tǒng)。熱膨脹系數(shù)（ExpansibilityCoefficient）：

在實(shí)際工程中，由于液體的壓縮系數(shù)和熱膨脹系數(shù)都很小，一般認(rèn)為液體是不可壓縮的。對(duì)一些特殊情況，如有壓管道的水擊、水中爆炸波的傳播，即研究液體的振動(dòng)、沖擊時(shí)，必須考慮液體的壓縮性。在液壓封閉系統(tǒng)或熱水采暖系統(tǒng)中，當(dāng)工作溫度變化較大時(shí)，須考慮體積膨脹對(duì)系統(tǒng)的影響（高壓鍋爐）。不可壓縮流體流體的每個(gè)質(zhì)點(diǎn)在運(yùn)動(dòng)全過(guò)程中，密度不變化，是一種理想化的力學(xué)模型。液體的壓縮系數(shù)很小，在相當(dāng)大的壓強(qiáng)變化范圍內(nèi)，密度幾乎不變，如20℃時(shí)，在101.3kPa～2500kPa的變化范圍，水的壓縮系數(shù)是4.844×10-10氣體的可壓縮性遠(yuǎn)大于液體，是可壓縮流體。幾乎所有的自然大氣運(yùn)動(dòng)，在土木工程中常見(jiàn)的氣流運(yùn)動(dòng)，密度沒(méi)有明顯變化，可近似看作不可壓縮的。相關(guān)概念4、表面張力特性表面張力——由于分子間的吸引力，在液體的自由表面上能夠承受極其微小的張力。毛細(xì)現(xiàn)象(CapillarityPhenomena):是指含有細(xì)微縫隙的物體與液體接觸時(shí)，在浸潤(rùn)情況下液體沿縫隙上升或滲入、在不浸潤(rùn)情況下液體沿縫隙下降的現(xiàn)象。毛細(xì)現(xiàn)象rh水毛細(xì)作用的計(jì)算rh水rh水銀對(duì)于水有：=0°，=0.074N/m對(duì)于水銀有：=140°，=0.514N/m毛細(xì)高度：1.為什么荷葉上的露珠總是呈球形？2.一塊毛巾，一頭搭在臉盤(pán)內(nèi)的水中，一頭在臉盤(pán)外，過(guò)了一段時(shí)間后，臉盤(pán)外的臺(tái)子上濕了一大塊，為什么？3.為什么測(cè)壓管的管徑通常不能小于1厘米？4.若測(cè)壓管的讀數(shù)為h1，毛細(xì)高度為h2，則該點(diǎn)的測(cè)壓管實(shí)際高度為多少？(測(cè)壓管的工作流體分別為水和水銀)請(qǐng)思考§1.3連續(xù)介質(zhì)假設(shè)定義：不考慮流體分子間的間隙，把流體視為由無(wú)數(shù)連續(xù)分布的流體微團(tuán)組成的連續(xù)介質(zhì)。流體微團(tuán)必須具備的四個(gè)條件宏觀尺寸足夠??；微觀尺寸足夠大；必須包含足夠多的分子；形狀可以任意劃定。優(yōu)點(diǎn)：(1)避免了流體分子運(yùn)動(dòng)的復(fù)雜性，只需研究流體的宏觀運(yùn)動(dòng)。(2)可以利用數(shù)學(xué)工具來(lái)研究流體的平衡與運(yùn)動(dòng)規(guī)律。流體的連續(xù)介質(zhì)模型流體是由連續(xù)分布的流體質(zhì)點(diǎn)所組成，每一空間點(diǎn)都被確定的流體質(zhì)點(diǎn)所占據(jù)，其中沒(méi)有間隙，流體的任一物理量可以表達(dá)成空間坐標(biāo)及時(shí)間的連續(xù)函數(shù)，而且是單值可微函數(shù)?！?.4作用在流體上的力1、表面力（surfaceforce）：壓應(yīng)力剪應(yīng)力通過(guò)直接接觸，作用在所取流體表面上的力。表面力包括表面切向力（切應(yīng)力或摩擦應(yīng)力）和表面法向力（壓應(yīng)力簡(jiǎn)稱(chēng)為壓強(qiáng)）。由流體粘性所引起的內(nèi)摩擦力是表面切向力，平衡流體或理想流體，不存在表面切向力，只有表面法向力。2、質(zhì)量力（surfaceforce）：作用在所取流體體積內(nèi)每個(gè)質(zhì)點(diǎn)上的力，且與質(zhì)量成正比的力。不是通過(guò)兩種物質(zhì)直接接觸而施加的力，而是在某種力場(chǎng)作用在單位質(zhì)量流體上的力，因此也稱(chēng)長(zhǎng)程力。包括重力、慣性力（離心力、科里奧利力）。思考題：什么是科里奧利力？單位與加速度的單位相同，均是m/s2

。

質(zhì)量力（G

）：質(zhì)量↑，G↑。質(zhì)量力包括重力和慣性力。在流體力學(xué)中，常用單位質(zhì)量力J來(lái)衡量質(zhì)量力的大小。X、Y、Z分別代表單位質(zhì)量力J

在直角坐標(biāo)軸x、y、z方向的分量，則若作用在流體上的質(zhì)量力只有重力，則單位質(zhì)量力解：因軸與軸套間的徑向間隙很小，故設(shè)間隙內(nèi)流體的速度為線性分布，由式例1軸置于軸套中，如圖所示。以的力由左端推軸向右移動(dòng)，軸移動(dòng)的速度為，軸的直徑為，其它尺寸見(jiàn)圖中。求軸與軸套間流體的動(dòng)力粘性系數(shù)。上式中典型例題得例2直徑為150mm的圓柱，固定不動(dòng)。內(nèi)徑為151.24mm的圓筒，同心地套在圓柱之外。二者的長(zhǎng)度均為250mm。柱面與筒內(nèi)壁之間的空隙充以甘油，轉(zhuǎn)動(dòng)外筒，轉(zhuǎn)速為100r/min，測(cè)得轉(zhuǎn)矩為9.091N.m。求甘油的動(dòng)力粘性系數(shù)。解：本章小結(jié)1、工程流體力學(xué)研究的是實(shí)際流體；2、研究方法是將實(shí)際流體假想為理想流體

本章三個(gè)主要力學(xué)模型是：（1）連續(xù)介質(zhì)模型（2）無(wú)粘性流體力學(xué)模型。（3）不可壓縮流體力學(xué)模型3、牛頓內(nèi)摩擦定律；4、流體物理性質(zhì)：慣性、黏性、壓縮性和膨脹性作業(yè)：1-3，1-41、為什么水通常被視為不可壓縮流體？2、自來(lái)水水龍頭突然開(kāi)啟或關(guān)閉時(shí)，水是否為不可壓縮流體？為什么？3、自來(lái)水水龍頭關(guān)閉的情況下，若有滴水，但此時(shí)水表可能不轉(zhuǎn)，為什么？過(guò)了一段時(shí)間后，水表又會(huì)動(dòng)一動(dòng)，這又是為什么？請(qǐng)思考思考題流體的動(dòng)力黏度與（）有關(guān)。

A.流體種類(lèi)、溫度、體積等B.流體種類(lèi)、壓力、體積

C.流體種類(lèi)、溫度、壓力等D.溫度、壓力、體積等2.理想流體是指（）。

A.平衡流體B.運(yùn)動(dòng)流體C.忽略密度變化的流體D.忽略黏性的流體3.新拌水泥砂漿和新拌混凝土