第一章 工程流體力學導論

第一章工程流體力學導論第1頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月第一章

導論第一節(jié)流體力學的研究任務和研究方法第二節(jié)流體力學發(fā)展簡史第四節(jié)作用在流體上的力第五節(jié)流體的主要物理性質(zhì)第三節(jié)連續(xù)介質(zhì)假設第2頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月一、定義：研究液體平衡和運動規(guī)律的一門學科，是力學一個重要的分支。二、基本任務：建立描述流體運動的基本方程，確定流體經(jīng)各種通道及繞流不同物體時流速、壓強的分布規(guī)律，探求能量轉(zhuǎn)換及各種損失的計算方法，并解決流體與限制其流動的固體壁之間的相互作用問題。

第一節(jié)流體力學的研究任務和研究方法第3頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月流體力學可分為理論流體力學和工程流體力學。三、研究對象：液體和氣體。研究流體中大量分子的宏觀平均運動規(guī)律，而不考慮其具體的分子運動。四、研究方法：理論分析根據(jù)工程實際中流動現(xiàn)象的特點，建立流體運動的方程及邊界條件，運用數(shù)學工具準確地或近似地求出方程的解。第4頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月實驗研究

根據(jù)?；碚搶λ芯康牧鲃舆M行模擬，通過觀察和測量，獲得所需結(jié)果，可直接解決工程中復雜的問題，并能發(fā)現(xiàn)新的流動現(xiàn)象。數(shù)值計算

將流體力學方程和邊界條件采用適當?shù)姆椒x散化，然后選取適當?shù)挠嬎惴椒?，用計算機求解。四、應用流體力學廣泛應用于水利工程、航空工程，化學工程、機械工程也在日益廣泛的應用著流體力學。第5頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月流體力學也是眾多應用科學和工程技術的基礎。由于空氣動力學的發(fā)展，人類研制出2－3倍聲速的戰(zhàn)斗機。EXITF-22第6頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月EXIT流體力學也是眾多應用科學和工程技術的基礎。由于空氣動力學的發(fā)展，人類研制出2-3倍聲速的戰(zhàn)斗機。陣風第7頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月使重量超過3百噸，面積達半個足球場的大型民航客機，靠空氣的支托象鳥一樣飛行成為可能，創(chuàng)造了人類技術史上的奇跡。EXIT第8頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月利用超高速氣體動力學，物理化學流體力學和稀薄氣體力學的研究成果，人類制造出航天飛機，建立太空站，實現(xiàn)了人類登月的夢想。EXIT第9頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月排水量達50萬噸以上的超大型運輸船；EXIT第10頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月航速達30節(jié)，深潛達數(shù)百米的核動力潛艇；EXIT第11頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月時速達200公里的新型地效艇等，它們的設計都建立在水動力學，船舶流體力學的基礎之上。EXIT第12頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月發(fā)展更快更安全更舒適的交通工具；EXIT第13頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月EXIT保時捷第14頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月EXIT寶馬6－45第15頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月能源動力發(fā)動機四沖程WindTurbine第16頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月用翼柵及高溫，化學，多相流動理論設計制造成功大型氣輪機，水輪機，渦噴發(fā)動機等動力機械，為人類提供單機達百萬千瓦的強大動力。汽輪機葉片EXIT第17頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月用翼柵及高溫，化學，多相流動理論設計制造成功大型氣輪機，水輪機，渦噴發(fā)動機等動力機械，為人類提供單機達百萬千瓦的強大動力。水輪機EXIT第18頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月大型水利樞紐工程，超高層建筑，大跨度橋梁等的設計和建造離不開水力學和風工程。EXIT第19頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月大型水利樞紐工程，超高層建筑，大跨度橋梁等的設計和建造離不開水力學和風工程。楊浦大橋EXIT第20頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月大型水利樞紐工程，超高層建筑，大跨度橋梁等的設計和建造離不開水力學和風工程。EXIT第21頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月21世紀人類面臨許多重大問題的解決，需要流體力學的進一步發(fā)展，它們涉及人類的生存和生活質(zhì)量的提高。全球氣象預報；（衛(wèi)星云圖）EXIT第22頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月災害預報與控制；EXIT第23頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月流體力學需要與其他學科交叉，如工程學，地學，天文學，物理學，材料科學，生命科學等，在學科交叉中開拓新領域，建立新理論，創(chuàng)造新方法。毛細血管流動EXIT第24頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月生物仿生學信天翁滑翔

應用廣泛已派生出很多新的分支:電磁流體力學、生物流體力學化學流體力學、地球流體力學高溫氣體動力學、非牛頓流體力學爆炸力學、流變學、計算流體力學等第25頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月第二節(jié)流體力學的發(fā)展簡史17世紀-1653年，D.Pascal（帕斯卡）發(fā)現(xiàn)了靜止流體的壓強可以均勻地傳遍整個流場-Pascal定律。17世紀-1687年，I.Newton（牛頓）用粘性實驗方法，提出了內(nèi)摩擦定律。18世紀-1738年，D.Bernoulli（柏努利）對管流進行了大量的觀測，提出了定常-不可壓縮-理想流體的能量守恒定律-Bernoulli方程。18世紀-1775年，Euler（歐拉）提出了理想流體的運動方程。第26頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月19世紀-L.Navier,1823（納維），G.G.Stocks,1845（斯托克斯）分別用不同的方法建立了粘性流體運動的微分方程。19世紀末，O.Reynolds（雷諾）發(fā)現(xiàn)流體的兩種流態(tài)—層流和紊流。20世紀-1904年，L.Prandtl（普朗特）提出邊界層理論。20世紀-1910年，儒可夫斯基發(fā)現(xiàn)機翼的升力理論。20世紀60年代以來，超音速飛機的出現(xiàn)，人造衛(wèi)星和航天飛機進入太空，使流體力學的理論形成一個嚴密的系統(tǒng)的學科。第27頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月第三節(jié)連續(xù)介質(zhì)假設一、流體的定義:流動的物體流體和固體的區(qū)別:

1.

從力學分析的角度上看,在于它們對外力抵抗的能力不同。

2.流體沒有固定的形狀，只能隨其容積的形狀而定。第28頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月固體：既能承受壓力，也能承受拉力，能抵抗拉伸變形。流體：只能承受壓力，一般不能承受拉力，不能抵抗拉伸變形。第29頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月液體和氣體的區(qū)別:

1.流動性的大?。簹怏w比液體流動性要大，主要是因為分子間距不同。

2.可壓縮性：氣體的壓縮性高于液體。在研究低速氣體流動規(guī)律時，可將氣體視為不可壓縮流體處理，在研究氣體的高速流動時，必須考慮氣體的壓縮性。第30頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月二、連續(xù)介質(zhì)假設

一般可把流體的運動看成是以大量分子集團為單位進行運動的，把這種分子集團稱為質(zhì)點，質(zhì)點與質(zhì)點之間無間隙。把由不連續(xù)分子組成的流體看成由連續(xù)質(zhì)點組成的流體，這就是連續(xù)介質(zhì)假設。

注意：連續(xù)介質(zhì)的概念具有相對性。當我們所研究物體的特征尺寸與質(zhì)點的尺寸同量級時，連續(xù)介質(zhì)假設就不適用了。第31頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月第四節(jié)作用在流體上的力表面力：是指作用在所研究流體外表面上與表面積大小成正比的力。用應力表示。研究中常把應力分為切向應力和法向應力。

切向力：液體相對流動時因粘性內(nèi)摩擦而產(chǎn)生的。第32頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月理想（靜止）流體中一點處的應力理想（靜止）流體中沒有切應力，只承受壓力，不能承受拉力。表面力只有法向壓應力p靜止液體中法向應力沿著流體表面的內(nèi)法線方向成為壓力，又稱為壓強。

表面張力：表面力的一種，是作用在液體自由表面

沿作用面法向的拉力。第33頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月質(zhì)量力（體積力）：質(zhì)量力是某種力場作用在全部流體質(zhì)點上的力，其大小和流體的質(zhì)量或體積成正比，故稱為質(zhì)量力或體積力。單位質(zhì)量質(zhì)量力：質(zhì)量力的合力：重力場中：第34頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月第五節(jié)流體的主要物理性質(zhì)一、流體的密度相對密度比容

密度：均質(zhì)流體比容密度的倒數(shù)相對密度密度單位體內(nèi)流體所具有的質(zhì)量表征流體在空間的密集程度。式中──流體的密度（kg/m）；──4℃時水的密度（kg/m）。第35頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月二、流體的壓縮性和膨脹性流體的壓縮性

在一定的溫度下，單位壓強增量引起的體積變化率定義為流體的壓縮性系數(shù)，其值越大，流體越容易壓縮，反之，不容易壓縮。定義式：

體積彈性模量

其值越大，流體越不容易壓縮，反之，就容易壓縮。

第36頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月

可壓縮流體和不可壓縮流體氣體和液體都是可壓縮的，通常將氣體視為可壓縮流體，液體視為不可壓縮流體。水下爆炸：水也要視為可壓縮流體；當氣體流速比較低時也可以視為不可壓縮流體。

流體的膨脹性當壓強一定時，流體溫度變化體積改變的性質(zhì)稱為流體的膨脹性，膨脹性的大小用溫度膨脹系數(shù)來表示。

膨脹性系數(shù)式中或為溫度增量；為相應的體積變化率。由于溫度升高體積膨脹，故二者同號，單位為1/K或1/℃。第37頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月流體的粘性：流體流動時產(chǎn)生內(nèi)摩擦力的性質(zhì)程為流體的黏性。流體內(nèi)摩擦的概念最早由牛頓（I.Newton,1687，）提出。由庫侖（C．A．Coulomb,1784，）用實驗得到證實。三流體的粘性

庫侖把一塊薄圓板用細金屬絲平吊在液體中，將圓板繞中心轉(zhuǎn)過一角度后放開，靠金屬絲的扭轉(zhuǎn)作用，圓板開始往返擺動，由于液體的粘性作用，圓板擺動幅度逐漸衰減，直至靜止。庫侖分別測量了普通板、涂臘板和細沙板，三種圓板的衰減時間。第38頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月三種圓板的衰減時間均相等。庫侖得出結(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。第39頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月

牛頓內(nèi)摩擦定律

牛頓在《自然哲學的數(shù)學原理》中假設：“流體兩部分由于缺乏潤滑而引起的阻力與速度梯度成正比”。

上式稱為牛頓粘性定律。T：內(nèi)摩擦力；A：接觸面積；dv/dz：速度梯度；u：動力粘度（粘性系數(shù)）。其物理意義為：流體內(nèi)摩擦力的大小與流體的速度梯度和接觸面積大小成正比，并且與流體的性質(zhì)，粘性有關。第40頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月粘度μ的全稱為動力粘度,根據(jù)牛頓粘性定律可得.

粘度的單位在SI制中是帕秒（Pa·s),

工程中常常用到運動粘度用下式表示單位:(m2/s)一般僅隨溫度變化，液體溫度升高粘度增大，氣體溫度升高粘度減小。第41頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月粘性流體和理想流體實際流體（粘性流體）實際中的流體都具有粘性，因為都是由分子組成，都存在分子間的引力和分子的熱運動，故都具有粘性，所以，粘性流體也稱實際流體。理想流體

假想沒有黏性的流體。具有實際意義：由于實際流體存在粘性使問題的研究和分析非常復雜，甚至難以進行，為簡化起見，引入理想流體的概念。一些情況下基本上符合粘性不大的實際流體的運動規(guī)律，可用來描述實際流體的運動規(guī)律，如空氣繞流圓柱體時，邊界層以外的勢流就可以用理想流體的理論進行描述。還由于一些粘性流體力學的問題往往是根據(jù)理想流體力學的理論進行分析和研究的。再者，在有些問題中流體的粘性顯示不出來，如均勻流動、流體靜止狀態(tài)，這時實際流體可以看成理想流體。所以建立理想流體模型具有非常重要的實際意義。第42頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月牛頓流體和非牛頓流體

牛頓流體:

剪應力和變形速率滿足線性關系。圖中A所示。

非牛頓流體：剪切應力和變形速率之間不滿足線性關系的流體。圖中B、C、D均屬非牛頓流體。

第43頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月表面張力

表面張力是液體分子