第一章 工程流体力学导论.ppt

工程流体力学 (32学时）第一章 导论第一节 流体力学的研究任务和研究方法第二节 流体力学发展简史第四节 作用在流体上的力第五节 流体的主要物理性质第三节 连续介质假设一、定义：研究液体平衡和运动规律的一门学科，是力学一个重要的分支。二、基本任务：建立描述流体运动的基本方程，确定流体经各种通道建立描述流体运动的基本方程，确定流体经各种通道及绕流不同物体时流速、压强的分布规律，探求能及绕流不同物体时流速、压强的分布规律，探求能量转换及各种损失的计算方法，并解决流体与限制量转换及各种损失的计算方法，并解决流体与限制其流动的固体壁之间的相互作用问题。其流动的固体壁之间的相互作用问题。第一节 流体力学的研究任务和研究方法流体力学可分为理论流体力学和工程流体力学。三、研究对象：液体和气体。研究流体中大量分子的宏观平均运动规律，而不考虑其具体的分子运动。四、研究方法：理论分析 根据工程实际中流动现象的特点，建立流体运动的方程及边界条件，运用数学工具准确地或近似地求出方程的解。实验研究 根据模化理论对所研究的流动进行模拟，通过观察和测量，获得所需结果，可直接解决工程中复杂的问题，并能发现新的流动现象。数值计算 将流体力学方程和边界条件采用适当的方法离散化，然后选取适当的计算方法，用计算机求解。四、应用流体力学广泛应用于水利工程、航空工程，化学工程、机械工程也在日益广泛的应用着流体力学。流体力学也是众多应用科学和工程技术的基础。由于空气动力学的发展，人类研制出23倍声速的战斗机。EXITF-22EXIT流体力学也是众多应用科学和工程技术的基础。由于空气动力学的发展，人类研制出2-3倍声速的战斗机。阵风使重量超过3百吨，面积达半个足球场的大型民航客机，靠空气的支托象鸟一样飞行成为可能，创造了人类技术史上的奇迹。EXIT利用超高速气体动力学，物理化学流体力学和稀薄气体力学的研究成果，人类制造出航天飞机，建立太空站，实现了人类登月的梦想。EXIT排水量达50万吨以上的超大型运输船；EXIT航速达30节，深潜达数百米的核动力潜艇；EXIT时速达200公里的新型地效艇等，它们的设计都建立在水动力学，船舶流体力学的基础之上。EXIT发展更快更安全更舒适的交通工具；EXITEXIT保时捷EXIT宝马645u能源动力发动机四冲程Wind TurbineWind Turbine用翼栅及高温，化学，多相流动理论设计制造成功大型气轮机，水轮机，涡喷发动机等动力机械，为人类提供单机达百万千瓦的强大动力。汽轮机叶片EXIT用翼栅及高温，化学，多相流动理论设计制造成功大型气轮机，水轮机，涡喷发动机等动力机械，为人类提供单机达百万千瓦的强大动力。水轮机EXIT大型水利枢纽工程，超高层建筑，大跨度桥梁等的设计和建造离不开水力学和风工程。EXIT大型水利枢纽工程，超高层建筑，大跨度桥梁等的设计和建造离不开水力学和风工程。杨浦大桥EXIT大型水利枢纽工程，超高层建筑，大跨度桥梁等的设计和建造离不开水力学和风工程。EXIT21世纪人类面临许多重大问题的解决，需要流体力学的进一步发展，它们涉及人类的生存和生活质量的提高。全球气象预报；（卫星云图）EXIT灾害预报与控制；EXIT流体力学需要与其他学科交叉，如工程学，地学，天文学，物理学，材料科学，生命科学等，在学科交叉中开拓新领域，建立新理论，创造新方法。毛细血管流动EXITu生物仿生学信天翁滑翔信天翁滑翔信天翁滑翔信天翁滑翔 应用广泛已派生出很多新的分支:电磁流体力学、生物流体力学化学流体力学、地球流体力学高温气体动力学、非牛顿流体力学爆炸力学、流变学、计算流体力学等第二节 流体力学的发展简史17世纪世纪-1653年，年，D.Pascal（帕斯卡）发现了静（帕斯卡）发现了静止流体的压强可以均匀地传遍整个流场止流体的压强可以均匀地传遍整个流场-Pascal 定律。定律。17世纪世纪-1687年，年，I.Newton（牛顿）用粘性实验（牛顿）用粘性实验方法方法，提出了内摩擦定律。，提出了内摩擦定律。18世纪世纪-1738年，年，D.Bernoulli（柏努利）对管流（柏努利）对管流进行了大量的观测，提出了定常进行了大量的观测，提出了定常-不可压缩不可压缩-理想理想流体的能量守恒定律流体的能量守恒定律-Bernoulli方程。方程。18世纪世纪-1775年，年，Euler（欧拉）提出了理想流体（欧拉）提出了理想流体的运动方程。的运动方程。19世纪世纪-L.Navier,1823（纳维），（纳维），G.G.Stocks,1845（斯托克斯（斯托克斯）分别用不同的方法建立了粘性分别用不同的方法建立了粘性流体运动的微分方程。流体运动的微分方程。19世纪末，世纪末，O.Reynolds（雷诺）发现流体的两种流（雷诺）发现流体的两种流态态层流和紊流。层流和紊流。20世纪世纪-1904年，年，L.Prandtl（普朗特）提出边界层（普朗特）提出边界层理论。理论。20世纪世纪-1910年，儒可夫斯基发现机翼的升力理论。年，儒可夫斯基发现机翼的升力理论。20世纪世纪60年代以来，超音速飞机的出现，人造卫星年代以来，超音速飞机的出现，人造卫星和航天飞机进入太空，使流体力学的理论形成一个和航天飞机进入太空，使流体力学的理论形成一个严密的系统的学科。严密的系统的学科。第三节 连续介质假设一、流体的定义:流动的物体流体和固体的区别:1.从力学分析的角度上看,在于它们对外力抵抗的能力不同。2.流体没有固定的形状，只能随其容积的形状而定。固体：既能承受压力，也能承受拉力，能抵抗拉伸变形。流体：只能承受压力，一般不能承受拉力，不能抵抗拉伸变形。液体和气体的区别:1.流动性的大小：气体比液体流动性要大，主要是因为分子间距不同。2.可压缩性：气体的压缩性高于液体。在研究低速气体流动规律时，可将气体视为不可压缩流体处理，在研究气体的高速流动时，必须考虑气体的压缩性。二、连续介质假设 一般可把流体的运动看成是以大量分子集团为单位进行运动的，把这种分子集团称为质点，质点与质点之间无间隙。把由不连续分子组成的流体看成由连续质点组成的流体，这就是连续介质假设。注意：注意：连续介质的概念具有相对性。当我们所研究连续介质的概念具有相对性。当我们所研究连续介质的概念具有相对性。当我们所研究连续介质的概念具有相对性。当我们所研究物体的特征尺寸与质点的尺寸同量级时，连续介质物体的特征尺寸与质点的尺寸同量级时，连续介质物体的特征尺寸与质点的尺寸同量级时，连续介质物体的特征尺寸与质点的尺寸同量级时，连续介质假设就不适用了。假设就不适用了。假设就不适用了。假设就不适用了。第四节第四节 作用在流体上的力作用在流体上的力表面力表面力：是指作用在所研究流体外表面上与表面是指作用在所研究流体外表面上与表面积大小成正比的力。用应力表示。积大小成正比的力。用应力表示。研究中常把应力分为切向应力和法向应力。研究中常把应力分为切向应力和法向应力。切向力：液体相对流动时因粘性内摩擦而产生的。切向力：液体相对流动时因粘性内摩擦而产生的。理想（静止）流体中一点处的应力 理想（静止）流体中没有切应力 ，只承受压力 ，不能承受拉力。表面力只有法向压应力p静止液体中法向应力沿着流体表面的内法线方向成静止液体中法向应力沿着流体表面的内法线方向成为压力，又称为压强。为压力，又称为压强。表面张力：表面张力：表面力的一种，是作用在液体自由表面表面力的一种，是作用在液体自由表面沿作用面法向的拉力。沿作用面法向的拉力。质量力（体积力）：质量力是某种力场作用在全部流体质点上的力，其大小和流体的质量或体积成正比，故称为质量力或体积力。单位质量质量力：质量力的合力：重力场中：第五节 流体的主要物理性质一、一、流体的密度流体的密度 相对密度相对密度 比容比容 密度 ：均质流体比容 密度的倒数相对密度密度单位体内流体所具有的质量表征流体在空间的密集程度。式中 流体的密度（kg/m）；4时水的密度（kg/m）。二、二、流体的压缩性和膨胀性流体的压缩性和膨胀性u流体的压缩性 在一定的温度下，单位压强增量引起的体积变化率定义为流体的压缩性系数，其值越大，流体越容易压缩，反之，不容易压缩。定义式：体积弹性模量 其值越大，流体越不容易压缩，反之，就容易压缩。l 可压缩流体和不可压缩流体 气体和液体都是可压缩的，通常将气体视为可压缩流体，液体视为不可压缩流体。水下爆炸：水也要视为可压缩流体；当气体流速比较低时也可以视为不可压缩流体。l流体的膨胀性 当压强一定时，流体温度变化体积改变的性质称为流体的膨胀性，膨胀性的大小用温度膨胀系数来表示。膨胀性系数 式中 或 为温度增量；为相应的体积变化率。由于温度升高体积膨胀，故二者同号，单位为1/K或1/。流体的粘性：流体流动时产生内摩擦力的性质程为流体的黏性。流体内摩擦的概念最早由牛顿（I.Newton,1687，）提出。由库仑（CACoulomb,1784，）用实验得到证实。三三 流体的粘性流体的粘性 库仑把一块薄圆板用细金属丝平吊在液体中，将圆板绕中心转过一角度后放开，靠金属丝的扭转作用，圆板开始往返摆动，由于液体的粘性作用，圆板摆动幅度逐渐衰减，直至静止。库仑分别测量了普通板、涂腊板和细沙板，三种圆板的衰减时间。三种圆板的衰减时间均相等。库仑得出结论:衰减的原因，不是圆板与液体之间的相互摩擦，而是液体内部的摩擦。牛顿内摩擦定律牛顿内摩擦定律 牛顿在牛顿在自然哲学的数学原理自然哲学的数学原理中假设：中假设：“流体两部分由于流体两部分由于缺乏润滑而引起的阻力与速度梯度成正比缺乏润滑而引起的阻力与速度梯度成正比”。上式称为上式称为牛顿粘性定律。牛顿粘性定律。T T：内摩擦力；：内摩擦力；A A：接触面积；：接触面积；dv/dzdv/dz：速度梯：速度梯度；度；u u：动力粘度（粘性系数）。：动力粘度（粘性系数）。其物理意义为：其物理意义为：流体内摩擦力的大小与流体流体内摩擦力的大小与流体的速度梯度和接触面积大小成正比，并且与的速度梯度和接触面积大小成正比，并且与流体的性质，粘性有关。流体的性质，粘性有关。粘粘 度度的全称为动力粘度,根据牛顿粘性定律可得.粘度的单位在SI制中是帕秒（Pas),工程中常常用到运动粘度用下式表示 单位:(m2/s)一般仅随温度变化，液体温度升高粘度增大，气体温度升高粘度减小。粘性流体和理想流体粘性流体和理想流体实际流体（粘性流体）实际中的流体都具有粘性，因为都是由分子组成，都存在分子间的引力和分子的热运动，故都具有粘性，所以，粘性流体也称实际流体。理想流体 假想没有黏性的流体。具有实际意义：由于实际流体存在粘性使问题的研究和分析非常复杂，甚至难以进行，为简化起见，引入理想流体的概念。一些情况下基本上符合粘性不大的实际流体的运动规律，可用来描述实际流体的运动规律，如空气绕流圆柱体时，边界层以外的势流就可以用理想流体的理论进行描述。还由于一些粘性流体力学的问题往往是根据理想流体力学的理论进行分析和研究的。再者，在有些问题中流体的粘性显示不出来，如均匀流动、流体静止状态，这时实际流体可以看成理想流体。所以建立理想流体模型具有非常重要的实际意义。牛顿流体和非牛顿流体牛顿流体和非牛顿流体 牛牛牛牛顿顿顿顿流流流流体体体体:剪剪应应力力和和变变形形速速率率满足线性关系。图中满足线性关系。图中A A所示。所示。非非牛牛顿顿流流体体：剪剪切切应应力力和和变变形形速速率率之之间间不不满满足足线线性性关关系系的的流体。流体。图中图中B B、C C、D D均属非牛顿流体。均属非牛顿流体。表面张力 表面张力是液体分子间吸引力的宏观表现。表面张力沿表面切向并与界线垂直。液体的表面张力计算公式为：J :表示表面张力；:表示张力系数；自由表面上单位长度的流体所受到的作用力:表示长度。毛细现象 将细玻璃管(半径r0)插入水中，细管中水柱上升；若玻璃管插入水银中，细管中的水银柱下降，这就是毛细现象。一般表面张力较小，可不予考虑，但毛细现象在液柱式测压计中不可忽略。为了减少毛细管作用的误差，测压管内径至少要大于5mm。