第一章 流体力学导论讲义PPT讲稿.ppt
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1、第一章 流体力学导论讲义第1页,共46页,编辑于2022年,星期一 第一节第一节 传热学与流体力学概述传热学与流体力学概述 一、传热学与流体力学基本概念一、传热学与流体力学基本概念 流体力学流体力学:研究研究流体流体平衡和运动规律的科学。平衡和运动规律的科学。研究内容:研究内容:流体在静止或流动时的流体在静止或流动时的速度速度、压强压强分布,分布,能量能量 损失,损失,流体与固体的相互作用流体与固体的相互作用。应用领域:航空航天、水下平台、液压伺服系统。应用领域:航空航天、水下平台、液压伺服系统。传热学:研究由温差引起的传热学:研究由温差引起的热量传递规律热量传递规律的科学。的科学。研究内容:
2、热量传递规律,如何防止热传递、增强热传递研究内容:热量传递规律,如何防止热传递、增强热传递 应用领域:机械(热加工处理、淬火)、能源、冶金、应用领域:机械(热加工处理、淬火)、能源、冶金、建筑(桥梁)、电子、航空航天、环境保护建筑(桥梁)、电子、航空航天、环境保护 等领域。等领域。第2页,共46页,编辑于2022年,星期一有无固定的体积?能否形成自由表面?是否容易被压缩?流体气体无否易液体有能不易 流体最主要的物理特性流体最主要的物理特性第3页,共46页,编辑于2022年,星期一 1.1.流体在外力作用下,静止与运动的规律;流体在外力作用下,静止与运动的规律;2.2.流体与边界的相互作用。流体
3、与边界的相互作用。流体力学的主要研究内容流体力学的主要研究内容 固定边界:固定边界:水工建筑物、河床、海洋平台等水工建筑物、河床、海洋平台等 运动边界:运动边界:飞机、船只等飞机、船只等边界边界第4页,共46页,编辑于2022年,星期一 空空气气和和水水是是地地球球上上广广泛泛存存在在的的物物质质,所所以以与与流流体体运运动动关关联联的的力力学学问问题题是是很普遍的。流体力学在许多学科和工程领域有广泛的应用。很普遍的。流体力学在许多学科和工程领域有广泛的应用。与流体力学相关的工程领域和学科与流体力学相关的工程领域和学科第5页,共46页,编辑于2022年,星期一排排球球足足球球网网球球游游泳泳赛
4、赛艇艇铁铁饼饼高尔夫球高尔夫球赛跑赛跑赛赛车车标标枪枪乒乒乓乓球球羽羽毛毛球球大部分竞技体育项大部分竞技体育项目与流体力学有关目与流体力学有关 第6页,共46页,编辑于2022年,星期一1 1、工业:水利建设(如防洪、灌溉、航运、水力发、工业:水利建设(如防洪、灌溉、航运、水力发电、河道整治);动力工程中流体的能量转换,电、河道整治);动力工程中流体的能量转换,机械工程中的润滑、液压传动、气力输送。机械工程中的润滑、液压传动、气力输送。2 2、市政工程:通风、通水。、市政工程:通风、通水。3 3、医学:血液在人体内的流动。、医学:血液在人体内的流动。4 4、环境:污染物在大气中的扩散。、环境:
5、污染物在大气中的扩散。5 5、交通:铁路、公路隧道中的压力波传播,汽车的、交通:铁路、公路隧道中的压力波传播,汽车的外形与阻力的关系。外形与阻力的关系。流体力学在科学技术和工程中的应用流体力学在科学技术和工程中的应用第7页,共46页,编辑于2022年,星期一传热学是研究传热学是研究热量传递规律热量传递规律的科学的科学(热量传递的机理、规律、计算和测试方法)(热量传递的机理、规律、计算和测试方法)热量传递过程的动力热量传递过程的动力:温差温差 凡是有温度差的地方就有热量传递凡是有温度差的地方就有热量传递凡是有温度差的地方就有热量传递凡是有温度差的地方就有热量传递;热量传递是自然界和生产;热量传递
6、是自然界和生产;热量传递是自然界和生产;热量传递是自然界和生产技术中一种非常普遍的现象。技术中一种非常普遍的现象。技术中一种非常普遍的现象。技术中一种非常普遍的现象。传热学在生产技术领域中的应用十分广泛。传热学在生产技术领域中的应用十分广泛。传热学的主要研究内容传热学的主要研究内容第8页,共46页,编辑于2022年,星期一冰箱(机械能热能)飞机(热能机械能)汽车(热能机械能)热电厂(热能机械能)传热学在科学技术和工程中的应用传热学在科学技术和工程中的应用第9页,共46页,编辑于2022年,星期一 传热学在生产技术等众多领域中的应用十分广泛,特别是传热学在生产技术等众多领域中的应用十分广泛,特别
7、是传热学在生产技术等众多领域中的应用十分广泛,特别是传热学在生产技术等众多领域中的应用十分广泛,特别是在下列技术领域大量存在传热问题:在下列技术领域大量存在传热问题:在下列技术领域大量存在传热问题:在下列技术领域大量存在传热问题:1 1、航航空空航航天天:高高温温叶叶片片气气膜膜冷冷却却;火火箭箭推推力力室室的的再再生生冷冷却却;卫卫星星与与空空间间站站热热控控制制;空空间间飞飞行行 器器 重重 返返 大大 气气 层层 冷冷 却却;超超 高高 音音 速速 飞飞 行行 器器(Ma=10Ma=10)冷冷却却;核核热热火火箭箭、电电火火箭箭;微微型型火火箭箭(电火箭、化学火箭);太阳能高空无人飞机等
8、。(电火箭、化学火箭);太阳能高空无人飞机等。第10页,共46页,编辑于2022年,星期一2 2、微电子:微电子:电子芯片冷却。电子芯片冷却。3 3、生物医学:肿瘤高温热疗;生物芯片;组生物医学:肿瘤高温热疗;生物芯片;组 织与器官的冷冻保存。织与器官的冷冻保存。4 4、军军 事:飞机、坦克;激光武器;弹药贮存。事:飞机、坦克;激光武器;弹药贮存。5 5、制制 冷:跨临界二氧化碳汽车空调冷:跨临界二氧化碳汽车空调/热泵;热泵;高温水源热泵。高温水源热泵。6 6、新能源:太阳能;燃料电池。新能源:太阳能;燃料电池。第11页,共46页,编辑于2022年,星期一 课程地位课程地位 传传热热学学与与流
9、流体体力力学学基基础础是是一一门门重重要要的的专专业业基基础础课课程程,它它是是连连接接前前期期基基础础课课程程和和后后续续专专业业课课程程的的桥桥梁梁。课课程程的的学学习习将将有有利利于于数数理理、力力学学基基础础知知识识的的巩巩固固与与提提高高,培培养养分分析析、解解决决实实际际问问题题的的能能力力,为为专业课程的学习奠定坚实基础。专业课程的学习奠定坚实基础。数理、力学数理、力学 基础课程基础课程传热学与流体力传热学与流体力学基础学基础专业基础课程专业基础课程机械、能源学科机械、能源学科有关专业课程有关专业课程第12页,共46页,编辑于2022年,星期一二、传热学与流体力学研究发展二、传热
10、学与流体力学研究发展 从工业革命时代开始,从工业革命时代开始,纳维纳维(M.Navier)和)和傅立叶傅立叶(J.B.Fourier)等科学家为传热学和流体力学的发展作出重)等科学家为传热学和流体力学的发展作出重要贡献。要贡献。1807年傅立叶提出了求解偏微分方程的年傅立叶提出了求解偏微分方程的分离变量法分离变量法。1822年傅立叶发表著作年傅立叶发表著作热的解析理论热的解析理论,创立了导,创立了导热理论。热理论。1823年纳维提出了适用于年纳维提出了适用于不可压缩流体的流动方程不可压缩流体的流动方程。1845年斯托克斯改进了纳维的工作,提出了年斯托克斯改进了纳维的工作,提出了“纳维纳维-斯托
11、克斯托克斯方程斯方程”,为描述流体流动奠定基础。,为描述流体流动奠定基础。第13页,共46页,编辑于2022年,星期一 20世纪以来,数学与计算机科学的发展,为通过世纪以来,数学与计算机科学的发展,为通过仿真仿真研究传热学和流体力学奠定了基础。例如:利用研究传热学和流体力学奠定了基础。例如:利用分析软件分析航天器热量分布,从而为分析软件分析航天器热量分布,从而为航天器的隔热航天器的隔热设计设计奠定了理论基础。利用仿真软件分析潜器形状与奠定了理论基础。利用仿真软件分析潜器形状与受到流体阻力的关系,指导受到流体阻力的关系,指导潜器等水下平台潜器等水下平台的设计。的设计。第14页,共46页,编辑于2
12、022年,星期一第二节第二节 传热学与流体力学的理论基础传热学与流体力学的理论基础一、传热学的理论基础一、传热学的理论基础1 1、热量传递三种基本形式:、热量传递三种基本形式:热的传递是由于物体内部或物体之间的热的传递是由于物体内部或物体之间的温度不同温度不同引起的,根引起的,根据热力学第二定律,当无外功输入时,热量总是自动地由温度较高据热力学第二定律,当无外功输入时,热量总是自动地由温度较高的物体传递给温度较低的物体。的物体传递给温度较低的物体。热传导热传导(heat exchange)、热对流热对流(convection)热辐射热辐射(heat radiation)第15页,共46页,编辑
13、于2022年,星期一2 2、热传导、热传导 1)、定义)、定义 热量从物体中热量从物体中温度较高温度较高的部份传递给的部份传递给温度较低温度较低的部份或传递的部份或传递给与之接触的温度较低的另一物体的过程称为给与之接触的温度较低的另一物体的过程称为热传导,简称热传导,简称导热导热。在导热过程中物体各部分或物体与物体之间不发生相对位在导热过程中物体各部分或物体与物体之间不发生相对位移。移。2)、导热机理)、导热机理 (1)气体的导热机理气体的导热机理 气体分子都处于无规则的运动状态,高温区能量较高的分子气体分子都处于无规则的运动状态,高温区能量较高的分子与低温区能量较低的分子与低温区能量较低的分
14、子相互碰撞相互碰撞,则热量就会由高温处传到,则热量就会由高温处传到低温处低温处第16页,共46页,编辑于2022年,星期一 (2)液体的导热机理)液体的导热机理 与气体的导热机理类似,但是与气体的导热机理类似,但是液体分子间的距离比较小液体分子间的距离比较小,分子间,分子间的作用力对碰撞过程的影响比气体大得多,因此的作用力对碰撞过程的影响比气体大得多,因此比气体的导热机比气体的导热机理复杂得多理复杂得多。(3)良好的导电体导热机理)良好的导电体导热机理 相当数量的相当数量的自由电子在晶格之间运动自由电子在晶格之间运动,它们能将热量从高温,它们能将热量从高温处传递到低温处。处传递到低温处。(4)
15、非导电固体导热机理,)非导电固体导热机理,导热是通过导热是通过晶格晶格结构的结构的振动振动传递能量的。传递能量的。第17页,共46页,编辑于2022年,星期一3)、傅立叶定律)、傅立叶定律-导热量导热量-热量通过物体的面积热量通过物体的面积-导热率导热率-热量传导方向上温度的变化率热量传导方向上温度的变化率第18页,共46页,编辑于2022年,星期一例:平面壁导热例:平面壁导热tW1tW21A2第19页,共46页,编辑于2022年,星期一4)、传导问题分类)、传导问题分类 (1)温度场是否随时间发生变化)温度场是否随时间发生变化 稳态导热稳态导热 非稳态导热非稳态导热 (2)温度分布考虑的坐标
16、)温度分布考虑的坐标 一维导热一维导热 二维导热二维导热 三维导热三维导热第20页,共46页,编辑于2022年,星期一3 3、对流、对流 1)、定义)、定义 对流是指流体各部分对流是指流体各部分质点发生相对位移质点发生相对位移而引起的热量传递过而引起的热量传递过程。即是靠流体的程。即是靠流体的宏观的相对位移宏观的相对位移所产生的相对流动来传递所产生的相对流动来传递热量的过程。因此热量的过程。因此对流只能发生在流体中对流只能发生在流体中。2)、对流的两种方式:)、对流的两种方式:(1)流体本身各点温度不同引起密度的差异而造成流体质点相)流体本身各点温度不同引起密度的差异而造成流体质点相对位移所形
17、成的对流称为对位移所形成的对流称为自然对流自然对流。(2)借助机械作用(如搅拌器、风机、泵等)或其它压差而)借助机械作用(如搅拌器、风机、泵等)或其它压差而引起的对流称为引起的对流称为强制对流强制对流。第21页,共46页,编辑于2022年,星期一 3)、牛顿冷却公式)、牛顿冷却公式A第22页,共46页,编辑于2022年,星期一 1)、定义)、定义 辐射是固体、液体和某些气体由于温差而引起的辐射是固体、液体和某些气体由于温差而引起的电磁波传递电磁波传递能量能量的现象。这种电磁波辐射称为的现象。这种电磁波辐射称为热辐射热辐射。辐射能以电磁波的形。辐射能以电磁波的形式发射而在空间传递。式发射而在空间
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