第1章 绪论-2011.ppt

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1、1流流 体体 力力 学学FluidMechanics建筑工程学院建筑工程学院韩云龙韩云龙Email:2q 课程的性质课程的性质q 课程教学目的课程教学目的q本课程教学内容和基本要求本课程教学内容和基本要求q流体的主要力学性质和力学模型流体的主要力学性质和力学模型q流体力学概述流体力学概述3流体力学流体力学是一门横跨各领域，各不同专业是一门横跨各领域，各不同专业的重要技术基础课。的重要技术基础课。研究流体 静止（相对静止）静止（相对静止）和运动的力学规律，并应用到和运动的力学规律，并应用到实际工程领域中。v建筑设备建筑设备v环境工程：大气、水环境工程：大气、水v水利工程水利工程v航空、航天、航海

2、航空、航天、航海v汽车汽车v冶金、发电（风力发电）冶金、发电（风力发电）v热能工程热能工程v安全工程等安全工程等q课程的性质课程的性质4先修课先修课：高等数学：高等数学物理物理理论力学理论力学材材料力学；料力学；工程流体力学（专业基础课）工程流体力学（专业基础课）后续课后续课：空调、通风、流体输配管网等；：空调、通风、流体输配管网等；课程的相关联系课程的相关联系5 本课程的教学目的是掌握流体运动的基本课程的教学目的是掌握流体运动的基本概念和基本理论，学会必要的分析计算方本概念和基本理论，学会必要的分析计算方法，能够分析流体的运动规律，解决与流体法，能够分析流体的运动规律，解决与流体有关的相关问

3、题，为专业课的学习打下必要有关的相关问题，为专业课的学习打下必要的基础。的基础。q课程教学目的课程教学目的6v注册工程师考试；注册工程师考试；v研究生入学考试研究生入学考试:工程流体力学往往成为研工程流体力学往往成为研究生入学考试中的专业基础课之一。究生入学考试中的专业基础课之一。q课程地位课程地位7q本课程教学内容和基本要求本课程教学内容和基本要求v掌握流体的主要力学性质：易变性（易流动性）掌握流体的主要力学性质：易变性（易流动性）与粘性，压缩性，表面张力与毛细现象。与粘性，压缩性，表面张力与毛细现象。v建立理想流体和实际流体、可压缩和不可压缩建立理想流体和实际流体、可压缩和不可压缩流体的概

4、念和相应的物理模型。流体的概念和相应的物理模型。v理解作用在流体上的力。理解作用在流体上的力。1流体的力学性质（流体的力学性质（4学时）学时）8v 理解流体静压强的概念与性质。理解流体静压强的概念与性质。v 掌掌握握流流体体平平衡衡微微分分方方程程的的推推导导方方法法及及应应用用，流流体平衡时的质量力条件。体平衡时的质量力条件。v 掌握重力场中静止液体的压力分布特点。掌握重力场中静止液体的压力分布特点。v 掌掌握握重重力力场场中中静静止止液液体体对对固固体体接接触触面面的的作作用用力力计计算算方方法法在在惯惯性性系系与与非非惯惯性性系系中中相相对对静静止止液液体体的的静力学规律。静力学规律。v

5、掌掌握握非非惯惯性性坐坐标标系系中中的的静静止止液液体体中中的的压压力力分分布布规规律。律。2流体静力学流体静力学（8学时）学时）93一元流体动力学基础一元流体动力学基础（8学时）学时）v 掌握拉格朗日法和欧拉法的基本特点，理掌握拉格朗日法和欧拉法的基本特点，理解流场的基本概念。理解恒定流动和非恒定解流场的基本概念。理解恒定流动和非恒定流动的概念。流动的概念。v 掌握流体连续性方程、能量方程和动量方掌握流体连续性方程、能量方程和动量方程及其不同的表示形式。程及其不同的表示形式。v 掌握恒定总流的伯努利方程、动量方程的掌握恒定总流的伯努利方程、动量方程的物理意义及其应用。物理意义及其应用。v 掌

6、握恒定气流能量方程及其应用。掌握恒定气流能量方程及其应用。104.流动阻力和能量损失（流动阻力和能量损失（8学时）学时）v掌握流动阻力和能量损失计算；掌握流动阻力和能量损失计算；v掌握流体运动两种形态及其判别；掌握流体运动两种形态及其判别；v理理解解紊紊流流特特征征，紊紊流流时时均均化化和和普普朗朗特特混混合合长长度度理理论，理解雷诺应力的概念；论，理解雷诺应力的概念；v理理解解沿沿程程能能量量损损失失的的成成因因和和阻阻力力系系数数的的变变化化规规律律，掌握沿程能量损失的计算；掌握沿程能量损失的计算；v理理解解局局部部阻阻力力产产生生的的原原因因，掌掌握握几几种种典典型型局局部部构构件件的的

7、局局部部阻阻力力系系数数的的计计算算，掌掌握握局局部部阻阻力力造造成成能能量损失的计算；量损失的计算；v掌握沿程阻力系数和局部阻力系数的测试方法。掌握沿程阻力系数和局部阻力系数的测试方法。11v掌掌握握孔孔口口的的分分类类；掌掌握握孔孔口口管管嘴嘴的的基基本本公公式式和出流系数及其应用；和出流系数及其应用；v掌掌握握有有压压管管流流的的水水力力计计算算和和伯伯努努利利能能线线的的绘绘制方法；制方法；v掌握管网计算的基本方法；掌握管网计算的基本方法；v理解水击现象产生的原因和危害及其预防措理解水击现象产生的原因和危害及其预防措施，掌握直接水击的计算方法。施，掌握直接水击的计算方法。5.孔口管嘴和

8、管路流动（孔口管嘴和管路流动（8学时）学时）126.气体射流（气体射流（2学时）学时）v理理解解无无限限空空间间紊紊流流淹淹没没射射流流的的结结构构和和特特征；征；v掌握紊流射流主体段诸参数的计算；掌握紊流射流主体段诸参数的计算；v掌掌握握温温差差射射流流与与浓浓差差射射流流的的特特征征和和主主体体段诸参数的计算；段诸参数的计算；v理理解解温温差差射射流流轨轨迹迹弯弯曲曲的的概概念念和和弯弯曲曲轨轨迹方程的推导步骤。迹方程的推导步骤。137.不可压缩流体动力学基础（不可压缩流体动力学基础（8学时）学时）v 理解流体微团的运动形式；理解流体微团的运动形式；v 掌握不可压缩流体连续性微分方程；掌握

9、不可压缩流体连续性微分方程；v 掌握牛顿内摩擦定律；掌握牛顿内摩擦定律；v 掌握掌握N-SN-S方程，理想流体运动微分方程；方程，理想流体运动微分方程；v 基本方程组及初、边条件。基本方程组及初、边条件。148.绕流运动绕流运动(6学时学时)v掌掌握握流流函函数数的的定定义义及及其其性性质质，掌掌握握平平面面无无旋旋流流动动 和和 之间的关系；之间的关系；v 掌握平面势流基础掌握平面势流基础几种简单的平面势流；几种简单的平面势流；v 掌掌握握势势流流叠叠加加的的分分析析步步骤骤；理理解解、掌掌握握几几种种常常见见的势流叠加的物理模型；的势流叠加的物理模型；v 掌掌握握边边界界层层动动量量积积分

10、分关关系系式式及及其其应应用用，理理解解平平板板层流、紊流及混合边界层的近似计算方法；层流、紊流及混合边界层的近似计算方法；v 理理解解边边界界层层分分离离现现象象，掌掌握握物物体体绕绕流流运运动动和和悬悬浮浮速度的计算。速度的计算。159.一元气体动力学基础一元气体动力学基础(6学时）学时）v 掌掌握握气气体体一一元元流流动动的的基基本本方方程程，掌掌握握音音速、滞止参数、马赫数；速、滞止参数、马赫数；v 掌握等熵流动关系式和喷管的流动计算；掌握等熵流动关系式和喷管的流动计算；v 掌握等截面管道实际气体恒定流动及其掌握等截面管道实际气体恒定流动及其计算。计算。1610.10.相似性原理和因次

11、分析相似性原理和因次分析(4(4学时学时)v相似性原理；相似性原理；v原型和模型相互关系的模型律；原型和模型相互关系的模型律；v因次分析法；因次分析法；17参考书目：参考书目：1.蔡增基等蔡增基等.流体力学泵与风机流体力学泵与风机.中国建筑工业中国建筑工业出版社出版社.2.屠大燕屠大燕.流体力学与流体机械流体力学与流体机械.中国建筑工业中国建筑工业出版社出版社.3.林建忠、阮晓冬等林建忠、阮晓冬等.流体力学流体力学.清华大学出版清华大学出版社社.4.蔡增基蔡增基.流体力学学习辅导与习题精解流体力学学习辅导与习题精解.中国中国建筑工业出版社建筑工业出版社.18本课程的考察方法本课程的考察方法闭卷

12、考试闭卷考试卷面成绩（卷面成绩（70%）平时成绩（平时成绩（30%）作业情况（作业情况（50%）到课情况（到课情况（25%）课堂表现（课堂表现（25%）19本课程有一定的习题，希望同学按要求完成本课程有一定的习题，希望同学按要求完成1.作业根据要求抄题，画图，写出计算公式，具体计算步作业根据要求抄题，画图，写出计算公式，具体计算步 骤和结果骤和结果；3.作业须作业须按时交按时交，课程结束时没完成作业者，不能参加考试课程结束时没完成作业者，不能参加考试；4.作业的成绩占总评成绩的作业的成绩占总评成绩的15%。2.作业要求每个同学作业要求每个同学独立独立完成；完成；20v流体力学概述流体力学概述v

13、流体力学的研究对象流体力学的研究对象v日常流体力学现象日常流体力学现象v流体力学模型流体力学模型v流体力学三大方程流体力学三大方程v第一章内容第一章内容21一、流体力学概述一、流体力学概述22 流体力学作为经典力学的一个重要分流体力学作为经典力学的一个重要分支，其发展与数学、力学的发展密不可分。支，其发展与数学、力学的发展密不可分。它同样是人类在长期与自然灾害作斗争的它同样是人类在长期与自然灾害作斗争的过程中逐步认识和掌握自然规律，逐渐发过程中逐步认识和掌握自然规律，逐渐发展形成的，是人类集体智慧的结晶。展形成的，是人类集体智慧的结晶。人类最早对流体力学的认识是从人类最早对流体力学的认识是从治

14、水治水、灌溉灌溉、航行航行等方面开始的。在我国水力事等方面开始的。在我国水力事业的历史十分悠久。业的历史十分悠久。1 流体力学发展历程23 4000多年前的多年前的大禹治水大禹治水，说明我国古代已有大规模的，说明我国古代已有大规模的治河工程。治河工程。秦代，在公元前秦代，在公元前256-前前210年间便修建了年间便修建了都江堰都江堰、郑、郑国渠、灵渠三大水利工程，特别是李冰父子领导修建的国渠、灵渠三大水利工程，特别是李冰父子领导修建的都江堰。说明当时对明槽水流和堰流流动规律的认识已都江堰。说明当时对明槽水流和堰流流动规律的认识已经达到相当水平。经达到相当水平。西汉武帝（公元前西汉武帝（公元前1

15、56-前前87）时期，为引洛水灌溉农）时期，为引洛水灌溉农田，在黄土高原上修建了龙首渠，创造性地采用了井渠田，在黄土高原上修建了龙首渠，创造性地采用了井渠法，即用竖井沟通长十余里的穿山隧洞，有效地防止了法，即用竖井沟通长十余里的穿山隧洞，有效地防止了黄土的塌方。黄土的塌方。1 流体力学发展历程24 在古代，以水为动力的简单机械也有了长足的发展，在古代，以水为动力的简单机械也有了长足的发展，例如用水轮提水，或通过简单的机械传动去碾米、磨例如用水轮提水，或通过简单的机械传动去碾米、磨面等。东汉杜诗任南阳太守时（公元面等。东汉杜诗任南阳太守时（公元37年）曾创造水年）曾创造水排（水力鼓风机），利用水

16、力，通过传动机械，使皮排（水力鼓风机），利用水力，通过传动机械，使皮制鼓风囊连续开合，将空气送入冶金炉，较西欧约早制鼓风囊连续开合，将空气送入冶金炉，较西欧约早了一千一百年。了一千一百年。古代的古代的铜壶滴漏铜壶滴漏（铜壶刻漏）（铜壶刻漏）-计时工具，就是利计时工具，就是利用孔口出流使铜壶的水位变化来计算时间的。说明当用孔口出流使铜壶的水位变化来计算时间的。说明当时对孔口出流已有相当的认识。时对孔口出流已有相当的认识。北宋（北宋（960-1126）时期，在运河上修建的真州船闸）时期，在运河上修建的真州船闸与十四世纪末荷兰的同类船闸相比，约早三百多年。与十四世纪末荷兰的同类船闸相比，约早三百多年

17、。1 流体力学发展历程25 明朝的水利家潘季顺（明朝的水利家潘季顺（1521-1595）提出了）提出了“筑堤防溢，建坝减水，以堤束水，以水攻沙筑堤防溢，建坝减水，以堤束水，以水攻沙”和和“借清刷黄借清刷黄”的治黄原则，并著有的治黄原则，并著有两河两河管见管见、两河经略两河经略和和河防一揽河防一揽。清朝雍正年间，何梦瑶在清朝雍正年间，何梦瑶在算迪算迪一书中一书中提出流量等于过水断面面积乘以断面平均流速提出流量等于过水断面面积乘以断面平均流速的计算方法。的计算方法。1 流体力学发展历程26欧美诸国历史上有记载欧美诸国历史上有记载第一个贡献之人第一个贡献之人 阿基米德阿基米德物理浮力定物理浮力定律和

18、液体平律和液体平衡理论衡理论,公公元前元前250250年年发表学术论发表学术论文文论浮体论浮体1 流体力学发展历程27达芬奇水波、管流、水波、管流、水力机械、水力机械、鸟的飞翔原鸟的飞翔原理等问题理等问题.系统地研究了物体的沉浮、孔口出流、物体的运动阻力以及管道、明渠中水流等问题1 流体力学发展历程28帕斯卡 阐明了静止流阐明了静止流体中压力的概体中压力的概念念,提出了密闭提出了密闭流体能传递压流体能传递压强的原理强的原理-帕帕斯卡原理斯卡原理.1 流体力学发展历程29牛顿牛顿研究了在流体中运动的物体所受到的阻研究了在流体中运动的物体所受到的阻力，得到阻力与流体密度、物体迎流截力，得到阻力与流

19、体密度、物体迎流截面积以及运动速度的平方成正比的关系。面积以及运动速度的平方成正比的关系。他针对粘性流体运动时的内摩擦力也提他针对粘性流体运动时的内摩擦力也提出了牛顿粘性定律出了牛顿粘性定律,为粘性流体力学初步为粘性流体力学初步奠定了理论基础，并讨论了波浪运动等奠定了理论基础，并讨论了波浪运动等问题。问题。1 流体力学发展历程30皮托皮托管的应用1 流体力学发展历程31皮托管的应用皮托管的应用32达朗贝尔达朗贝尔 对运河中船只的阻力进行了许多实对运河中船只的阻力进行了许多实验工作，证实了阻力同物体运动速验工作，证实了阻力同物体运动速度之间的平方关系度之间的平方关系 1 流体力学发展历程33欧拉

20、欧拉采用了连续介质的概采用了连续介质的概念，把静力学中压力念，把静力学中压力的概念推广到运动流的概念推广到运动流体中，建立了欧拉方体中，建立了欧拉方程，正确地用微分方程，正确地用微分方程组描述了无粘流体程组描述了无粘流体的运动的运动 1 流体力学发展历程34伯努利伯努利 伯努利方程伯努利方程 欧拉方程和伯努欧拉方程和伯努利方程的建立，利方程的建立，是流体动力学作是流体动力学作为一个分支学科为一个分支学科建立的标志。建立的标志。1 流体力学发展历程35法国拉格朗日对于无旋运动，德国法国拉格朗日对于无旋运动，德国赫尔姆霍兹对于涡旋运动作了不少赫尔姆霍兹对于涡旋运动作了不少研究研究 1 流体力学发展

21、历程36粘性流体粘性流体工程实际工程实际水力学的形成水力学的形成纳维纳维粘性流体的基本运动方程粘性流体的基本运动方程 斯托克斯斯托克斯纳维纳维-斯托克斯方程斯托克斯方程(N-S(N-S方程方程)1 流体力学发展历程37 著名的学者著名的学者谢才谢才（A.de Chzy）在）在1755年便年便总结出明渠均匀流公式总结出明渠均匀流公式-谢才公式，一直沿用谢才公式，一直沿用至今。至今。雷诺雷诺（O.Reynolds，1842-1912）1883年用实年用实验证实了粘性流体的两种流动状态验证实了粘性流体的两种流动状态层流和层流和紊流的客观存在，找到了实验研究粘性流体流紊流的客观存在，找到了实验研究粘性

22、流体流动规律的相似准则数动规律的相似准则数雷诺数，以及判别层雷诺数，以及判别层流和紊流的临界雷诺数，为流动阻力的研究奠流和紊流的临界雷诺数，为流动阻力的研究奠定了基础。定了基础。1 流体力学发展历程38 瑞利瑞利（L.J.W.Reyleigh，1842-1919）在相似原理的基础）在相似原理的基础上，提出了实验研究的量纲分析法中的一种方法上，提出了实验研究的量纲分析法中的一种方法-瑞利瑞利法。法。库塔库塔（M.W.Kutta，18671944）1902年就曾提出过绕年就曾提出过绕流物体上的升力理论，但没有在通行的刊物上发表。流物体上的升力理论，但没有在通行的刊物上发表。普朗特普朗特（L.Pra

23、ndtl，18751953）建立了边界层理论，）建立了边界层理论，解释了阻力产生的机制。以后又针对航空技术和其他工解释了阻力产生的机制。以后又针对航空技术和其他工程技术中出现的紊流边界层，提出混合长度理论。程技术中出现的紊流边界层，提出混合长度理论。1918-1919年间，论述了大展弦比的有限翼展机翼理论，对现年间，论述了大展弦比的有限翼展机翼理论，对现代航空工业的发展作出了重要的贡献。代航空工业的发展作出了重要的贡献。1 流体力学发展历程39 儒科夫斯基（儒科夫斯基（.,18471921）从）从1906年年起，发表了起，发表了论依附涡流论依附涡流等论文，找到了翼型升力等论文，找到了翼型升力和

24、绕翼型的环流之间的关系，建立了二维升力理论的和绕翼型的环流之间的关系，建立了二维升力理论的数学基础。他还研究过螺旋桨的涡流理论以及低速翼数学基础。他还研究过螺旋桨的涡流理论以及低速翼型和螺旋桨桨叶剖面等。他的研究成果，对空气动力型和螺旋桨桨叶剖面等。他的研究成果，对空气动力学的理论和实验研究都有重要贡献，为近代高效能飞学的理论和实验研究都有重要贡献，为近代高效能飞机设计奠定了基础。机设计奠定了基础。卡门卡门（T.von Krmn，1881-1963）在）在1911-1912年连年连续发表的论文中，提出了分析带旋涡尾流及其所产生续发表的论文中，提出了分析带旋涡尾流及其所产生的阻力的理论，人们称这

25、种尾涡的排列为卡门涡街。的阻力的理论，人们称这种尾涡的排列为卡门涡街。在在1930年的论文中，提出了计算紊流粗糙管阻力系数年的论文中，提出了计算紊流粗糙管阻力系数的理论公式。嗣后，在紊流边界层理论、超声速空气的理论公式。嗣后，在紊流边界层理论、超声速空气动力学、火箭及喷气技术等方面都有不少贡献。动力学、火箭及喷气技术等方面都有不少贡献。1 流体力学发展历程40 布拉休斯（布拉休斯（H.Blasius）在）在1913年发表的论文中，提出年发表的论文中，提出了计算紊流光滑管阻力系数的经验公式。了计算紊流光滑管阻力系数的经验公式。伯金汉（伯金汉（E.Buckingham）在）在1914年发表的年发表

26、的在物理的相在物理的相似系统中量纲方程应用的说明似系统中量纲方程应用的说明论文中，提出了著名的论文中，提出了著名的定理，进一步完善了量纲分析法。定理，进一步完善了量纲分析法。尼古拉兹（尼古拉兹（J.Nikuradze）在）在1933年发表的论文中，公布年发表的论文中，公布了他对砂粒粗糙管内水流阻力系数的实测结果了他对砂粒粗糙管内水流阻力系数的实测结果-尼古拉尼古拉兹曲线，据此他还给紊流光滑管和紊流粗糙管的理论公兹曲线，据此他还给紊流光滑管和紊流粗糙管的理论公式选定了应有的系数。式选定了应有的系数。1 流体力学发展历程41 布茹克（布茹克（C.F.Colebrook）在）在1939年发表的年发表

27、的论文中，提出了把紊流光滑管区和紊流粗论文中，提出了把紊流光滑管区和紊流粗糙管区联系在一起的过渡区阻力系数计算糙管区联系在一起的过渡区阻力系数计算公式。公式。莫迪（莫迪（L.F.Moody）在）在1944年发表的论文年发表的论文中，给出了他绘制的实用管道的当量糙粒中，给出了他绘制的实用管道的当量糙粒阻力系数图阻力系数图-莫迪图。至此，有压管流的莫迪图。至此，有压管流的水力计算已渐趋成熟。水力计算已渐趋成熟。1 流体力学发展历程42 我国科学家的杰出代表我国科学家的杰出代表钱学森钱学森（Qian Xuesen）早在）早在1938年发表的论文中，便提出了平板可压缩层流边界年发表的论文中，便提出了平

28、板可压缩层流边界层的解法层的解法-卡门卡门-钱学森解法。他在空气动力学、航空钱学森解法。他在空气动力学、航空工程、喷气推进、工程控制论等技术科学领域做出过工程、喷气推进、工程控制论等技术科学领域做出过许多开创性的贡献。许多开创性的贡献。吴仲华（吴仲华（Wu Zhonghua）在）在1952年发表的年发表的在轴流在轴流式、径流式和混流式亚声速和超声速叶轮机械中的三式、径流式和混流式亚声速和超声速叶轮机械中的三元流普遍理论元流普遍理论和在和在1975年发表的年发表的使用非正交曲线使用非正交曲线坐标的叶轮机械三元流动的基本方程及其解法坐标的叶轮机械三元流动的基本方程及其解法两篇两篇论文中所建立的叶轮

29、机械三元流理论，至今仍是国内论文中所建立的叶轮机械三元流理论，至今仍是国内外许多优良叶轮机械设计计算的主要依据。外许多优良叶轮机械设计计算的主要依据。1 流体力学发展历程43 周培源周培源（Zhou Peiyuan）多年从事）多年从事紊流统计理论的研究，取得了不少成紊流统计理论的研究，取得了不少成果，果，1975年发表在年发表在中国科学中国科学上的上的均匀各向同性湍流的涡旋结构的统均匀各向同性湍流的涡旋结构的统计理论计理论便是其中之一。便是其中之一。1 流体力学发展历程44 20 20世纪世纪4040年代以后，由于喷气推进年代以后，由于喷气推进和火箭技术的应用，飞行器速度超过声和火箭技术的应用

30、，飞行器速度超过声速，进而实现了航天飞行，使气体高速速，进而实现了航天飞行，使气体高速流动的研究进展迅速，形成了气体动力流动的研究进展迅速，形成了气体动力学、物理学、物理-化学流体动力学等分支学科化学流体动力学等分支学科 1 流体力学发展历程4520世纪世纪40年代，发展了爆炸波理论。年代，发展了爆炸波理论。此后，流体力学又发展了许多分支，如此后，流体力学又发展了许多分支，如高超声速空气动力学、超音速空气动力高超声速空气动力学、超音速空气动力学、稀薄空气动力学、电磁流体力学、学、稀薄空气动力学、电磁流体力学、计算流体力学、两相计算流体力学、两相(气液或气固气液或气固)流等流等等等1 流体力学发

31、展历程465050年代起，电子计年代起，电子计算机不断完善，使算机不断完善，使原来用分析方法难原来用分析方法难以进行研究的课题，以进行研究的课题，可以用数值计算方可以用数值计算方法来进行，出现了法来进行，出现了计算流体力学这一计算流体力学这一新的分支学科新的分支学科 1 流体力学发展历程47 20 20世纪世纪6060年代开始了用有限元方法研年代开始了用有限元方法研究高速流的问题，也出现了有限元方法和究高速流的问题，也出现了有限元方法和差分方法的互相渗透和融合。差分方法的互相渗透和融合。从从2020世纪世纪6060年代起，流体力学开始和年代起，流体力学开始和其他学科的互相交叉渗透，形成新的交叉

32、其他学科的互相交叉渗透，形成新的交叉学科或边缘学科，如物理学科或边缘学科，如物理-化学流体动力学、化学流体动力学、磁流体力学等；原来基本上只是定性地描磁流体力学等；原来基本上只是定性地描述的问题，逐步得到定量的研究，生物流述的问题，逐步得到定量的研究，生物流变学就是一个例子。变学就是一个例子。1 流体力学发展历程482 2 流体力学的研究内容流体力学的研究内容流体介质大气运动、海水运动(包括波浪、潮汐、中尺度涡旋、环流等)乃至地球深处熔浆的流动都是流体力学的研究内容。49空气动力学和气体动力学飞行器2 2 流体力学的研究内容流体力学的研究内容502 2 流体力学的研究内容流体力学的研究内容渗流

33、力学石油、天然气、地下水(多孔介质中的运动)512 2 流体力学的研究内容流体力学的研究内容燃烧与爆炸燃烧与爆炸 522 2 流体力学的研究内容流体力学的研究内容多相流体力学沙漠迁移、河流泥沙运动、管道中煤粉输送、化工中气体催化剂的运动 532 2 流体力学的研究内容流体力学的研究内容等离子体动力学和电磁流体力学 受控热核反应、磁流体发电、宇宙气体运动 542 2 流体力学的研究内容流体力学的研究内容环境流体力学(其中包括环境空气动力学、建筑空气动力学)552 2 流体力学的研究内容流体力学的研究内容生物流变学血液在血管中的流动，心、肺、肾中的生理流体运动和植物中营养液的输送。此外，还研究鸟类

34、在空中的飞翔，动物在水中的游动。562 2 流体力学的研究内容流体力学的研究内容 流体力学既包含自然科学的基础理论，又涉及工程技术科学方面的应用。从流体作用力的角度，则可分为流体静力学、流体运动学和流体动力学；从对不同“力学模型”的研究来分，则有理想流体动力学、粘性流体动力学、不可压缩流体动力学、可压缩流体动力学和非牛顿流体力学等。573流体力学的研究方法流体力学的研究方法 可以分为现场观测、实验室模拟、理论可以分为现场观测、实验室模拟、理论分析、数值计算分析、数值计算 1)1)现场观测现场观测是对自然界固有的流动现象或已有工程的全是对自然界固有的流动现象或已有工程的全尺寸流动现象，利用各种仪

35、器进行系统观测，尺寸流动现象，利用各种仪器进行系统观测，从而总结出流体运动的规律，并借以预测流从而总结出流体运动的规律，并借以预测流动现象的演变动现象的演变 583流体力学的研究方法流体力学的研究方法2)2)实验室模拟实验室模拟 流体力学离不开实验流体力学离不开实验 实验室模拟可以对还没有出现的事物、没有实验室模拟可以对还没有出现的事物、没有发生的现象发生的现象(如待设计的工程、机械等如待设计的工程、机械等)进行进行观察，使之得到改进。因此，实验室模拟是观察，使之得到改进。因此，实验室模拟是研究流体力学的重要方法。研究流体力学的重要方法。593流体力学的研究方法流体力学的研究方法3)3)理论分

36、析理论分析 根据流体运动的普遍规律如质量守恒、根据流体运动的普遍规律如质量守恒、动量守恒、能量守恒等，利用数学分析动量守恒、能量守恒等，利用数学分析的手段，研究流体的运动，解释已知的的手段，研究流体的运动，解释已知的现象，预测可能发生的结果。现象，预测可能发生的结果。603流体力学的研究方法流体力学的研究方法理论分析的步骤 建立“力学模型”针对流体运动的特点，用数学语言将质量守恒、动量守恒、能量守恒等定律表达出来，从而得到连续性方程、动量方程和能量方程。613流体力学的研究方法流体力学的研究方法求出方程组的解后，结合具体流动，解释这些解的物理含义和流动机理理论结果同实验结果进行比较，以确定所得

37、解的准确程度和力学模型的适用范围。623流体力学的研究方法流体力学的研究方法4)数值计算流体力学的基本方程组非常复杂 数学的发展，计算机的不断进步，以及流体力学各种计算方法的发明，使许多原来无法用理论分析求解的复杂流体力学问题有了求得数值解的可能性，这又促进了流体力学计算方法的发展，并形成了“计算流体力学”。633流体力学的研究方法流体力学的研究方法数值模拟和实验模拟相互配合，使科学技术的研究和工程设计的速度加快，并节省开支。解决流体力学问题时，现场观测、实验室模拟、理论分析和数值计算几方面是相辅相成的。644 4 流体力学的展望流体力学的展望1)1)进行流体力学应用性的研究；进行流体力学应用

38、性的研究；2)2)更深入地开展基础研究以探求流体的复杂更深入地开展基础研究以探求流体的复杂流动规律和机理；流动规律和机理；通过湍流的理论和实验研究，了解其结构并通过湍流的理论和实验研究，了解其结构并建立计算模式；多相流动；流体和结构物的建立计算模式；多相流动；流体和结构物的相互作用；边界层流动和分离；生物化学和相互作用；边界层流动和分离；生物化学和环境流体流动等问题；有关各种实验设备和环境流体流动等问题；有关各种实验设备和仪器等。仪器等。65二、流体力学的研究对象二、流体力学的研究对象流体流体66（一）流体的定义（一）流体的定义流动的物质，液体和气体，统称为流体。流动的物质，液体和气体，统称为

39、流体。n水水和和空气空气、天然气、煤制气等、天然气、煤制气等n单相流单相流n两相流两相流67体积形状运动方式受力特点固体固体有有有有平动、转动平动、转动塑性体塑性体弹性体弹性体液体液体有有无无平动、转动、平动、转动、变形运动变形运动不易被压缩，不易被压缩，有有表面张力特性气体气体无无无无平动、转动、平动、转动、变形运动变形运动易于被压缩，易于被压缩，无无表面张力特性表面张力特性表表1.1固体、液体和气体的不同点固体、液体和气体的不同点注：塑性体在一定力的作用下,将产生永久变形 弹性体的变形可立即消失 在表面张力的作用下,液体有自由表面,具有界面现象68易流动性（二）流体的基本特性（二）流体的基

40、本特性 连续性连续性流体可以被无限分割为具有均布质量的宏观流体可以被无限分割为具有均布质量的宏观微元体。这个微元体在宏观上无限小，微观上无微元体。这个微元体在宏观上无限小，微观上无限大，满足数学统计平均量，具有宏观属性。限大，满足数学统计平均量，具有宏观属性。流体在静止状态下，一旦受到剪切力或拉流体在静止状态下，一旦受到剪切力或拉力的作用，无论受力多麽小，其静止状态即会力的作用，无论受力多麽小，其静止状态即会发生改变，呈现流动状态。发生改变，呈现流动状态。69三、日常流体力学现象：三、日常流体力学现象：1、认识大气压、认识大气压2、表面张力现象、表面张力现象3、竹蜻蜓、竹蜻蜓4、千斤顶、千斤顶

41、5、潜水艇、潜水艇6、烟囱、烟囱7、超音速飞机、超音速飞机8、流体输送、流体输送7016431643年意大利科学家托里拆利实验证实大气压年意大利科学家托里拆利实验证实大气压760mm760mm汞柱；汞柱；16541654年德国人奥托年德国人奥托.格里克进行了马德堡实验。格里克进行了马德堡实验。71表面张力现象表面张力现象72竹蜻蜓竹蜻蜓73喷雾器喷雾器把两张纸条平行放置,当向它们中间吹气时它们就会相互靠近而贴在一起.所以轮船、飞机和高速列车等都不能并行行驶,否则有相撞的危险,在车站等设有安全线也是为了避免被运动的列车“吸”过去的考虑.喷雾器也是利用流速产生压差的空吸作用来制作的.74机翼形状的

42、设计也是为了使飞机飞行时其上部的流线密集,即气体流速大,下部的流线稀疏,气流速度小,从而下部的气压比上部的气压大,产生向上的升力。75空中飞行的物体如果自身还有旋转,则带动周围的气体转动,结果造成两侧的气流流速不同形成气压差,从而产生附加力而可能改变飞行方向,例如乒乓球中弧圈球,足球的香蕉球,排球中的飘球以及澳大利亚飞镖都是这样。76航空器的速度接航空器的速度接近音速时，将会近音速时，将会逐渐追上自己发逐渐追上自己发出的声波。声波出的声波。声波叠合累积的结果，叠合累积的结果，会造成震波会造成震波(Shock Wave)(Shock Wave)的的产生，进而对飞产生，进而对飞行器的加速产生行器的

43、加速产生障碍，而这种因障碍，而这种因为音速造成提升为音速造成提升速度的障碍称为速度的障碍称为音障音障 77四、常用的流体力学模型四、常用的流体力学模型n不可压缩流体力学模型不可压缩流体力学模型n理想流体力学模型理想流体力学模型n流体的连续介质模型流体的连续介质模型78n 连续性方程五、常用的流体力学三大方程五、常用的流体力学三大方程n 运动流体的伯努利方程n 动量方程质量守恒定律质量守恒定律能量守恒定律能量守恒定律牛顿第二运动定律牛顿第二运动定律791.流体的主要力学性质（特别是粘滞性）；流体的主要力学性质（特别是粘滞性）；2.作用于流体上的力作用于流体上的力（表面力，质量力）；（表面力，质量

44、力）；3.牛顿内摩擦定理牛顿内摩擦定理 （公式的物理意义，公式中各项的意义）（公式的物理意义，公式中各项的意义）本本 章章 重重 点点1.流体基本特征和主要力学性质；流体基本特征和主要力学性质；2.作用于流体上的力作用于流体上的力；3.牛顿内摩擦定理牛顿内摩擦定理本本 章章 难难 点点第一章第一章 绪论绪论80第一章第一章第一节第一节 作用在流体上的力作用在流体上的力 质量力质量力 表面力表面力81按力的按力的作用方作用方式式表面力表面力质量力质量力表面力是作用于液体的表面上，并表面力是作用于液体的表面上，并与受作用的表面面积成正比的力与受作用的表面面积成正比的力,如如压力压力,粘滞力；粘滞力

45、；质量力是指通过液体质量而起作用，质量力是指通过液体质量而起作用，其大小与质量成正比的力，其大小与质量成正比的力，如重力、如重力、惯性力惯性力 若一质量为若一质量为M的均质液体，作用于其上的总质量力为的均质液体，作用于其上的总质量力为F，则所受的单位质量力为则所受的单位质量力为 f=F/M，与加速度有一样的量纲，与加速度有一样的量纲L/T282FPTAAVn法向应力周围流体作用的表面力切向应力作用在液体上的表面力流体相对运动时因粘性而产生的内摩擦力83第二节第二节 流体的主要力学性质流体的主要力学性质84一、惯性一、惯性v均质流体：均质流体：v非均质流体：非均质流体：n 质量，质量，m(kg)

46、(kg)，是表征惯性的物理量。，是表征惯性的物理量。n 密度，密度，（kg/mkg/m3 3),),是描述流体质量在空间是描述流体质量在空间分布程度的物理量分布程度的物理量85二、重力特性二、重力特性1.容重（重度容重（重度)，（N/m3)v 非均质流体非均质流体:v 均质流体均质流体:862.密度和容重密度和容重3.比重，比重，S 物体的密度物体的密度与与4 时蒸馏水时蒸馏水的密度的密度w 之比之比87干空气在温度为干空气在温度为290K，压强为，压强为760mmHg时的密度和时的密度和容重：容重：在计算中在计算中常用的流体密度和容重常用的流体密度和容重如下：如下：a=1.2kg/m3 a=

47、11.77N/m3=1000kg/m3=9807N/m3Hg=13595kg/m3 Hg=133326N/m3水的密度和容重水的密度和容重:汞的密度和容重汞的密度和容重:88三、流体的粘滞性三、流体的粘滞性 流体内部质点间或流层间因相对运动而产流体内部质点间或流层间因相对运动而产生内摩擦力生内摩擦力(内力内力)以反抗相对运动的性质，叫做以反抗相对运动的性质，叫做粘滞性。粘滞性。89粘性的表现粘性的表现90内摩擦力内摩擦力(或切应力或切应力)T的大小，经过无数的试的大小，经过无数的试验证明：验证明：1与两流层间的速度差与两流层间的速度差(即相对速度即相对速度)du成成正比，和流层问距离正比，和流

48、层问距离dy成反比；成反比；2与流层的接触面积与流层的接触面积A的大小成正比；的大小成正比；3与流体的种类有关；与流体的种类有关；4与流体的压力大小无关。与流体的压力大小无关。牛顿内摩擦定律牛顿内摩擦定律9192速度梯度的物理意义直角变形速度（剪切变形速度）udt(u+du)dtdudtdyd流体与固体在摩擦规律上完全不同正比于du/dy正比于正压力，与速度无关93动力粘滞系数动力粘滞系数 表征单位速度梯度作用下的切应力，所以表征单位速度梯度作用下的切应力，所以它反映了粘滞性的动力性质，因此也称为动力粘它反映了粘滞性的动力性质，因此也称为动力粘滞系数。滞系数。单位是单位是N/m2s或或Pas。

49、94运动粘滞系数运动粘滞系数理解为单位速度梯度作用下的切应力对单位体积质理解为单位速度梯度作用下的切应力对单位体积质量作用产生的阻力加速度。这样，由于在量作用产生的阻力加速度。这样，由于在v的因次中没的因次中没有力的因次，只具有运动学要素，故称有力的因次，只具有运动学要素，故称v为运动粘滞系为运动粘滞系数。数。流体流动性是运动学的概念，所以衡量流体流动性流体流动性是运动学的概念，所以衡量流体流动性应用运动粘滞系数应用运动粘滞系数v而不用而不用95水的粘滞系数水的粘滞系数t()(10-3pa s)(10-6m2s)t()(10-3pa s)(10-6m2s)0 5 10 15 20 25 30

50、35 1.792 1.519 1.308 1.140 1.005 0.894 0.801 0.723 1.792 1.519 1.308 1.140 1.007 0.897 0.804 0.727 40 45 50 60 70 80 90 100 0.656 0.599 0.549 0.469 0.406 0.357 0.317 0.284 0.661 0.605 0.556 0.477 0.415 0.367 0.328 0.29696一个大气压下的空气的粘滞系数一个大气压下的空气的粘滞系数t()(10-3pa s)(10-6m2s)t()(10-3pa s)(10-6m2s)0 10 20