工程流体力学PPT讲稿.ppt
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1、工程流体力学第1页,共45页,编辑于2022年,星期六v 流流体体(气气体体和和液液体体)区区别别于于固固体体的的主主要要物物理理特特性是易于流动。性是易于流动。v 运运动动流流体体具具有有抵抵抗抗剪剪切切变变形形的的能能力力,这这种种抵抵抗抗体体现现在在限限制制剪剪切切变变形形的的速速率率而而不不是是大大小小上上,这这就就是是粘粘滞性。滞性。第一章第一章 概述和流体的物理性质概述和流体的物理性质第2页,共45页,编辑于2022年,星期六v 流体能承受压力,抵抗压缩变形。流体能承受压力,抵抗压缩变形。v 流体不能承受集中力,只能承受分布力。流体不能承受集中力,只能承受分布力。v 一般情况下流体
2、可看成是连续介质。一般情况下流体可看成是连续介质。v 流流体体的的上上述述物物理理力力学学特特性性使使流流体体力力学学(水水力力学学)成成为宏观力学的一个独特分支。为宏观力学的一个独特分支。第3页,共45页,编辑于2022年,星期六11 课程概述 工程流体力学的学科性质工程流体力学的学科性质研究对象研究对象力学问题载体力学问题载体 宏观力学分支宏观力学分支遵循三大守恒原理遵循三大守恒原理 强调水是主要研究对象强调水是主要研究对象偏重于工程应用,水利工程、偏重于工程应用,水利工程、流体动力工程专业常用流体动力工程专业常用 第4页,共45页,编辑于2022年,星期六 1.1.流体在外力作用下,静止
3、(相对平衡)与运动的规律;流体在外力作用下,静止(相对平衡)与运动的规律;2.2.流体与边界的相互作用。流体与边界的相互作用。工程流体力学(水力学)的主要研究内容工程流体力学(水力学)的主要研究内容 固定边界:水工建筑物、河床、海洋平台等固定边界:水工建筑物、河床、海洋平台等 运动边界:流体机械运动边界:流体机械、飞机、船只等飞机、船只等流体静力学:研究流体处于静止(或相对平衡)状态时,流体静力学:研究流体处于静止(或相对平衡)状态时,作用于流体上的各种力之间的关系;作用于流体上的各种力之间的关系;流体动力学:研究流体处于运动状态时,作用在流体上的力与各流体动力学:研究流体处于运动状态时,作用
4、在流体上的力与各运动要素之间的相互关系,以及运动特性与能量转换的关系等。运动要素之间的相互关系,以及运动特性与能量转换的关系等。运动要素:描述流体运动状态的特性量,如速度、加速度、压强、温度以运动要素:描述流体运动状态的特性量,如速度、加速度、压强、温度以及其它物理量如密度、粘性等。及其它物理量如密度、粘性等。第5页,共45页,编辑于2022年,星期六 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很普普遍遍的的。流流体体力力学学在在许许多多工工程程领领域域有有着着广广泛泛的的应应用用,对对水水利利水水电电、流流体体
5、动动力力工程专业来讲,其重要性不言而喻。工程专业来讲,其重要性不言而喻。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6页,共45页,编辑于2022年,星期六排球排球足球足球网球网球游泳游泳赛艇赛艇铁饼铁饼高尔夫球高尔夫球赛跑赛跑赛车赛车标枪标枪乒乓球乒乓球羽毛球羽毛球大部分竞技体育项目与流体力学有关 第7页,共45页,编辑于2022年,星期六 课程地位课程地位 工工程程流流体体力力学学(水水力力学学)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、
6、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,为为专专业业课程的学习打下坚实基础。课程的学习打下坚实基础。数理、力学数理、力学 基础课程基础课程工程流体力学工程流体力学(水力学)(水力学)专业基础课程专业基础课程水利、动力工水利、动力工程有关专业课程有关专业课程程第8页,共45页,编辑于2022年,星期六 水工建筑物及河槽所受水力荷载水工建筑物及河槽所受水力荷载 水工建筑物及河槽过流能力水工建筑物及河槽过流能力 水流流动形态水流流动形态 水电(泵)站能量利用和消耗水电(泵)站能量利用和消耗水利水电工程中的部分流体力学问题:水利水电工程
7、中的部分流体力学问题:第9页,共45页,编辑于2022年,星期六 流体力学的研究方法流体力学的研究方法 理论分析、实验研究和数值计算相结合。三个方面是互相理论分析、实验研究和数值计算相结合。三个方面是互相补充和验证,但又不能互相取代的关系。补充和验证,但又不能互相取代的关系。基本假设基本假设数学模型数学模型解析表达解析表达理论分理论分析析数值计数值计算算 实验研实验研究究 数学模型数学模型数值模型数值模型数值解数值解模型试验模型试验量测数据量测数据换算到原型换算到原型 第10页,共45页,编辑于2022年,星期六优优 势势局局 限限理论分析对对流流动动机机理理解解析析表表达达,因果关系清晰。因
8、果关系清晰。受受基基本本假假设设局局限限,少少数数情况下才有解析结果。情况下才有解析结果。实验研究(模型试验)直直接接测测量量流流动动参参数数,找到经验性规律。找到经验性规律。成成本本高高,对对量量测测技技术术要要求求高高,不不易易改改变变工工况况,存在比尺效应。存在比尺效应。数值计算扩扩大大理理论论求求解解范范围围,成成本本低低,易易于于改改变变工工况,不受比尺限制。况,不受比尺限制。受受理理论论模模型型和和数数值值模模型型局限,存在计算误差。局限,存在计算误差。第11页,共45页,编辑于2022年,星期六有无固定的有无固定的体积?体积?能否呈现能否呈现流动性?流动性?是否容易是否容易被压缩
9、?被压缩?流体流体气体气体无无能能易易液体液体有有能能不易不易固体固体有有否否不易不易 流体最主要的物理特性流体最主要的物理特性12 流体的物理性质第12页,共45页,编辑于2022年,星期六流体几乎不能承受拉力,没有抵抗拉伸变形的能力。流体几乎不能承受拉力,没有抵抗拉伸变形的能力。流体能承受压力,具有抵抗压缩变形的能力。流体能承受压力,具有抵抗压缩变形的能力。关于流体承受剪切力,抵抗剪切变形能力的叙述:关于流体承受剪切力,抵抗剪切变形能力的叙述:一一.流体的基本特性流体的基本特性 流动性流动性什么是剪切力、什么是剪切力、剪切变形和抵抗剪切变形和抵抗剪切变形的能力剪切变形的能力?第13页,共4
10、5页,编辑于2022年,星期六 流流体体在在静静止止时时不不能能承承受受剪剪切切力,抵抗剪切变形。力,抵抗剪切变形。流流体体只只有有在在运运动动状状态态下下,当当流流体体质质点点之之间间有有相相对对运运动动时时,才才能能抵抵抗抗剪剪切切变变形。形。只只要要有有剪剪切切力力的的作作用用,流流体体就就不不会会静静止止下下来来,发发生生连连续续变变形形而而流动。流动。作作用用在在流流体体上上的的剪剪切切力力不不论论多多么么微微小小,只只要要有有足足够够的的时时间间,便便能能产生任意大的变形。产生任意大的变形。运运动动流流体体抵抵抗抗剪剪切切变变形形的的能能力力(产产生生剪剪切切应应力力的的大大小小)
11、体体现现在在变变形的速率上,而不是变形的大小(与弹性体的不同之处)。形的速率上,而不是变形的大小(与弹性体的不同之处)。第14页,共45页,编辑于2022年,星期六设想放置在敞口容器中初始表面有隆起或凹陷的液体之运动设想放置在敞口容器中初始表面有隆起或凹陷的液体之运动和变形过程可以帮助理解以上论述。当液面不水平时,重力和变形过程可以帮助理解以上论述。当液面不水平时,重力起到剪切力的作用,使液体变形,最终当液面绝对水平时,起到剪切力的作用,使液体变形,最终当液面绝对水平时,剪切力为零,液体变形也终止。不同的液体都能完成上述变剪切力为零,液体变形也终止。不同的液体都能完成上述变形过程,但所需的时间
12、不同。形过程,但所需的时间不同。第15页,共45页,编辑于2022年,星期六二二.流体质点概念和连续介质假设流体质点概念和连续介质假设个分子个分子 1mm3空气空气(1个大气压,个大气压,00C)宏宏观观(流流体体力力学学处处理理问问题题的的尺尺度度)上上看看,流流体体质质点点足足够够小小,只只占占据据一一个空间几何点,体积趋于零。个空间几何点,体积趋于零。微微观观(分分子子自自由由程程的的尺尺度度)上上看看,流流体体质质点点是是一一个个足足够够大大的的分分子子团团,包包含含了了足足够够多多的的流流体体分分子子,以以致致于于对对这这些些分分子子行行为为的的统统计计平平均均值值将将是是稳稳定定的
13、,作为表征流体物理特性和运动要素的物理量定义在流体质点上。的,作为表征流体物理特性和运动要素的物理量定义在流体质点上。流体质点概念流体质点概念第16页,共45页,编辑于2022年,星期六以以密密度度为为例例,考考察察物物理理量量是是怎怎样样定定义义在在流流体体质质点点上上的的。若若流流体体微微团团的的体体积积为为V,质质量量为为m,则流体质点密度为,则流体质点密度为流体区域是由流体质点组成的占满空间而没有间隙的流体区域是由流体质点组成的占满空间而没有间隙的连续体连续体,其物理,其物理特性和运动要素在空间是连续分布的。特性和运动要素在空间是连续分布的。连续介质假设连续介质假设连连续续介介质质假假
14、设设是是近近似似的的、宏宏观观的的假假设设,它它为为数数学学工工具具的的应应用用提提供供了了依依据据,在在其其它它力力学学学学科科也也有有广广泛泛应应用用,使使用用该该假假设设的的力力学学统统称称为为“连连续续介介质质力力学学”。除除了了个个别别情情形形外外,在在水力学中使用连续介质假设是合理的。水力学中使用连续介质假设是合理的。其其中中V0 的的含含义义应应理理解解为为流流体体微微团团趋趋于于流体质点。流体质点。第17页,共45页,编辑于2022年,星期六 运运动动流流体体具具有有抵抵抗抗剪剪切切变变形形的的能能力力,这这就就是是粘粘滞滞性性。值值得得强强调的是,这种抵抗体现在剪切变形的快慢
15、上。调的是,这种抵抗体现在剪切变形的快慢上。在在 剪剪 切切 变变 形形 中中,流流 体体 内内 部部 出出 现现 成成 对对 的的 切切 应应 力力,称称 为为 内内 摩摩 擦擦力,来抵抗相邻两层流体之间的相对运动。力,来抵抗相邻两层流体之间的相对运动。连连续续介介质质假假设设为为建建立立流流场场的的概概念念奠奠定定了了基基础础:设设在在t 时时刻刻,有有某某个个流流体体质质点点占占据据了了空空间间点点(x,y,z),将将此此流流体体质质点点所所具具有有的的某某种种物物理理量量(数数量量或或矢矢量量)定定义义在在该该时时刻刻和和空空间间点点上上,根根据据连连续续介介质质假假设设,就就可可形形
16、成成定定义在连续时间和空间域上的数量或矢量场。义在连续时间和空间域上的数量或矢量场。三三.流体的粘滞性流体的粘滞性第18页,共45页,编辑于2022年,星期六 对对于于如如图图的的平平面面流流动动,流流体体速速度度u 都都沿沿x 方方向向,且且不不随随x 变变化化,只只随随y 变变化化。两两层层流流体体之之间间存存在在相相对对运运动动和和剪剪切切(角角)变变形形,同同时时也也出出现现成成对对的的切切应应力力,流流动动快快的的一一层层要要带带动动流流动动慢慢的的一一层层,而而流流动动慢慢的的一层则要阻碍流动快的一层,它起到抵抗剪切变形的作用。一层则要阻碍流动快的一层,它起到抵抗剪切变形的作用。第
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