工程流体力学绪论.ppt

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1、绪绪 论论教学教学目的目的1.1.【掌握掌握】工程流体力学的研究工程流体力学的研究对对象象2.2.【了解了解】流体力学的流体力学的发发展展简简况况3.3.【了解了解】流体力学在工流体力学在工业业中的地位和作用中的地位和作用教学教学基本基本内容内容1.1.工程流体力学的研究工程流体力学的研究对对象、任象、任务务和方法和方法2.2.流体力学的流体力学的发发展展简简况况3.3.流体力学在工流体力学在工业业中的地位和作用中的地位和作用绪绪 论论一、工程流体力学的研究对象m流体力学流体力学与其他力学课程的研究对象、内容、范围比较与其他力学课程的研究对象、内容、范围比较分类分类课程课程研究对象研究对象研究

2、内容和范围研究内容和范围一般力学一般力学理论力学理论力学刚体刚体刚体的静、动力学刚体的静、动力学固体力学固体力学材料力学材料力学弹性杆件弹性杆件杆件在拉、压、剪、弯、扭状态杆件在拉、压、剪、弯、扭状态下的应力、位移分析下的应力、位移分析弹性力学弹性力学弹性体弹性体复杂构件结构的应力、位移分析复杂构件结构的应力、位移分析塑性力学塑性力学塑性体塑性体结构的塑性分析结构的塑性分析工程力学工程力学结构力学结构力学杆系结构杆系结构杆系结构的内力和位移杆系结构的内力和位移流体力学流体力学流体力学流体力学流体流体流体的位移、速度、应力等流体的位移、速度、应力等绪绪 论论一、工程流体力学的研究对象m流体力学流

3、体力学是研究流体的平衡和运动的规律、流体与固体相互作用是研究流体的平衡和运动的规律、流体与固体相互作用的力学规律、以及这些规律在实际工程中的应用的一门科学。的力学规律、以及这些规律在实际工程中的应用的一门科学。第一章第一章 流体及其物理性质流体及其物理性质流体平衡和运动的内因流体平衡和运动的内因第二章第二章 流流 体体 静静 力力 学学流流 体体 平平 衡衡 规规 律律第三章第三章 流体运动学与动力学流体运动学与动力学第四章第四章 流动阻力和水头损失流动阻力和水头损失流体运动规律及流固作用流体运动规律及流固作用第五章第五章 压力管路的水头计算压力管路的水头计算工程应用工程应用-压力管路水力计算

4、压力管路水力计算 课课 程程 结结 构构（石石油油工工程程专专业业为为例例）第六章第六章 一元不稳定流一元不稳定流工程应用工程应用-水击与水击压力计算水击与水击压力计算第七章第七章 非牛顿流体的流动非牛顿流体的流动绪绪 论论m流体的基本分类：流体的基本分类：l按流体的压缩性可分为：可压缩流体和不可压缩流体按流体的压缩性可分为：可压缩流体和不可压缩流体l按流体的变形特点可分为：牛顿流体和非牛顿流体按流体的变形特点可分为：牛顿流体和非牛顿流体m从学科上看，属于这一范畴的有从学科上看，属于这一范畴的有理论流体力学、水力学、工程流理论流体力学、水力学、工程流体力学体力学。理论流体力学水力学工程流体力学

5、侧重于用数学侧重于用数学分析方法进行分析方法进行理论探讨理论探讨侧重于用物理分侧重于用物理分析和实验方法进析和实验方法进行实用计算行实用计算从实用角度，对工程中涉从实用角度，对工程中涉及的问题建立相应的理论及的问题建立相应的理论基础，并进行计算基础，并进行计算绪绪 论论二、流体力学的发展简况m第一阶段：经验阶段第一阶段：经验阶段17世纪前，世纪前，主要是人们在与大自然斗争中的经验总结。例如，四主要是人们在与大自然斗争中的经验总结。例如，四川都江堰工程，隋代大运河，汉代张衡发明的水力浑天仪，古代川都江堰工程，隋代大运河，汉代张衡发明的水力浑天仪，古代铜壶滴漏计时等。铜壶滴漏计时等。都江堰工程都江

6、堰工程建于公元前建于公元前256256年，是战国时年，是战国时期秦国蜀郡太守李冰及其子率期秦国蜀郡太守李冰及其子率众修建的一座大型水利工程。众修建的一座大型水利工程。都江堰不仅是中国古代水利工都江堰不仅是中国古代水利工程技术的伟大奇迹，也是世界程技术的伟大奇迹，也是世界水利工程的璀璨明珠。最伟大水利工程的璀璨明珠。最伟大之处是建堰之处是建堰22602260多年来经久多年来经久不衰，而且发挥着愈来愈大的不衰，而且发挥着愈来愈大的效益。工程主要有鱼嘴分水堤、效益。工程主要有鱼嘴分水堤、飞沙堰溢洪道、宝瓶口进水口飞沙堰溢洪道、宝瓶口进水口三大部分，科学地解决了江水三大部分，科学地解决了江水自动分流、

7、自动排沙、控制进自动分流、自动排沙、控制进水流量等问题，消除了水患，水流量等问题，消除了水患，使川西平原成为使川西平原成为“水旱从人水旱从人”的的“天府之国天府之国”。绪绪 论论m第二阶段：理论阶段第二阶段：理论阶段 17世纪世纪19世纪一些水力原理论著出现，标志着流世纪一些水力原理论著出现，标志着流 体力学的发展进入了理论阶段。体力学的发展进入了理论阶段。l 1643年：托里拆利提出孔口泄流定理。年：托里拆利提出孔口泄流定理。l1650年：巴斯加提出年：巴斯加提出压强传递定律。（压强传递定律。（2）l 1686年：牛顿（年：牛顿（Newton）提出）提出液流内摩擦定理。液流内摩擦定理。（1）

8、l1700年年1783年：伯努利（年：伯努利（Daniel Bernoulli）提）提出无粘流动流速和压强的关系式，即出无粘流动流速和压强的关系式，即Bernoulli能量方程。能量方程。（3）绪绪 论论l 1717年年1783年：达朗贝尔（年：达朗贝尔（dAlembert）提出流体）提出流体 连续性方程。在连续性方程。在动力学动力学一书中提出了一书中提出了达朗贝尔达朗贝尔 原理原理，把动力学问题转化为静力学问题处理。，把动力学问题转化为静力学问题处理。（2）l1707年年1783年：欧拉（年：欧拉（Euler）建立了）建立了理想不可理想不可压缩流体运动的微分方程（欧拉方程）。（压缩流体运动的

9、微分方程（欧拉方程）。（3）l 1785年年1863年：纳维尔（年：纳维尔（Navier）将欧拉流体运动）将欧拉流体运动 方程加以推广，加入粘性项，导出了方程加以推广，加入粘性项，导出了粘性流体运动粘性流体运动 方程。方程。（4）l1819年年1903年：斯托克斯（年：斯托克斯（Stokes）从不同的出）从不同的出 发点也导出了发点也导出了粘性流体运动方程。粘性流体运动方程。（4）绪绪 论论l1820年年1872年：兰金（年：兰金（Rankine）发展了源汇理论。）发展了源汇理论。l1821年年1894年：亥姆霍兹（年：亥姆霍兹（Helmholtz）提出速度势，建立了）提出速度势，建立了旋涡运

10、动和间断运动理论。旋涡运动和间断运动理论。l1824年年1887年：客希霍夫继续研究间断运动及阻力。年：客希霍夫继续研究间断运动及阻力。l1842年年1912年：雷诺（年：雷诺（O.Reynolds）通过小直）通过小直径圆管中的粘性流体流动试验提出径圆管中的粘性流体流动试验提出层、紊流流层、紊流流态理论。态理论。（4）l1847年年1921年：茹可夫斯基（年：茹可夫斯基（Joukowski）是实验和理论空气）是实验和理论空气动力学的创始人，提出了著名的环量升力定理。动力学的创始人，提出了著名的环量升力定理。l1868年年1945年：兰彻斯特（年：兰彻斯特（Lanchester）研究了升力原因的

11、）研究了升力原因的环量概念。环量概念。绪绪 论论l1875年年1953年：普朗特（年：普朗特（Prandtl）在）在1904年提出年提出边界层理论，从而使粘性流体和无粘性流体的概念边界层理论，从而使粘性流体和无粘性流体的概念协调起来。协调起来。l 1881年年1963年：冯年：冯卡门（卡门（Von Karman），超声），超声 速时代之父，师从普朗特教授。提出卡门涡街理速时代之父，师从普朗特教授。提出卡门涡街理 论、边界层控制理论以及超声速相似律等。是我国论、边界层控制理论以及超声速相似律等。是我国 著名学者钱学森教授的导师。著名学者钱学森教授的导师。m第三阶段第三阶段20世纪初至中叶，流体力

12、学理论、实验全面展开，航空航天迅速世纪初至中叶，流体力学理论、实验全面展开，航空航天迅速发展，湍流理论、稳定性理论逐渐完善。发展，湍流理论、稳定性理论逐渐完善。绪绪 论论l 周培源（周培源（1902 1902 1993)1993)：19021902年年8 8月月2828日出生，日出生，江苏宜兴人。理论学家、流体力学家江苏宜兴人。理论学家、流体力学家主要从事主要从事 物理学的基础理论中难度最大的两个方面即爱因物理学的基础理论中难度最大的两个方面即爱因 斯坦广义相对论引力论和流体力学中的湍流理论斯坦广义相对论引力论和流体力学中的湍流理论 的研究与教学并取得出色成果。的研究与教学并取得出色成果。m第

13、四阶段第四阶段 多学科互相渗透：工业流体力学、实验流体力学、地球流体力学、多学科互相渗透：工业流体力学、实验流体力学、地球流体力学、非牛顿流体力学、生物流体力学、多相流体力学、物理非牛顿流体力学、生物流体力学、多相流体力学、物理化学流化学流体力学、渗流力学等，都已形成相对独立的学科。体力学、渗流力学等，都已形成相对独立的学科。绪绪 论论三、流体力学在石油工业中的地位和作用m钻井工程钻井工程：洗井液、钻头水力学、泵、射流及喷射钻井、钻井浮：洗井液、钻头水力学、泵、射流及喷射钻井、钻井浮船及平台设计等船及平台设计等绪绪 论论m采油工程采油工程：油气渗透、抽油机、注水驱油、振荡解堵、原油集输，：油气

14、渗透、抽油机、注水驱油、振荡解堵、原油集输，油油-水水-气分离、清洗炮眼等气分离、清洗炮眼等绪绪 论论m储运工程储运工程：管道及泵功率的设计、船舶运输等：管道及泵功率的设计、船舶运输等绪绪 论论m炼油工程炼油工程：设备流程设计、设备清洗：设备流程设计、设备清洗绪绪 论论流体力学在其他领域中的应用m医疗（高压水射流手术刀、人工心脏）、食品加工、飞机制造、医疗（高压水射流手术刀、人工心脏）、食品加工、飞机制造、跑道清洗、除尘、水利工程等跑道清洗、除尘、水利工程等绪绪 论论msms思考：思考：高尔夫球表面光滑还是粗糙？高尔夫球表面光滑还是粗糙？起初，人们认为表面光滑的球飞行阻力小。后来发现表面有很多

15、划起初，人们认为表面光滑的球飞行阻力小。后来发现表面有很多划痕的旧球反而飞得更远。这个谜直到痕的旧球反而飞得更远。这个谜直到20世纪建立流体力学边界层世纪建立流体力学边界层理论后才解开。理论后才解开。绪绪 论论msms思考：思考：高尔夫球表面光滑还是粗糙？高尔夫球表面光滑还是粗糙？将有气流边界层形成并自分离点发生分离。经分析得出：表面有凹将有气流边界层形成并自分离点发生分离。经分析得出：表面有凹坑的小球的分离点滞后，这在很大程度上减小了小球阻力。现在的坑的小球的分离点滞后，这在很大程度上减小了小球阻力。现在的高尔夫球表面有许多窝，在同样大小和重量下，飞行距离为光滑球高尔夫球表面有许多窝，在同样

16、大小和重量下，飞行距离为光滑球的的5倍。倍。绪绪 论论铁铁铁铁甲甲甲甲巡巡巡巡洋洋洋洋舰舰舰舰 豪豪豪豪克克克克 号号号号“奥奥奥奥林林林林匹匹匹匹克克克克”号号号号1912年秋年秋 思考：船舶航行中的船吸现象的原理是什么？思考：船舶航行中的船吸现象的原理是什么？绪绪 论论游泳阻力包括：游泳阻力包括：l1.压差阻力压差阻力人体迎流、背流面的高、低压压差形成人体迎流、背流面的高、低压压差形成l2.摩擦阻力摩擦阻力水流与人体摩擦形成水流与人体摩擦形成l3.波浪阻力波浪阻力游泳运动中产生的波浪形成游泳运动中产生的波浪形成msms思考：思考：游泳阻力的组成？如何提高游泳成绩？游泳阻力的组成？如何提高游

17、泳成绩？背流面背流面-低压区低压区迎流面迎流面-高压区高压区绪绪 论论压差阻力：压差阻力：m是游泳运动中最主要的阻力因素，其值与速度的平方成正比。这也是游泳运动中最主要的阻力因素，其值与速度的平方成正比。这也决定了游泳阻力一般与速度平方成正比。决定了游泳阻力一般与速度平方成正比。m负压区的生成，究其根本原因，是由于流体力学边界层分离所致。负压区的生成，究其根本原因，是由于流体力学边界层分离所致。边界层分离使得负压区形成大量旋涡，而旋涡将消耗大量的能量。边界层分离使得负压区形成大量旋涡，而旋涡将消耗大量的能量。m克服压差阻力，需要在游泳过程中尽量使身体与水面保持水平。克服压差阻力，需要在游泳过程

18、中尽量使身体与水面保持水平。msms思考：思考：游泳阻力的组成？如何提高游泳成绩？游泳阻力的组成？如何提高游泳成绩？绪绪 论论摩擦阻力：摩擦阻力：m泳衣从其设计材料而言，从棉纺织品、丝绸织品、尼龙、聚酯纤维泳衣从其设计材料而言，从棉纺织品、丝绸织品、尼龙、聚酯纤维到新一代的鲨鱼皮泳衣；从其设计式样看，从裙形、短裤到长裤、到新一代的鲨鱼皮泳衣；从其设计式样看，从裙形、短裤到长裤、以至于以至于“全包全包”型，一直在追求达到减小摩擦阻力的目的。实验证型，一直在追求达到减小摩擦阻力的目的。实验证明：明：“全包全包”型泳衣贴水性更好，可以更多的减小摩擦阻力。型泳衣贴水性更好，可以更多的减小摩擦阻力。m新

19、一代的鲨鱼皮泳衣：是仿造鲨鱼皮而制，不仅全身包裹，而且材新一代的鲨鱼皮泳衣：是仿造鲨鱼皮而制，不仅全身包裹，而且材料考究，在放大镜下，泳衣表面布满料考究，在放大镜下，泳衣表面布满“小鳍齿小鳍齿”。其设计不仅可以。其设计不仅可以使低压区边界层的分离滞后，减少压差阻力，而且在最大程度上减使低压区边界层的分离滞后，减少压差阻力，而且在最大程度上减少了摩擦阻力。少了摩擦阻力。msms思考：思考：游泳阻力的组成？如何提高游泳成绩？游泳阻力的组成？如何提高游泳成绩？绪绪 论论波浪阻力：波浪阻力：m游泳赛道的赛道线不仅是为了分割赛道，其另一主要功用是减少其游泳赛道的赛道线不仅是为了分割赛道，其另一主要功用是

20、减少其他游泳运动员在游泳时形成波浪给自己造成波浪阻力的影响。其结他游泳运动员在游泳时形成波浪给自己造成波浪阻力的影响。其结构设计也遵循一定的流体力学原理。构设计也遵循一定的流体力学原理。msms思考：思考：游泳阻力的组成？如何提高游泳成绩？游泳阻力的组成？如何提高游泳成绩？然而，游泳离开水流阻力是根本行不通的。因此，运动员要想在游泳中然而，游泳离开水流阻力是根本行不通的。因此，运动员要想在游泳中获得好成绩，在做利于前游的动作时应充分利用阻力，而在做不利于前获得好成绩，在做利于前游的动作时应充分利用阻力，而在做不利于前游的动作时应尽量减少阻力。游的动作时应尽量减少阻力。绪绪 论论四、流体力学的研

21、究方法m流体力学不仅有深厚的理论基础，而且实践性很强。研究流体力学流体力学不仅有深厚的理论基础，而且实践性很强。研究流体力学的方法主要包括：的方法主要包括：m学习流体力学应注意理论与实践结合、理论分析、实验测量与数值学习流体力学应注意理论与实践结合、理论分析、实验测量与数值计算并重。计算并重。理论分析方法 1实验分析方法 2数值分析方法 3绪绪 论论理论分析m目前流体力学理论研究主攻方向是：湍流，流动稳定性，涡运动，目前流体力学理论研究主攻方向是：湍流，流动稳定性，涡运动，水动力学，水波动力学，复杂流动，多相流等。水动力学，水波动力学，复杂流动，多相流等。建立模型推导方程求解方程解释结果绪绪 论论实验分析m在相似理论指导下，建立模拟实验装置，用流体测量技术测量流在相似理论指导下，建立模拟实验装置，用流体测量技术测量流动参数，处理分析数据可获得反映流动规律的特定关系，发现新动参数，处理分析数据可获得反映流动规律的特定关系，发现新现象，检验理论结果。现象，检验理论结果。相似理论模型试验参数测量数据分析层流流态下的球体绕流实验层流流态下的球体绕流实验绪绪 论论数值分析计算流体力学计算流体力学有限差分法有限差分法有限元法有限元法边界元法边界元法谱分析法谱分析法