第一章绪论(环境)流体力学与流体机械课件

流体力学与流体机械绪 论流体力学的任务和发展简史连续介质假设和流体力学研究方法流体的主要物理性质作用在流体上的力流体力学中的力学模型牛顿流体和非牛顿流体第一节第一节 流体力学的任务及发展简史流体力学的任务及发展简史 一、研究内容一、研究内容流、固体相互作用流、固体相互作用流动规律流动规律平衡规律平衡规律绝对静止绝对静止相对静止相对静止压力分布压力分布压力计算压力计算管管 流流绕绕 流流明明 渠流渠流速度分布速度分布压力分布压力分布能量损失能量损失力与流动的关系力与流动的关系流体动力学流体动力学流体运动学流体运动学流体静力学流体静力学第一节第一节 流体力学的任务及发展简史流体力学的任务及发展简史掌掌 握握基本概念、基本原理基本概念、基本原理 基本计算方法基本计算方法公式推导的前提条件、适用范围公式推导的前提条件、适用范围 各种系数的确定方法各种系数的确定方法 结合实际灵活运用结合实际灵活运用测压、测速、测流量的仪器原理测压、测速、测流量的仪器原理 使用方法使用方法二、重点内容二、重点内容 明明 确确 熟熟 悉悉流体的组成v除水和空气以外，流体还指作为汽轮机工作介质的水蒸气、润滑油、地下石油、含泥沙的江水、血液、超高压作用下的金属和燃烧后产生成分复杂的气体、高温条件下的等离子体等等。流体力学中研究得最多的流体是水水和空气空气。它的主要基础是牛顿运动定律牛顿运动定律和质量守恒定律质量守恒定律，常常还要用到热力学知识，有时还用到宏观电动力学的基本定律、本构方程和物理学、化学的基础知识。1738年伯努利出版他的专著时，首先采用了水动力学水动力学这个名词并作为书名；1880年前后出现了空气动力学空气动力学这个名词；1935年以后，人们概括了这两方面的知识，建立了统一的体系，统称为流体力学流体力学。第一节第一节 流体力学的任务及发展简史流体力学的任务及发展简史 第一时期：第一时期：1818世纪以前世纪以前三、流体力学发展史三、流体力学发展史 第二时期：第二时期：1818世纪世纪2020世纪初叶世纪初叶 第三时期：第三时期：近代近代第一节第一节 流体力学的任务及发展简史流体力学的任务及发展简史第一时期：第一时期：1818世纪以前世纪以前三、流体力学发展史三、流体力学发展史 公元前公元前250250年年 阿基米德阿基米德论浮体论浮体流体力学第一部著作流体力学第一部著作第二章第二章 流体静力学流体静力学古希腊数学家、力学家，静力学古希腊数学家、力学家，静力学和流体静力学的奠基人和流体静力学的奠基人 第一节第一节 流体力学的任务及发展简史流体力学的任务及发展简史第一时期：第一时期：1818世纪以前世纪以前三、流体力学发展史三、流体力学发展史 达芬奇达芬奇 水力学水力学沉浮、孔口出流、物体的运动阻力沉浮、孔口出流、物体的运动阻力以及管道、明渠中水流等问题以及管道、明渠中水流等问题实验方法了解水流性态实验方法了解水流性态第一节第一节 流体力学的任务及发展简史流体力学的任务及发展简史第一时期：第一时期：1818世纪以前世纪以前三、流体力学发展史三、流体力学发展史 16121612年年 伽利略伽利略第二章第二章 流体静力学流体静力学潜体的沉浮原理潜体的沉浮原理并首先提出，运动物体的阻力随着并首先提出，运动物体的阻力随着流体介质密度的增大和速度的提高流体介质密度的增大和速度的提高而增大。而增大。在流体静力学中应用了虚位移原理在流体静力学中应用了虚位移原理第一节第一节 流体力学的任务及发展简史流体力学的任务及发展简史第一时期：第一时期：1818世纪以前世纪以前三、流体力学发展史三、流体力学发展史 16431643年年 托里拆利托里拆利 16501650年年 帕斯卡帕斯卡孔口泄流公式孔口泄流公式液体中压力传递定律液体中压力传递定律第一节第一节 流体力学的任务及发展简史流体力学的任务及发展简史第一时期：第一时期：1818世纪以前世纪以前三、流体力学发展史三、流体力学发展史 1686 1686 牛顿牛顿 流体黏性流体黏性第一章第一章 黏性黏性自然哲学的数学原理自然哲学的数学原理 牛顿内摩擦定律牛顿内摩擦定律英国伟大的数学家、物理学家、英国伟大的数学家、物理学家、天文学家和自然哲学家。天文学家和自然哲学家。第一节第一节 流体力学的任务及发展简史流体力学的任务及发展简史第二时期：第二时期：1818世纪世纪2020世纪初叶世纪初叶三、流体力学发展史三、流体力学发展史 1738 1738 伯努利伯努利 伯努利方程伯努利方程古典流体力学成古典流体力学成为一门独立学科为一门独立学科第三章第三章 流体动力学基础流体动力学基础流体动力学基本公式流体动力学基本公式瑞士科学家，曾在俄国彼得堡科学院任教，他在流瑞士科学家，曾在俄国彼得堡科学院任教，他在流体力学、气体动力学、微分方程和概率论等方面都体力学、气体动力学、微分方程和概率论等方面都有重大贡献，是理论流体力学的创始人。有重大贡献，是理论流体力学的创始人。第一节第一节 流体力学的任务及发展简史流体力学的任务及发展简史第二时期：第二时期：1818世纪世纪2020世纪初叶世纪初叶三、流体力学发展史三、流体力学发展史 1755 1755 欧拉欧拉理想流体平衡理想流体平衡微分方程微分方程第二章第二章 流体静力学流体静力学理想流体运动理想流体运动微分方程微分方程第三章第三章 流体动力学基础流体动力学基础瑞士数学家、力学家、天文学家、物理学家，瑞士数学家、力学家、天文学家、物理学家，变分法的奠基人，复变函数论的先驱者，理变分法的奠基人，复变函数论的先驱者，理论流体力学的创始人。论流体力学的创始人。第一节第一节 流体力学的任务及发展简史流体力学的任务及发展简史第二时期：第二时期：1818世纪世纪2020世纪初叶世纪初叶三、流体力学发展史三、流体力学发展史 纳维尔纳维尔 斯托克斯斯托克斯 N NS S方程方程第三、六章第三、六章 流体动力学基础流体动力学基础黏性流体运动微分方程黏性流体运动微分方程第一节第一节 流体力学的任务及发展简史流体力学的任务及发展简史第二时期：第二时期：1818世纪世纪2020世纪初叶世纪初叶三、流体力学发展史三、流体力学发展史 1883 1883 雷诺雷诺层流、紊流层流、紊流第四章第四章 流动阻力流动阻力雷诺应力雷诺应力英国力学家、物理学家和工程师。英国力学家、物理学家和工程师。杰出的实验科学家。杰出的实验科学家。第一节第一节 流体力学的任务及发展简史流体力学的任务及发展简史第二时期：第二时期：1818世纪世纪2020世纪初叶世纪初叶三、流体力学发展史三、流体力学发展史 儒可夫斯基儒可夫斯基机翼理论机翼理论升力公式升力公式第六章第六章 绕流运动绕流运动机翼设计机翼设计第一节第一节 流体力学的任务及发展简史流体力学的任务及发展简史第二时期：第二时期：1818世纪世纪2020世纪初叶世纪初叶三、流体力学发展史三、流体力学发展史 19121912卡卡 门门卡门涡街卡门涡街美国著名空气动力学家美国著名空气动力学家 解释机翼张线的解释机翼张线的 线鸣线鸣、水下螺旋桨的水下螺旋桨的 嗡鸣嗡鸣 第一节第一节 流体力学的任务及发展简史流体力学的任务及发展简史第二时期：第二时期：1818世纪世纪2020世纪初叶世纪初叶三、流体力学发展史三、流体力学发展史 19041904普朗特普朗特边界层理论边界层理论第四章第四章 流动阻力流动阻力德国力学家。现代流体力学的创始人之一。边界层德国力学家。现代流体力学的创始人之一。边界层理论、风洞实验技术、机翼理论、紊流理论等方面理论、风洞实验技术、机翼理论、紊流理论等方面都作出了重要的贡献，被称作空气动力学之父。都作出了重要的贡献，被称作空气动力学之父。大禹治水 4000多年前的大禹治水大禹治水，说明我国古代已有大规模的治河工程。(公元前256210年)秦代，在公元前256-前210年间便修建了都江堰都江堰、郑国渠郑国渠、灵渠灵渠三大水利工程，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。龙首渠（公元前156-前87）西汉武帝时期，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。流体力学在中国流体力学在中国水利风力机械 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、磨面等。东汉杜诗任南阳太守时（公元37年）曾创造水排水排（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，较西欧约早了一千一百年。流体力学在中国流体力学在中国v真州船闸v北宋（960-1126）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。v潘季顺明朝的水利家潘季顺（1521-1595）提出了“筑堤防溢，建坝减水，以堤束水，以水攻沙”和“借清刷黄”的治黄原则治黄原则，并著有两河管见、两河经略和河防一揽。v流 量清朝雍正年间，何梦瑶在算迪一书中提出流流量量等于过水断面面积乘以断面平均流速的计算方法。李冰（公元前李冰（公元前302-235302-235）都江堰都江堰流体力学在中国流体力学在中国流体力学在中国流体力学在中国v钱学森钱学森 钱学森（1911）浙江省杭州市人，他在火箭、导弹、航天器的总体、动力、制导、气动力、结构、材料、计算机、质量控制和科技管理等领域的丰富知识，为中国火箭导弹和航天事业的创建与发展作出了杰出的贡献。1957年获中国科学院自然科学一等奖，1979年获美国加州理工学院杰出校友奖，1985年获国家科技进步奖特等奖。1989年获小罗克维尔奖章和世界级科学与工程名人称号，1991年被国务院、中央军委授予“国家杰出贡献科学家”荣誉称号和一级英模奖章。流体力学在中国流体力学在中国v周培源（19021993)。1902年8月28日出生，江苏宜兴人。理论学家、流体力学家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。吴仲华吴仲华（Wu Zhonghua）在1952年发表的在轴流式、径流式和混流式亚声速和超声速叶轮机械中的三元流普遍理论和在1975年发表的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两篇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。第一节第一节 流体力学的任务及发展简史流体力学的任务及发展简史第三时期：第三时期：近近 代代三、流体力学发展史三、流体力学发展史 三元流动理论三元流动理论 计算流体力学计算流体力学 多相流多相流 环境流体力学环境流体力学 磁流体力学磁流体力学 非牛顿流体力学非牛顿流体力学第二节第二节第二节第二节 连续连续介介介介质质假假假假设设和流体力学的研究方法和流体力学的研究方法和流体力学的研究方法和流体力学的研究方法 为了研究方便，我们把流体看成是由质点组成的，而质为了研究方便，我们把流体看成是由质点组成的，而质为了研究方便，我们把流体看成是由质点组成的，而质为了研究方便，我们把流体看成是由质点组成的，而质点之间没有间隙的物质，点之间没有间隙的物质，点之间没有间隙的物质，点之间没有间隙的物质，这就叫连续介质。这就叫连续介质。这就叫连续介质。这就叫连续介质。进行流体力学的研究可以分为现场观测、实进行流体力学的研究可以分为现场观测、实进行流体力学的研究可以分为现场观测、实进行流体力学的研究可以分为现场观测、实验室模拟、理论分析、数值计算四个方面验室模拟、理论分析、数值计算四个方面验室模拟、理论分析、数值计算四个方面验室模拟、理论分析、数值计算四个方面连续介质假设流体力学的研究方法流体力学的研究方法v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，并借以预测流动现象的演变。模型实验模型实验在流体力学中占有重要地位。根据理论指导，把研究对象的尺度改变(放大或缩小)以便能安排实验。有些流动现象难于靠理论计算解决，有的则不可能做原型实验(成本太高或规模太大)。这时，根据模型实验所得的数据可以用像换算单位制那样的简单算法求出原型的数据。现场观测常常是对已有事物、已有工程的观测，而实验室模拟却可以对还没有出现的事物、没有发生的现象(如待设计的工程、机械等)进行观察，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。流体力学的研究方法v理论分析理论分析是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。理论分理论分析的步骤析的步骤大致如下：首先是建立“力学模型力学模型”，即针对实际流体的力学问题，分析其中的各种矛盾并抓住主要方面，对问题进行简化而建立反映问题本质的“力学模型”。v其次是针对流体运动的特点，用数学语言表达，从而得到连续性方程、动量方程和能量方程连续性方程、动量方程和能量方程。此外，还要加上某些联系流动参量的关系式(例如状态方程)。这些方程合在一起称为流体力学基本方程组。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。流体力学的研究方法v流体力学的基本方程组非常复杂，在考虑粘性作用时更是如此。20世纪3040年代，对于复杂而又特别重要的流体力学问题，曾组织过人力用几个月甚至几年的时间做数值计算，比如圆锥做超声速飞行时周围的无粘流场就从1943年一直算到1947年。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“计算流体力学计算流体力学”。流体的基本特征流体的基本特征容易流动容易流动容易流动容易流动(易变形易变形易变形易变形)第三节第三节第三节第三节 流体的基本特性和主要物理力学性流体的基本特性和主要物理力学性流体的基本特性和主要物理力学性流体的基本特性和主要物理力学性质质（一）（一）（一）（一）流体的流体的流体的流体的惯惯性性性性 单单位体位体位体位体积积均均均均质质流体所具有的流体所具有的流体所具有的流体所具有的质质量，称量，称量，称量，称为为密度密度密度密度 非均非均非均非均质质流体流体流体流体时时任一点密度任一点密度任一点密度任一点密度 （二）（二）（二）（二）流体的重量和流体的重量和流体的重量和流体的重量和容重容重容重容重 单单位体位体位体位体积积均均均均质质流体所具有的重量称流体所具有的重量称流体所具有的重量称流体所具有的重量称为为容重容重容重容重 非均非均非均非均质质流体流体流体流体时时任一点容重任一点容重任一点容重任一点容重 容重和密度的关系容重和密度的关系容重和密度的关系容重和密度的关系 几个常数几个常数几个常数几个常数 （三）流体的粘滞性（三）流体的粘滞性（三）流体的粘滞性（三）流体的粘滞性（三）（三）（三）（三）流体的粘滞性流体的粘滞性流体的粘滞性流体的粘滞性 流体运流体运流体运流体运动时动时若若若若质质点点点点间间存在相存在相存在相存在相对对运运运运动动，则质则质点点点点间间就要就要就要就要产产生内生内生内生内摩擦力，并具有抵抗剪切摩擦力，并具有抵抗剪切摩擦力，并具有抵抗剪切摩擦力，并具有抵抗剪切变变形的能力，形的能力，形的能力，形的能力，这这种性种性种性种性质质即即即即为为流体流体流体流体的粘滞性的粘滞性的粘滞性的粘滞性 流体遵循牛流体遵循牛流体遵循牛流体遵循牛顿顿内摩擦定律内摩擦定律内摩擦定律内摩擦定律 单单位面位面位面位面积积上的内摩擦力称上的内摩擦力称上的内摩擦力称上的内摩擦力称为为粘滞切粘滞切粘滞切粘滞切应应力力力力 流速梯度流速梯度流速梯度流速梯度 剪切剪切剪切剪切变变形速度形速度形速度形速度 粘滞系数粘滞系数粘滞系数粘滞系数 牛牛牛牛顿顿内摩擦定律只适用于牛内摩擦定律只适用于牛内摩擦定律只适用于牛内摩擦定律只适用于牛顿顿流体和流体和流体和流体和层层流运流运流运流运动动 粘滞系数粘滞系数粘滞系数粘滞系数 动动力粘滞系数力粘滞系数力粘滞系数力粘滞系数 运动运动运动运动粘滞系数粘滞系数粘滞系数粘滞系数 液体液体液体液体:随着温度的升高，粘滞系数降低随着温度的升高，粘滞系数降低随着温度的升高，粘滞系数降低随着温度的升高，粘滞系数降低 气体气体气体气体:随着温度的升高，粘滞系数增大随着温度的升高，粘滞系数增大随着温度的升高，粘滞系数增大随着温度的升高，粘滞系数增大无粘性流体无粘性流体无粘性流体无粘性流体(超流体超流体超流体超流体):):):):即不考虑粘性即不考虑粘性即不考虑粘性即不考虑粘性目前在常温下还未发现目前在常温下还未发现目前在常温下还未发现目前在常温下还未发现(类似于超导体类似于超导体类似于超导体类似于超导体)牛顿流体和非牛顿流体非例例例例 题题题题例题1-2 一 底 面 积 为45x40cm2，高 为 5cm 的 木 块，质 量 为5kg，沿 涂 有 润 滑 油 的 斜 面 向 下 作 等 速 运 动，木 块 运 动 速 度u=1m/s，油 层 厚 度1mm，斜 坡 角22.620，求 油 的 粘 度。解：木 块 重 量 沿 斜 坡 分 力 F 与 切 力 T平 衡 时，等 速 下 滑例题1-3在图中，汽缸内壁的直径D=12cm、活塞的直径d=11.96cm，活塞的长度l=14cm，活塞往复运动的速度为v=1m/s，润滑油的 =0.1Pa.s，试问作用在活塞上的粘性力为多少？解：因粘性的作用，粘附在汽缸内壁的润滑油速度为零，粘附在活塞外沿的润滑油与活塞的速度相同，由于活塞与汽缸的间距很小，润滑油的速度可近似认为是从零线性变化到1m/s。由牛顿内摩擦定律（四）（四）（四）（四）流体的流体的流体的流体的压缩压缩性与性与性与性与热胀热胀性性性性 1 1 1 1。液体液体液体液体压缩压缩性性性性常常常常以体以体以体以体积压缩积压缩系数或体系数或体系数或体系数或体积弹积弹性系数来表示性系数来表示性系数来表示性系数来表示 体体体体积压缩积压缩系数系数系数系数体膨体膨体膨体膨胀胀系数系数系数系数液体的膨液体的膨液体的膨液体的膨胀胀性性性性常常常常以体膨以体膨以体膨以体膨胀胀系数表示系数表示系数表示系数表示 体体体体积弹积弹性系数性系数性系数性系数2。气体的压缩性和膨胀性气体与液体不同，具有显著的压缩性和膨胀性一般常温常压下，常用气体的密度、压强、温度三者之间的关系，符合完全气体状态方程式中：p为气体的绝对压强，为气体的密度，T为气体的热力学温度，R为气体常数。空气的气体常数为287J/kg.K不可压缩流体:密度几乎不变,按常数考虑.例例例例 题题题题（五）（五）（五）（五）液体的表面液体的表面液体的表面液体的表面张张力特性力特性力特性力特性 液体内部的分子之液体内部的分子之液体内部的分子之液体内部的分子之间间的相互作用力是相互平衡的。液体自由的相互作用力是相互平衡的。液体自由的相互作用力是相互平衡的。液体自由的相互作用力是相互平衡的。液体自由面由于水分子及空气分子面由于水分子及空气分子面由于水分子及空气分子面由于水分子及空气分子间间的引力不平衡，使自由面能承受的引力不平衡，使自由面能承受的引力不平衡，使自由面能承受的引力不平衡，使自由面能承受微弱拉力的性微弱拉力的性微弱拉力的性微弱拉力的性质质，称，称，称，称为为表面表面表面表面张张力力力力，产生于：产生于：产生于：产生于：液体与气体相接触的自由表面液体与气体相接触的自由表面液体与气体相接触的自由表面液体与气体相接触的自由表面 液体与固体接触表面液体与固体接触表面液体与固体接触表面液体与固体接触表面 两种不同液体接触表面两种不同液体接触表面两种不同液体接触表面两种不同液体接触表面 表面表面表面表面张张力大小可用自由面上力大小可用自由面上力大小可用自由面上力大小可用自由面上单单位位位位长长度所受的拉力度所受的拉力度所受的拉力度所受的拉力，即表面即表面即表面即表面张张力系数力系数力系数力系数来度量来度量来度量来度量。20C20C20C20C的水的水的水的水=0.074N/m,=0.074N/m,=0.074N/m,=0.074N/m,水银水银水银水银=0.54=0.54=0.54=0.54 N/mN/mN/mN/m。在水力学在水力学在水力学在水力学实验实验中，中，中，中，当测压管当测压管当测压管当测压管内径内径内径内径过过小（小（小（小（d10mmd10mmd10mmd10mm）时时，就会引，就会引，就会引，就会引起起起起毛毛毛毛细细管管管管现现象象象象，读读数数数数产产生生生生误误差差差差 。（六）（六）汽化压强汽化压强 汽汽化化压压强强是是指指液液体体汽汽化化和和凝凝结结达达到到平平衡衡时时液液面面的的压压强强。汽汽化化压压强强随随液液体体的的种种类类和和温温度度的的不不同同而而改改变变。实实际际工工程程中中的的空空化化现现象象与与液液体体的的汽汽化化压压强强有有关关，需要注意。需要注意。综综上上所所述述，流流体体的的惯惯性性、重重力力特特性性和和粘粘滞滞性性对对流流体体运运动动有有重重要要的的影影响响，而而液液体体的的可可压压缩缩性性、表表面面张张力力和和汽汽化化压压强强只只有有在在特特殊殊问问题题中中才才需需要要考虑，请注意区分。考虑，请注意区分。第四节第四节第四节第四节 作用于流体上的力作用于流体上的力作用于流体上的力作用于流体上的力 一、表面一、表面一、表面一、表面力力力力 作用于流体表面，其大小与受作用流体的表面作用于流体表面，其大小与受作用流体的表面作用于流体表面，其大小与受作用流体的表面作用于流体表面，其大小与受作用流体的表面积积成比成比成比成比例的力，如粘滞力、例的力，如粘滞力、例的力，如粘滞力、例的力，如粘滞力、压压力、表面力、表面力、表面力、表面张张力等力等力等力等。压压力力力力P:P:P:P:流体单位面积上所受的压力称为压强流体单位面积上所受的压力称为压强流体单位面积上所受的压力称为压强流体单位面积上所受的压力称为压强 切力切力切力切力T:T:T:T:流体流体流体流体单单位面位面位面位面积积上的所受的切力称上的所受的切力称上的所受的切力称上的所受的切力称为为切切切切应应力力力力 二、二、二、二、质质量力量力量力量力 作用于所研究流体的每一个作用于所研究流体的每一个作用于所研究流体的每一个作用于所研究流体的每一个质质点上，其大小与流体的点上，其大小与流体的点上，其大小与流体的点上，其大小与流体的质质量成比例的力，如重力、量成比例的力，如重力、量成比例的力，如重力、量成比例的力，如重力、惯惯性力等性力等性力等性力等 单单位位位位质质量力量力量力量力 重力场中:X=0,Y=0,Z=-gp经常不断地学习,你就什么都知道。你知道得越多,你就越有力量pStudyConstantly,AndYouWillKnowEverything.TheMoreYouKnow,TheMorePowerfulYouWillBe写在最后谢谢你的到来学习并没有结束，希望大家继续努力Learning Is Not Over.I Hope You Will Continue To Work Hard演讲人：XXXXXX 时 间：XX年XX月XX日