工程流体力学教案()2013年

单击此处编辑母版样式,单击此处编辑幻灯片母版样式,第二层,第三层,第四层,第五层,*,*,工程流体力学,周莉,动力与能源学院,9/16/2024,1,1996.92000.7 西交大能动学院本科,2000.92006.3 西交大学能动学院硕士、博士,2005.9-2005.11 日本三菱重工高砂研究所 研修,2006.42021.3 西工大航空科学与技术博士后流动站博士后,2021.5至今 西工大七院副教授,2021.3-2021.3 英国University of Surrey访问学者,2021.2至今 西工大七院航空推进系系副主任,人个简况,9/16/2024,2,计算流体动力学的算法设计,叶轮机械内部流动理论,发动机进排气系统设计,研究领域,联系方式,9/16/2024,3,绪论,课程性质:专业根底课,课程学时:48小时,课程主要内容:,流体的根本物理性质,静力学根本规律(压强，受力),定常流动根本方程及其应用,管路系统流动损失串、并、分支,多维理想流动根本理论,不可压缩平面势流,粘性流体力学,9/16/2024,4,力学,研究对象,力学问题载体,宏观力学分支,遵循三大守恒原理,流体力学,流体,研究得最多的流体是水和空气。,主要根底是牛顿运动定律和质量守恒定律。,研究任务,：,研究流体所遵循的宏观,运动规律,以及流体和周围物体之间的,相互作用,。,研究对象,：,9/16/2024,5,流体力学的开展简史,流体力学在中国,大禹治水,4000多年前的大禹治水，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、郑国渠、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到达相当水平。,9/16/2024,6,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开展，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 量清朝雍正年间，何梦瑶在?算迪?一书中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。,9/16/2024,7,流体力学的西方史,阿基米德Archimedes，公元前287212,欧美诸国历史上有记载的最早从事流体力学现象研究的是古希腊学者阿基米德在公元前250年发表学术论文?论浮体?，第一个说明了相对密度的概念，发现了物体在流体中所受浮力的根本原理阿基米德原理。,9/16/2024,8,流体力学的西方史,列奥纳德.达.芬奇,Leonardo.da.Vinci,14521519,著名物理学家和艺术家 设计建造了一小型水渠，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。,伽利略Galileo,1564-1642,在流体静力学中应用了虚位移原理，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而增大。,9/16/2024,9,流体力学的西方史,帕斯卡B.Pascal,1623-1662,提出了密闭流体能传递压强的原理-帕斯卡原理。,牛 顿,是英国伟大的数学家、物理学家、天文学家和自然哲学家。1642年12月25日生于英格兰林肯郡格兰瑟姆附近的沃,尔索普村，1727年3月20日在伦敦病逝。牛顿在科学上最卓越的奉献是微积分和经典力学的创立。牛顿的成就，恩格斯在?英国状况十八世纪?中概括得最为完整：牛顿由于创造了万有引力定律而创立了科学的天文学，由于进行了光的分解而创立了科学的光学，由于创立了二项式定理和无限理论而创立了科学的数学，由于认识了力的本性而创立了科学的力学。,9/16/2024,10,伯努利D.Bernoulli，17001782瑞士科学家,在1738年出版的名著?流体动力学?中，建立了流体位势能、压强势能和动能之间的能量转换关系伯努利方程。在此历史阶段，诸学者的工作奠定了流体静力学的根底，促进了流体动力学的开展。,流体力学的西方史,9/16/2024,11,流体力学的西方史,欧 拉L.Euler，17071783,是经典流体力学的奠基人，1755年发表?流体运动的一般原理?，提出了流体的连续介质模型，建立了连续性微分方程和理想流体的运动微分方程，给出了不可压缩理想流体运动的一般解析方法。他提出了研究流体运动的两种不同方法及速度势的概念，并论证了速度势应当满足的运动条件和方程。,9/16/2024,12,流体力学的西方史,纳维H.Navier首先提出了不可压缩粘性流体的运动微分方程组。斯托克斯严格地导出了这些方程，并把流体质点的运动分解为平动、转动、均匀膨胀或压缩及由剪切所引起的变形运动。后来引用时，便统称该方程为纳维-斯托克斯方程。,纳维L.Navier，17851836，法国,斯托克斯G.Stokes，18191903，英国,9/16/2024,13,流体力学,海洋,水利,航空航天,交通运输,环境,气象,石油化工,机械冶金,生物,空气和水是地球上广泛存在的物质，所以与流体运动关联的力学问题是很普遍的。流体力学在许多学科和工程领域有着广泛的应用。,与流体力学相关的工程领域和学科,9/16/2024,14,排球,足球,网球,游泳,赛艇,铁饼,高尔夫球,赛跑,赛车,标枪,乒乓球,羽毛球,大局部竞技体育项,目与流体力学有关,9/16/2024,15,流体力学在工程中的应用,航空航天航海,船舶运动,地效翼艇 WIG,浮标,海洋平台,潜器,9/16/2024,16,流体力学在工程中的应用,能源动力,发动机,四冲程,Wind Turbine,9/16/2024,17,能源动力,飞机发动机,蒸汽机车,9/16/2024,18,气象科学,气象云图,龙卷风,9/16/2024,19,环境控制,污水净化设备模型,电厂冷却塔,9/16/2024,20,生物仿生学,信天翁滑翔,9/16/2024,21,Flow pathlines and temperature distribution in a fan-cooled computer cabinet.,9/16/2024,22,汽车阻力：来自前部还是后部？,箱型车，阻力系数CD约为0.8,形状阻力,9/16/2024,23,甲壳虫型，阻力系数降至0.6,船型，阻力系数为0.45,鱼型，阻力系数为0.3,楔型，阻力系数为0.2,未来型汽车，阻力系数仅为0.137,9/16/2024,24,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。三个方面是互相补充和验证，但又不能互相取代的关系。,根本假设,数学模型,解析表达,理论分析,数值计算,实验研究,数学模型,数值模型,数值解,模型试验,量测数据,换算到原型,9/16/2024,25,优 势,局 限,理论分析,对流动机理解析表达，因果关系清晰。,受基本假设局限，少数情况下才有解析结果。,实验研究（模型试验）,直接测量流动参数，找到经验性规律。,成本高，对量测技术要求高，不易改变工况，存在比尺效应。,数值计算,扩大理论求解范围，成本低，易于改变工况，不受比尺限制。,受理论模型和数值模型局限，存在计算误差。,9/16/2024,26,第一章 流体特性,主要内容 重点 难点,连续介质模型,流体物理力学特性,压缩性,膨胀性,粘性, ,导热性,9/16/2024,27,1.1 流体的力学特性和连续介质模型,1.1.1 力学性质,物质的三种自然状态:,固体,液体,气体 流体,*,物质存在的第四态：,等离子体,9/16/2024,28,呈现流动性？,流体,固体,流体最主要的物理特性,9/16/2024,29,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。,流体在静止状态时也不能承受切力。,一. 流体的根本特性 流动性,什么是剪切力、剪切变形和抵抗剪切变形的能力？,9/16/2024,30,设想放置在敞口容器中初始外表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形过程，但所需的时间不同。,9/16/2024,31,流体,在静止时不能,承受剪切力，抵抗剪切变形。,流体,只有在运动状态下,，当流体质点之间有相对运动时，,才能,抵抗剪切变形。,只要有剪切力的作用，流体就不会静止下来，发生连续变形而流动。,作用在流体上的剪切力不管多么微小，只要有足够的时间，便能产生任意大的变形。,运动流体抵抗剪切变形的能力产生剪切应力的大小表达在变形的速率上，而不是变形的大小与弹性体的不同之处。,9/16/2024,32,特点,参数,状态,分子原子,间距,分子原子,引力,抗拉,力,抗,压,力,抗剪,力,占空间,压缩性,定形状,流动性,固体,固定,无,有,液体,最下方,很弱,无,气体,整个,强,无,等离子体,整个,强,无,9/16/2024,33,空气分子直径:,气体流速比较低时可以看成是不可压气体。,流动:在力的作用下发生的连续不断的变形！,9/16/2024,34,1.1.2 连续介质模型,提出时间:1753年欧拉提出,假设:分子稠密无间隙地分布在所在空间区域，物理参数空间连续。,适应条件：,空间上：,分子直径d分子平均自由程l0.01),9/16/2024,35,个分子,1mm,3,空气,( 1个大气压，0,0,C),宏观流体力学处理问题的尺度上看，流体质点足够小，只占据一个空间几何点，体积趋于零。,微观分子自由程的尺度上看，流体质点是一个足够大的分子团，包含了足够多的流体分子，以致于对这些分子行为的统计平均值将是稳定的，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,空气分子间距,mm,9/16/2024,36,流体质点,(,微团,),概念,几何上的点,物理上体积微小的流体,分子体积微团体积0.01,时，连续介质模型不再适用。,9/16/2024,37,1.1.3 连续介质中物理参数的定义,以质量为例，密度一般定义为,对流体,定义为,:,尺寸远大于分子直径,分子进出不致影响其,中流体质量明显变化,分子效应,连续介质,9/16/2024,38,1.2 流体的压缩性和膨胀性,1.2.1 压缩性,力学特性的一种表现，是流体的物理属性之一,压强增大，体积减小,压强减小，体积增大,压缩系数,：定量描述压缩性大小的物理量,定义,：温度一定情况下，单位压强增加引起的体积相对缩小量,9/16/2024,39,弹性模量：定量描述压缩性大小的另一物理量,定义：温度一定时，单位体积相对变化所需压强增量,比较：气体、液体和固体弹性模量表1-1,液体,气液混合,气体,很大,变小,小,与温度几乎无关,随温度变化,随温度变化,9/16/2024,40,混合气、液的弹性模量和压缩系数,、 分别为气体和液体的体积百分比，即分子数,百分比,9/16/2024,41,1.2.2 流体的膨胀性,流体的热力学特性的一种表现，也是流体的物理属性之一,温度增大，体积增大,温度减小，体积减小,膨胀系数,：定量描述膨胀性大小的物理量,定义：压强不变情况下，单位温度增加引起的体积相对增加量，用,表示：,9/16/2024,42,特例：理想气体,膨胀系数：,9/16/2024,43,流体的粘性,流体流动时产生内摩擦力的性质称为流体的黏性。流体内摩擦的概念最早由牛顿I.Newton,1687，提出。由库仑CACoulomb,1784，用实验得到证实。,库仑把一块薄圆板用细金属丝平吊在液体中，将圆板绕中心转过一角度后放开，靠金属丝的扭转作用，圆板开始往返摆动，由于液体的粘性作用，圆板摆动幅度逐渐衰减，直至静止。库仑分别测量了普通板、涂腊板和细沙板，三种圆板的衰减时间。,1.3 流体的粘性,9/16/2024,44,三种圆,板的衰减时间均相等,。库仑得出结论:,衰减的原因，不是圆板与液体之间的相互摩擦,，而是液体内部的摩擦,。,9/16/2024,45,1.3 流体的粘性,1.3.1 粘性的概念,现象：流体质点(微团)相对运动内摩擦阻力,本质：由于存在分子不规那么自由运动产生的动量交换和分子间的相互吸引力。,规律：气体主要取决于分子运动，液体主要取决于分子引力。,9/16/2024,46,流体粘性成因,流体内摩擦是两层流体间分子内聚力和分子动量交换的宏观表现。,当两层,液体作相对运动时，两层液体分子的平均距离加大，吸引力随之增大，这就是分子内聚力。,9/16/2024,47,流体粘性的成因,气体分,子的随机运动范围大，流层之间的分子交换频繁。,两层之,间的分子动量交换表现为力的作用，称为表观切应力。气体内摩擦力即以表观切应力为主,。,一般认为：液体粘性主要取决于分子间的引力，,气体的黏性主要取决于分子的热运动。,9/16/2024,48,1.3.2 牛顿内摩擦定律,牛顿试验结论：,阻力,正比于速度梯度,正比于接触面积,与流体有关,与压力无关,摩擦应力定义,：单位面积上的摩擦力的大小,：流体的粘性系数,(,动力粘性系数,),9/16/2024,49,摩擦应力正比于外表法向速度梯度,牛顿流体：符合牛顿内摩擦定律的流体。,非牛顿流体：不符合牛顿内摩擦定律的流体。分类如下：,塑性流体如牙膏、凝胶等，特点是：有一初始应力，克服该应力后其切应力才与速度梯度成正比。速度梯度为0时还有摩擦力,假塑性流体如泥石流、纸浆等，特点是摩擦力与速度梯度间为非线性关系，, 牛顿流体,涨塑性流体如油漆、油墨等， 特点是摩擦力与速度梯度间为非线性关系， 牛顿流体,9/16/2024,50,牛顿流体,塑性流体,假塑性流体,涨塑性流体,牛顿、非牛顿流体摩擦应力与速度梯度间的关系,9/16/2024,51,1.3.3 粘性系数,物性参数，反映粘性这种物理属性的参数,影响因素：主要是温度。,压力很大时对粘性系数也有影响。,温度影响,气体：,T,-,分子自由运动加剧为主要影响因素,-,苏式兰公式,液体,:,T,-,分子间距增大，引力减小为主要影响因素,依赖试验测量,压强影响,液体压强很高时,才对,有一定影响, -,粘压系数,1/432.,压强单位：,MN/m,2,9/16/2024,52,举例1-3,油气混合后的粘性系数变大。,B: 气体百分比含量,0: 油的粘度,混合气体粘性系数：与分子量及组分浓度有关,例1-4,Mi:组分i的分子量，Xi：体积浓度，ri：摩尔浓度,9/16/2024,53,1.3.4 速度梯度的物理意义,流体微团运动示意图,速度梯度的物理意义,:粘性流体运动时微团剪切变形角速度。,C,Vdt,(,V+dV,),dt,dy,A,D,B,A,C,D,B,d,E,9/16/2024,54,1.3.5 理想流体,粘性系数为零,，忽略粘性力影响,粘性系数较小的流体,，如水、空气等作低速流动时可看作理想流体。,9/16/2024,55,1.4 流体的导热性,流体导热的方式：三种,热对流：由于流体流动而产生热传递 流体特有,热传导：分子、离子或电子运动产生 物质都有,热辐射：光子运动产生的 物质都有，无需介质,固体外表与流体的传热特点,固体外表附近流体的运动为层流，仅有外表法线方向的能量传递,外表传热付立叶定律,单位时间通过单位面积由热传导传递的能量正比于该外表法向温度梯度热流密度,9/16/2024,56,其中，负号代表传热方向与温度梯度方向相反,是流体的导热系数,n 是外表法线方向,9/16/2024,57,小结,重点掌握的内容：,三种状态物质的差异,压缩性、膨胀性、粘性、导热性的定义,压缩系数、膨胀系数的有关计算,流体粘性的成因,粘性系数表述：动力粘性系数，运动粘性系数,牛顿内摩擦定律及其应用例题、习题,9/16/2024,58,