第01章流体的力学性质-2

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1、工程流体力学,赖焕新 机械与动力工程学院 流体机械研究室 办公室：17411 电 话：64253754 13472814462,课程基本情况,学时学分： 32学时，2学分 课程性质：专业基础课 先修课程：高等数学、大学物理、理论力学 课程教材： 工程流体力学(第2版), 黄卫星等编，化学工业出版社. 参考书： 普朗特流体力学基础, H. Oertel著，朱自强等译，科学出版社，2011. 流体力学及其工程应用，E.J.Finnemore著，钱翼稷(j)等译， 机械工业出版社，2009. 粘性流体动力学，陈矛章编，高等教育出版社，2002 化工流体力学，戴干策 陈敏恒编，化学工业出版社，2005

2、 冯卡门传，冯卡门著，曹开诚译，上海科学技术出版社。,流体力学课程的主要任务： 研究流体与物体之间的相互作用以及流体在静止或运动时所遵循的基本规律。,“工程”“流体力学”课程的特点: 1. 专业基础课由 基础 向 专业 过渡的一门课程； 2. 是工科学生必须具备的一门基础知识； 3.“工程”“流体力学” 流体力学严格的基础理论【物理力学流体力学】 +) 工程 的作风做法 【近似、简化、工程误差要求】,流体力学 留级力学？,流体力学在工程中的应用 (为什么要学),大雁的飞行团队,人类在空气、水中的运动,鸟类飞行,船舶的设计: 浮力定理与浮体稳定性. 大型潜艇的舰体设计与推进系统更是离不开流体力学

3、知识。,美国高超音速样机,火箭导弹发射, 航空/航海/国防,水利工程,1993年青海沟后水库垮坝 1993年8月27日夜间，库容为330万立方米的青海省海南藏族自治州沟后水库在库水位低于设计水位0.75米的情况下突然垮坝失事，造成288人死亡，40人失踪,直接经济损失1.53亿元. 水利部专家组调查认定，沟后水库在设计上有缺陷，施工中又存在严重的质量问题，运行管理工作薄弱。,箱型,甲壳虫,船型,鱼型,楔型,未来型, 地面交通工具,汽车的外形设计从最早期的箱型逐渐向今天的流线型过渡，反映了空气动力特性对汽车性能的影响。,大气、海洋运动,可怕的龙卷风（tornado),对大气运动、海洋环流运动及其

4、相互作用的掌握对气候灾害预报与控制、农业、渔业、航空航海等有积极意义。,流体机械和动力机械,风力机,风扇,涡轮喷气发动机,PDC钻头,石油、化工,能源的开采、输运、冶炼各环节均离不开流体力学知识。,建筑安全和环境,世贸大厦和上海环球金融大厦,超高层建筑，大跨度桥梁等的设计和建造离不开风工程。,杨浦大桥,流体力学问题在自然界和一般的工程技术中随处可见，广泛应用于水利、机械、动力、化工、石油、土建、航空、航海、气象、环境等工程技术中，是一门十分有用的知识。 “万物皆流、万物皆变”，要更好地认识世界，必须学习流体力学！, 总结,流体力学的发展简介 萌芽期（17世纪中叶以前） 特点：生产实践活动是发展

5、动力、经验积累为主 大禹治水/李冰父子设计建造的都江堰 船/帆船 鲁班：会飞的木鸢(读yun ) 沙漏计时 阿基米德定律,大禹治水图,古箭,阿基米德,快速发展期（17世纪后半叶-19世纪） 特点：理论和实验研究方法建立、 形成流体动力学、水力学两分支 主要代表人物: 1650年 帕斯卡帕斯卡原理 1686年 牛顿牛顿内摩擦定律 1738年 伯努利伯努利方程 1775年 欧拉理想流体的运动方程 1883年 雷诺雷诺实验 1823年 纳维、斯托克斯粘性流体的运动方程,成熟发展期（20世纪初20世纪中叶） 粘性流体力学得到相当发展，航空航天技术惊人发展，人类的飞行梦实现。 代表人物： 库塔 M.W.

6、Kutta，18671944 德国 儒科夫斯基（,18471921）（俄国） 普朗特（L.Prandtl，18751953）(德国) 冯.卡门（T.von Krmn，1881-1963）（美籍匈牙利）,20世纪中叶以后 广泛的学科交叉与新分支： 计算流体力学、实验流体力学、可压缩气体力学、环境流体力学、稀薄气体动力学、微尺度流体力学、磁流体力学、非牛顿流体力学、生物流体力学、多相流体力学、物理-化学流体力学、流体机械流体力学 难点问题：湍流、流动稳定性、非定常流,流体力学在中国,周培源（19021993) 钱学森 （19112009） 陆士嘉（19111986） 吴仲华（19171992）,流

7、体力学的研究方法 理论分析 力学模型流体力学基本方程求解分析 实验研究：实验流体力学 相似原理实验模型实验分析 数值模拟：计算流体力学 （Computational Fluid Dynamics, CFD）,全课 程 分章目 录,流体的力学性质 流体流动的基本概念 流体静力学 流体流动的守恒原理 不可压缩流体的一维层流流动 流体流动微分方程 不可压理想流体平面流（合并到2） 管内流体流动 (书上第9章) 流体绕物流动 (部份合并到8) 流体力学的实验研究方法 (书上第8章) 流体流动的数值模拟(CFD),基本概念,基本原理 及 分析方法,实验方法 数值模拟,本科生工程流体力学课程的主要内容,课

8、程考核与成绩计算方法： 平时作业 课堂(点名、提问) 结束考试,流体力学 留级力学？,第一章 流体的力学性质,1.1 流体、流体质点、连续介质假设 1.2 流体的主要物理性质 流体的流动性 流体的可压缩性 流体的粘滞性 作用在流体上的力 1.3 牛顿流体与非牛顿流体,1.1 流体、流体质点、连续介质假设,一、流体： 液体和气体的总称。流体是相对固体而言的。,无固定的形状: 分子间距离大，吸引力小 （对比固体？） “水可方可圆，能环山襄陵；风无形无体，却能拔屋倒树” 能承受压力，但不能承受拉力 易流动性： 剪切力是流体流动的充分且必要的条件,力学中“流体”的定义： 在任何微小剪切力(shear

9、force)的作用下都能够发生连续变形的物质称为流体。,流体的基本特点:,固体可以承受一定的剪切力而不至于宏观变形； 但流体不能。不管剪切力多大（多小），流体都会发生宏观运动：旋涡 （将进一步说明）。 “流体经不起搓，一搓就搓起了涡”,陆士嘉（19111986） 著名流体力学家、力学教育家。北京航空学院的筹建者之一，创办了我国第一个空气动力学专业。,二、流体质点及连续介质假设 从微观角度看：流体分子之间存在空隙，流体物理量的分布在空间和时间上都是不连续的。 但宏观尺度看，即使是很小的体积中，包含的分子数目也是十分巨大的。例如标准状态下， 体积为dV=10-9 mm3 的空气，分子数目： 3x1

10、07。 流体力学中，感兴趣的是流体的宏观特性，即有连续介质假设的提出。,流体的连续介质（Continuum）假设 将流体看成由无限多个流体质点所组成的密集而无间隙的连续介质。,流体质点：不呈现流体个别分子无规则运动的最小部分所包含的大量分子的组合。, 流体质点：微观上足够大、宏观上足够小、具有一定体积的流体微团，各参数的统计平均特性即为流体的宏观特性。,连续介质模型的数学表达式：,流体密度是物性参数 某种流体的密度主要与 温度T和压强p有关， 即=（p,T) 混合气体的密度,式中：1， 2， n 各组分气体的密度 1， 2， n各组分气体所占的体积百分数, 采用连续介质假设的好处 无需关心分子

11、的微观运动 流场参数为空间坐标的连续函数, 连续介质假设的合理性 失效状态 外太空气体十分稀薄 激波 微尺度流动（MEMS-微机电系统）,教科书P2提“连续介质模型”有3条要点，其实归结为只有一个要点： 假设流体的任一物理参数（密度、压力、速度、温度等等），都是空间坐标和时间的连续可导函数， = (x, y, z, t),1.2.1流体的易流动性 （如前所述）,1.2 流体的力学性质,1.2.2流体的可压缩性 （Compressibility）,体积压缩系数：一定温度下单位压力变化引起的体积的相对收缩 。,体积弹性模数: 单位体积的相对变化所需要的压力增量.,恒为正，单位：1/Pa, m2/N

12、 p 越大可压缩性越大。,恒为正，单位与压力相同：Pa EV 越大可压缩性越小。,和流体密度相似，p和 EV 也都是物性参数。,液体和气体的可压缩性显著不同：,例：20和标准大气压下水EV2109Pa,求当压力增大1atm（ 1.013105Pa ）时体积减小率为多少？,气体的压缩性与压缩的热力学过程有关，受具体过程参数的影响也较大，但整体上压缩性表现较易于压缩。,空气EV 105 N/m2,例：理想气体,液体的可压缩很小，是难于压缩的流体，而且其可压缩性（ p或EV ）受温度和压力的影响也相对较小。,可压缩流体与不可压缩流体,严格地说，绝对不可压缩流体是不存在的;真实的流体都是可压缩的。,当

13、 p 引起的 很小时，可认为此时流体为不可压：,const,EV ,流体是否是可压缩，判断的主要依据是：可压缩性对流体流动影响的大小。,水通常为不可压，但水中爆炸、水击（水锤）是可压； 空气通常被认为可压，但流速100m/s时，可作不可压。,马赫数(Mach number),v: 流体质点速度 c: 当地音速,当流体流动的马赫数小于0.3时， p 引起的 很小，可认为流动不可压缩,单位面积流体受到的内摩擦力为切应力xy 实验证明：,牛顿内摩擦定律(or牛顿剪切定律, 1686年）,动力粘性系数（与流体种类、p,T有关） 单位:Pa s(帕 秒),1.2.3 流体的黏性(黏滞性，Viscosit

14、y),在流体力学中常用运动粘性系数：,流体层间存在相对运动和分子间的动量与能量传递!,液体：T ；T 气体：T ；T ,为什么？,流体粘性的微观机理, 液体：分子内聚力是黏性的主因,从本质上说，流体粘性是分子吸引力以及分子热运动共同作用的结果。但：,温度分子间距分子吸引力内摩擦力粘度, 气体：分子热运动是黏性的主因,温度分子热运动动量交换内摩擦力粘度,水的粘度,气体的粘度,Sutherland公式,混合气体的粘度,理想流体：不计粘性的流体，是假想的流体模型。,粘性流体：真实流体，考虑粘性的流体。,理想流体和粘性流体,滑移假设（理想流体）,固体表面处的流体速度与固体壁面速度相等； 微尺度流动和稀

15、薄流动条件下该假设失效.,流体不能穿越固体壁面，但容许在固体表面滑移。,无滑移条件和滑移假设,无滑移条件（粘性流体/真实流体）,问题1：设液体中流速沿y方向分布如下图，试根据牛顿内摩擦定律定性画出切应力沿y方向的分布？,y,y,y,问题2：下面的表述是否正确? A 由于粘性，流体内部切应力一定不为0 . B 静止流体内不存在切应力。 C 流体作均速运动时切应力为0。,例11：直径D=5cm的轴在轴承中空载地旋转，如图15所示。转速n=4000rpm，与轴瓦同心，径向间隙0.005cm,轴瓦长度L=7.6cm，测得摩擦力矩M=1.2N.m。求润滑液的粘性系数？求轴承消耗的功率？,例12：旋转圆筒粘度计如下图所示，外筒固定，内筒转速n=10r/min，内外筒间充入实验液体。已知内筒半径Ri为1.93cm，外筒 Ro为2cm，内筒高h=7cm，转轴上扭距M=0.0045Nm。求该实验液体的粘度 (0.9524Pa.s)。,旋转圆筒粘度计,h,例13：一套桶长H=20m,内直径D=5.04cm，重G=6.8N,套在直径d=5cm的立轴上，间隙内充满了动力粘度=8Pa.s的油。求套筒以多大速度匀速下滑？（0.0054m/s),d,例14：已知：平板A1200cm2，V