《工程流体力学-学生版工程流体力学－01章》由会员分享，可在线阅读，更多相关《工程流体力学-学生版工程流体力学－01章（90页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、工程流体力学工程流体力学 汽车工程学院汽车工程学院 杨杨 阳（教授阳（教授/ /博士）博士） 20152015年年9 9月月 本课程的性质和任务本课程的性质和任务 课程性质： 工程流体力学是车辆工程、机械设计制造及自动化、 机械电子工程、材料成形与控制工程等专业一门主要技术基础 课程。 主要任务： 通过各教学环节，运用各种教学手段和方法，使学生掌握 流体运动的基本概念、基本原理、基本计算方法；培养学生分 析、解决问题的能力和实验技能，为学习后继课程、从事工程 技术工作和科学研究以及开拓新技术领域打下坚实的基础。 本课程的性质和任务本课程的性质和任务 总学时：32 教学方法： 课堂讲授与课堂讨论
2、相结合，采用多媒体演示完成。 考试方式：闭卷 成绩评定：总成绩构成 课程课程 成绩成绩 单元单元 测验测验1 单元单元 测验测验2 单元单元 测验测验3 单元单元 测验测验4 出勤、讨论与出勤、讨论与 平时作业平时作业 课程课程 考试考试 100% 5% 5% 5% 5% 10% 70% 本课程的性质和任务本课程的性质和任务 总学时：32 教学方法： 课堂讲授与课堂讨论相结合，采用多媒体演示完成。 考试方式：闭卷 成绩评定：总成绩构成 本课程的性质和任务本课程的性质和任务 总学时：32 教学方法： 课堂讲授与课堂讨论相结合，采用多媒体演示完成。 考试方式：闭卷 成绩评定：总成绩构成 课程课程
3、成绩成绩 单元测验单元测验1 1 （第（第1 1章作业）章作业） 单元测验单元测验2 2 （第（第2 2章作业）章作业） 单元测验单元测验3 3 （第第3 3章作业）章作业） 单元测验单元测验4 4 （第第5 5章作业）章作业） 出勤、出勤、讨论讨论、平平 时作业时作业 课程课程 考试考试 100% 100% 5 5% % 5 5% % 5 5% % 5 5% % 10% 10% 70% 70% 第一章第一章 绪论绪论 有关流体运动和流体力学的三个问题 流体力学任务和应用 流体力学发展概况 流体力学概念与应用 流体力学的研究方法 流体的连续介质模型 流体的主要物理性质惯性、粘性、压缩性 理想流
4、体与实际流体、可压缩流体与不可压缩流体、牛 顿流体与非牛顿流体概念 有关流体运动与流体力学的问题有关流体运动与流体力学的问题 人类虽然长期生活在空气和水环境中，对一些流体 运动现象却缺乏认识,现举三例。 A高尔夫球：表面光滑还是粗糙？ B汽车阻力：来自前部还是后部？ C机翼升力：来自下部还是上部？ 第一节第一节 流体力学及其发展概况流体力学及其发展概况 高尔夫球运动起源于15世纪的苏格兰，当时人们认为表 面光滑的球飞行阻力小，因此用皮革制球。 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20世纪建立流体力学边界层理论后才解开。 A A高尔夫球：表面光滑还是粗糙？高尔夫球：表面光滑还是
5、粗糙？ 现在的高尔夫球表面有很多窝坑，在同样大小和重量下， 飞行距离为光滑球的5倍。 思考题：思考题：表面凹窝状的高尔夫球飞得更远是因为： A 与气流接触的外表面积减小了； B 凹窝状表面使球更容易旋转； C 其它。 汽车发明于19世纪末，当时人们认为汽车的阻力主要来 自前部对空气的撞击，因此早期的汽车后部是陡峭的，称为 箱型车，阻力系数（CD）很大，约为0.8。 实际上汽车阻力主要来自后部形成的尾流，称为形状阻力。 B B汽车阻力：来自前部还是后部？汽车阻力：来自前部还是后部？ 5060年代改进为船型，阻 力系数为0.45。 20世纪30年代起，人们开始运 用流体力学原理改进汽车尾部形状，
6、出现甲壳虫型，阻力系数降至0.6。 80年代经过风洞实验系统研究后，又改 进为鱼型，阻力系数为0.3， 90年代后，科研人员研制开发的未来型 汽车，阻力系数仅为0.137。 经过近80年的研究改进，汽车阻力系数从0.8降至0.137阻力减小为 原来的1/5 。 目前在汽车外形设计中，流体力学性能研究已占主导地位，合理的 外形使汽车具有更好的动力学性能和更低的耗油率。 人们的直观印象是空气从下面冲击着鸟的翅膀，把鸟托在 空中。 19世纪初建立的流体力学环量理论，彻底改变了人们的传 统观念。 脱体涡量与机翼环量大小相等方向相反 C C机翼升力：来自下部还是上部？机翼升力：来自下部还是上部？ 足球的
7、香蕉球现象可帮助理解环量理论 丰富多彩的流动图案背后隐藏着复杂的力学规律， 具有高度智慧的人类为揭示流动奥秘建立了流体力学 学科，研究和解决生产、科研、生活中的流体运动问 题就是流体力学的任务。 流体力学的任务和应用流体力学的任务和应用 航空、航海、水利、水文、气象、环境保护、农业、渔 业、国防等部门必需掌握水和空气的宏观运动规律。 航空、航天、造船、机械、动力、冶金、化工、石油等 部门设备中工作介质都是流体，为了改进流程、提高效率需 要流体力学的知识。 油压千斤顶 磨床油压系统 1、活塞右移 2、活塞左移 3、溢流阀溢流 4、油泵卸荷 利用流体动力的液力变矩器 AT轿车的驱动形式 前驱式前驱
8、式 后驱式后驱式 流体力学发展简史 流体力学是在人类同自然界作斗争和在生产实践流体力学是在人类同自然界作斗争和在生产实践 中逐步发展起来的。中逐步发展起来的。 古罗马人建成了 大规模的供水管道 系统等 古时中国有 大禹治水疏通 江河的传说 秦朝李冰父子修 建的都江堰，至今 还在发挥着作用 对流体力学学科的形成作出第一个贡献的是古希腊的阿 基米德，他建立了包括物理浮力定律和浮体稳定性在内的液 体平衡理论，奠定了流体静力学的基础。此后千余年间，流 体力学没有重大发展。 17世纪，帕斯卡阐 明了静止流体中压 力的概念 15世纪，意大利 达 芬奇的著作才谈到 水波、管流、水力机 械、鸟的飞翔原理等 问
9、题 流体力学尤其是流体动力学作为一门严密的科流体力学尤其是流体动力学作为一门严密的科 学，却是随着经典力学建立了速度、加速度，力、学，却是随着经典力学建立了速度、加速度，力、 流场等概念，以及质量、动量、能量三个守恒定律流场等概念，以及质量、动量、能量三个守恒定律 的奠定之后才逐步形成的。的奠定之后才逐步形成的。 17世纪，力学奠基人牛顿研究了在流体中运动的物体所 受到的阻力，得到阻力与流体密度、物体迎流截面积以及 运动速度的平方成正比的关系。他针对粘性流体运动时的 内摩擦力也提出了牛顿粘性定律。 但是，牛顿还没有建立起流体动力学的理论基础，他提 出的许多力学模型和结论同实际情形还有较大的差别
10、。 法国皮托发明了测量流速的皮托管 达朗贝尔对运河中船只的阻力进行了许多实验工作，证实 了阻力同物体运动速度之间的平方关系。 瑞士的欧拉采用了连续介 质的概念，把静力学中压力 的概念推广到运动流体中， 建立了欧拉，正确地用微分 方程组描述了无粘流体的运 动 伯努利从经典力学的能 量守恒出发，研究供水管道 中水的流动，精心地安排了 实验并加以分析，得到了流 体定常运动下的流速、压力、 管道高程之间的关系-伯努 利方程。 欧拉方程和伯努利方程的建立，是流体动力学欧拉方程和伯努利方程的建立，是流体动力学 作为一个分支学科建立的标志，从此开始了用微分作为一个分支学科建立的标志，从此开始了用微分 方程和
11、实验测量进行流体运动定量研究的阶段。方程和实验测量进行流体运动定量研究的阶段。 18世纪，法国人纳维和斯托克 斯建立了反映粘性流体流动的基 本力学规律：N-S方程，奠定了 计算流体力学的基础。 普朗特从1904年到1921年逐步将N-S方程作了简化，从推 理、数学论证和实验测量等各个角度，建立了边界层理论， 能实际计算简单情形下，边界层内流动状态和流体同固体间 的粘性力 20世纪初，飞机的出现极大地促进了空气动力学的发展。 航空事业的发展，期望能够揭示飞行器周围的压力分布、飞 行器的受力状况和阻力等问题，这就促进了流体力学在实验 和理论分析方面的发展。 20世纪初，以儒科夫斯基、恰普雷金、普朗
12、克等为代表的科 学家，开创了以无粘不可压缩流体位势流理论为基础的机翼理 论，阐明了机翼怎样会受到举力，从而空气能把很重的飞机托 上天空。机翼理论的正确性，使人们重新认识无粘流体的理论， 肯定了它指导工程设计的重大意义。 机翼理论和边界层理论的建立和发展是流体力学的一次重 大进展，它使无粘流体理论同粘性流体的边界层理论很好地结 合起来。 随着汽轮机的完善和飞机飞行速度提高，又迅速扩展了 从19世纪就开始的对空气密度变化效应的实验和理论研究， 为高速飞行提供了理论指导 20世纪40年代以后，由于喷气推进和火箭技术的应用， 实现了航天飞行，使气体高速流动的研究进展迅速，形成了 气体动力学、物理-化学
13、流体动力学等分支学科。 20世纪40年代，关于炸药或天然气等介质中发生的爆轰波 又形成了新的理论，为研究原子弹、炸药等起爆后，激波在 空气或水中的传播，发展了爆炸波理论。 流体力学又发展了许多分支，如高超声速空气动力学、超 音速空气动力学、稀薄空气动力学、电磁流体力学、计算流 体力学、两相(气液或气固)流等等。 这些巨大进展是和采用各种数学分析方法和建立大型、精 密的实验设备和仪器等研究手段分不开的。 从50年代起，电子计算机不断完善，使原来用分析方法难 以进行研究的课题，可以用数值计算方法来进行，出现了计算 流体力学这一新的分支学科。 20世纪60年代，根据结构力学和固体力学的需要， 出现了
14、计算弹性力学问题的有限元法。 经过十多年的发展，有限元分析这项新的计算方 法又开始在流体力学中应用，尤其是在低速流和流体 边界形状甚为复杂问题中，优越性更加显著。 近年来又开始了用有限元方法研究高速流的问题， 也出现了有限元方法和差分方法的互相渗透和融合。 从20世纪60年代起，流体力学开始了流体力学和 其他学科的互相交叉渗透，形成新的交叉学科或边缘 学科，如物理-化学流体动力学、磁流体力学等； 原来基本上只是定性地描述的问题，逐步得到定 量的研究，生物流变学就是一个例子。 理论研究方法理论研究方法 通过对液体物理性质和流动特性的科学抽象（近似），提出 合理的理论模型。 根据机械运动的普遍规律
15、，建立控制液体运动的闭合方程组， 将原来的具体流动问题转化为数学问题，在相应的边界条件和 初始条件下求解。 理论研究方法的关键在于提出理论模型，并能运用数学方法 求出理论结果，达到揭示液体运动规律的目的。但由于数学上 的困难，许多实际流动问题还难以精确求解。 理论方法中，流体力学引用的主要定理有： 质量守恒定律 动量守恒定律 牛顿运动第二定律 机械能转化与守恒定律 实验研究方法实验研究方法 应用流体力学是一门理论和实践紧密结合的 基础学科。它的许多实用公式和系数都是由实验得 来的。至今，工程中的许多问题，即使能用现代理 论分析与数值计算求解的，最终还要借助实验检验 修正。 数值研究方法数值研究
16、方法 数值方法是在计算机应用的基础上，采用各种 离散化方法（有限差分法、有限元法等），建立各种 数值模型，通过计算机进行数值计算和数值实验，得 到在时间和空间上许多数字组成的集合体，最终获得 定量描述流场的数值解。近二三十年来，这一方法得 到很大发展，已形成专门学科计算流体力学。 在地球上，物质存在的主要形式有： 固体固体、液体液体和气体气体。 二、流体的基本特征二、流体的基本特征 物质的三态物质的三态 流体和固体的区别： 从力学分析的意义上看，在于它们对外力抵抗的对外力抵抗的 能力不同能力不同。 固体 固体单元的变形 固体具有抵抗压力、拉力和切力三种能力。因 而在外力作用下，通常只发生较小的变形，而且 到一定程度后变形就停止。 流体由于不能保持一定的形状，所
