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1、1,工程流体力学前言,工程流体力学的研究对象 流体力学是以流体(包括液体和气体)为对象，研究其平衡和运动时宏观基本规律的科学。主要研究流体在平衡和运动时的压力分布、速度分布、与固体之间的相互作用以及流动过程中的能量转换等。,2,研究方法: 理论分析: 根据实际问题建立理论模型 涉及微分体积法 速度势法 保角变换法 实验研究方法: 根据实际问题利用相似理论建立实验模型 选择流动介质 设备包括风洞、水槽、水洞、激波管、测试管系等 数值计算方法 ：根据理论分析的方法建立数学模型，选择合适的计算方法，包括有限差分法、有限元法、边界元法等，利用商业软件和自编程序计算，得出结果，用实验方法加以验证。,流体
2、力学前言,3,一、基本概念,流动性、流体、连续介质； 密度、重度、压缩性、膨胀性、粘性； 动力粘度、运动粘度、恩氏粘度； 表面张力、表面张力系数、毛细现象； 流体的分类：粘性流体、理想流体、牛顿流体、非牛顿流体 速度梯度、变形,4,三、重要结论及意义,流动性与变形。 密度与重度：水、空气、汞。 压缩性与膨胀性 动力与运动粘度 速度梯度与角变形速度 牛顿内摩擦定律 毛细现象,5,2 流体静力学小结,2.2 流体静压强及其特性,2.3 流体静力学基本方程式,2.4 绝对压强 计示压强 液柱式测压计,2.5 液体的相对平衡,2.6 静止液体作用在平面上的总压力,2.7 静止液体作用在曲面上的总压力,
3、2.8 静止液体作用在潜体和浮体上的浮力,2.1 作用在流体上的力,6,一、基本概念,表面力(法向力、切向力)和质量力 压强及特性 当地大气压、绝对压强、相对压强、真空度 等压面及判别方法 液体的相对平衡 压力体,7,三、重要结论,压强及特性 流体静力学基本方程 流体平衡微分方程 等压面 重力场中流体静力学基本方程,8,三、重要结论,压强及特性 流体静力学基本方程 流体静力学基本方程的意义,位势能,压强势能hp,总势能,位置水头,压强水头,静水头,测压管水头,9,三、重要结论,4. 压强的单位与度量 Pa、液柱高度、当地大气压 5. 液体的相对平衡,达朗伯原理,10,三、重要结论,6. 静止液
4、体对固体表面的作用力,11,第三章 流体动力学小结,3.1 研究流体流动的方法,3.2 流体运动的基本概念,3.3 雷诺输运方程,3.4 连续方程,3.5 动量方程,3.7 能量方程,3.8 沿流线的伯努利方程,3.9 总流的伯努利方程,3.10 流体动力学基本方程的应用,3.6 动量矩方程,12,一、基本概念,欧拉法与拉格朗日法 流体运动的基本概念 流动的分类：定常与非定常、缓变流与急变流 迹线与流线 流管、流束、总流 有效截面 、流量、平均流速 湿周、水力半径、水力直径 系统、控制体,13,三、重要结论,1.欧拉法 2.拉格朗日法 3.流线的性质与微分方程 4.平均流速与水力半径 5.雷诺
5、输运方程 6.在缓变流有效截面上有 7.连续方程,14,三、重要结论,8.动量方程 9.动量矩方程,15,三、重要结论,10.伯努利方程及意义,速度水头,位置水头,压强水头,总水头,动能,位能,压力能,总机械能,16,三、重要结论,11.伯努利方程的应用,设流动流体是气体,17,4 相似理论与量纲分析,4.1 相似理论与模型试验,4.2 量纲分析与定理,在相似的空间中，表述流动现象的各物理量的场相似。 1.如何建立模型； 2.试验中测量参数，如何整理试验数据； 3.试验结果如何推广应用。,18,三、重要结论,1.相似准则数 2.相似条件,保证流动相似的必要和充分条件。,1.相似的流动都属于同一
6、类的流动，应为相同的微分 方程所描述。,2.单值条件相似。单值条件是指把某一特定的流动从无数个同类的相似流动中区分开来的条件。,几何条件,3.由单值条件中的物理量所组成的相似准则数相等。,边界条件（进口、出口的速度分布等）,物性条件（密度、粘度等）,初始条件（初瞬时速度分布等）,19,三、重要结论,3.模型实验的方法,1.根据单值条件相似和相似准则数相等的原则去设计模型，选择模型中的流动介质。,3.按相似准则数整理的试验结果，可推广应用到原型及其他相似流动中去。,2.试验过程中应测定相似准则数包含的一切物理量，并整理成相似准则数。,20,三、重要结论,4. 定理（泊金汉定理）：如果一个物理过程
7、涉及到 n个物理量和m个基本量纲，则这个物理过程可以由n个物理量组成的n-m个无量纲量（相似准则数i）的函数关系来描述。,21,三、重要结论,5. 瑞利法,瑞利法是用定性物理量x1、 x2、. 、 xn的某种幂次之积的函数来表示被决定的物理量y。,k为无量纲系数，由试验确定。,a1、 a2、. 、an为待定指数，根据量纲一致性原则求出。,22,一、基本概念,沿程阻力及沿程阻力损失、局部阻力及局部阻力损失、沿程阻力系数、局部阻力系数、管路阻力系数。 层流、湍流、雷诺数、脉动、时均参数。 湍流、混合长度、紊流附加切应力。 粘性底层、水力光滑、水力粗糙。 当量粗糙度。 长管、短管、简单管路、串联管路
8、、并联管路、枝状管网、环状管网。 孔口出流、管嘴出流。 水击。,23,二、基本原理,雷诺实验-层流、紊流。 粘性流体中的切应力及牛顿第二运动定律。 层流：牛顿内摩擦定律、N-S方程。 湍流：时均方法、紊流附加切应力、普朗特混合长度理论、N-S方程。 尼古拉兹实验、莫迪实验。 管路计算：简单管路特性方程、连续方程、伯努利方程。 水击-液体的弹性。,24,三、重要结论,流动损失的分类及计算 临界雷诺数：Recr=2320(2000) 雷诺实验,三、重要结论,粘性流体中的切应力 N-S方程 层流与湍流的比较,26,三、重要结论,沿程阻力系数、当量粗糙度 局部阻力系数与当量长度 简单管路及其特性,27
9、,三、重要结论,串联管路及其特性 并联管路及其特性 节点流量之和为0、闭合环路损失之和为0。,28,三、重要结论,13.管路计算 13.1 简单管路计算 qV、l、d 、，求hw（H0）； 已知hw （H0） 、 l、 d 、 ，求qV； 已知hw （H0） 、 qV 、l、，求d。,qV、d,计算Re,由Re、查莫迪图得,计算 R,计算 hw,校核 hw,结束,Y,计算 qV,N,29,三、重要结论,14.孔口及管嘴出流,15.水击,30,三、重要结论,13.管路计算 13.2串联单管路计算 qV、l、d 、，求总hw（H0）； 已知总hw （H0） 、 l、 d 、 ，求qV； 已知总hw （H0） 、 qV 、l、，求d。,qV、d,计算Re,由Re、查莫迪图得,计算 R,计算 hwi,校核 hw,结束,Y,计算 qV,N,31,三、重要结论,13.管路计算 13.3 并联单管路计算 总qV、l、d 、，求hw(H0)； 已知hw (H0) 、 l、 d 、 ，求qVi； 已知hw (H0) 、 qVi 、l、，求d。,qVi、d,计算Re,由Re、查莫迪图得,计算 R,计算 hwi,校核 qV,结束,Y,计算 qV,N,
