流体力学0(1)教程

《流体力学0(1)教程》由会员分享，可在线阅读，更多相关《流体力学0(1)教程（52页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、 流体力学 汤炳书 课程要求及考核方式 按时上课、不得迟到早退、如发现无故旷课三次本课 程不及格。 上课必须认真听讲，在书上适当记些笔记。 平时要独立完成作业，按时上交，缺1次扣平时成绩 5分。 期末采取闭卷考试，考勤、平时作业、笔记占30%， 期终考试占70。 课堂唯一要求：上课时间请暂时离开手机屏幕！ 平时成绩主要参考依据！ 船舶海洋船舶海洋 航空航天航空航天 流体力学在工程技术与国民经济各生产部门的应用举例 大气大气环环环环流流 水利枢水利枢纽纽纽纽 石油勘探石油勘探 流体机械流体机械 建筑建筑桥桥桥桥梁梁 仿生推仿生推进进进进 环环环环境保境保护护护护 交通堵塞交通堵塞 人体生命人体生

2、命 材料特性材料特性 人体血液 循环系统 体育运体育运动动动动 化工化工过过过过程程 第一章 绪 论 一、流体力学的研究对象 二、流体力学的发展概况 三、流体力学的方法 四、单位制 *12 按照国家1997年颁布授予博士、硕士学位 和培养研究生的的学科、专业目录，分 为哲学、经济学、法学、教育学、文学、 历史学、理学、工学、农学、医学、军事 学、管理学12大门类，每大门类下设若干 一级学科，如理学门类下设数学、物理、 化学等12个一级学科。2011年8月下旬 ， 艺术学首次从文学门类中独立出来，单列 为一个学科门类，考研学科门类将从原先 的12个增加到13个。 流体力学属工学之力学二级学科 所

3、谓获得一级学科博士学位授权，即是指在 这个一级学科下的所有二级学科都有博士 学位授予权，也就意味着，一个学生只要 选择了这个学科中的任何一个专业，进了 校门就可以从本科一直念到博士。这能反 映出一个大学或科研院所在这个学科的实 力和水平。但要看这个学科是否全国领先 ，就要看它里面的二级学科有没有国家重 点学科以及重点学科的多少。 08 工学 学科门类 0801 力学 一级学科 080103 流体力学 二级学科 0802 机械工程 一级学科 080201 机械设计及其自动化 二级学科 16/24 力学 连续介质力学 弹塑性力学 流体力学 静力学、运动学和动力学 质点力学 刚体力学 理论计算实验

4、1、研究对象 流体力学以液体和气体为研究对象， 研究其平衡和运动基本规律的科学。流体 是液体和气体的统称。但对研究对象既不 研究其个别分子的运动，也不过问个别原 子的运动，只研究其大量分子的集体运动 。 一、 流体力学的研究对象 *17 流体力学主要研究内容：根据理论 力学的普遍原理，借助大量的实际资料， 运用数学和实验方法来研究流体平衡和运 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损失等 。 *18 2、研究内容 *19 流、固体相互作用 流动规律 平衡规律 绝对静止 相对静止 压力分布 压力计算 管 流 绕 流 射 流 速度分布 压力分布 能量损失 力与流动的关

5、系 流体动力学 流体运动学 流体静力学 *20 掌 握 基本概念、基本原理 基本计算方法 公式推导的前提条件、适用范围 各种系数的确定方法 结合实际灵活运用 测压、测速、测流量的仪器原理 使用方法 3、重点内容 明 确 熟 悉 4、流体力学的分类 理论（古典）流体力学偏重 于数理分析 按研究 方法分 实验流体力学工程力学 水力学 侧 重工程应用 液体力学注重于流体空间密度 保持不变的特点 按研究 对象分 气体力学运动速度小于声速的 气体 流体静力学静止流体内压力 分布规律及对接 按研究 触固面的受力问 题 内容分 流体动力学研究流体运动参数 变化规律及其 对固面的作用力问 题 *21 与流体力

6、学相关的科学家 阿基米德：流体静力学 帕斯卡 ：平衡流体中的压力传递 牛顿：流体黏性、流体内摩擦定律 欧拉：连续介质、理想流体平衡微分方程、理想流体运动微分 方程 伯努利：流体动力学基本公式 纳维尔-斯托克斯：N-S方程（黏性流体运动微分方程） 雷诺：层流、紊流 儒可夫斯基：机翼理论升力公式 普朗特：边界层理论 卡 门：卡门涡街 二、流体力学的发展概况 I、早期发展阶段公元前至17世纪中叶 在治理江河、农田灌溉、供水及航海等实 践活动中积累了大量的流体基本知识。 突出成就： 公元前250年 阿基米德论浮体 流体力学第一部著作 第二章 流体静力学 古希腊数学家、力学家，静力学 和流体静力学的奠基

7、人 *23 II、中期发展阶段17世纪中叶至20世纪 初叶 流体力学的初步形成和发展的时期，逐 步建立和发展了解决流体力学问题的理论与 实验方法。 代表人物： 1687 牛顿 流体黏性 第一章 黏性 自然哲学的数学原理 牛顿内摩擦定律 英国伟大的数学家、物理学家、 天文学家和自然哲学家。 *24 流体力学的初步形成和发展的时期，逐步建 立和发展了解决流体力学问题的理论与实验 方法。 代表人物： 1738 伯努利 伯努利方程 第三章 流体动力学基础 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

8、的创始人。 *25 流体力学的初步形成和发展的时期，逐步建 立和发展了解决流体力学问题的理论与实验 方法。 代表人物： 1755 欧拉 理想流体平 衡微分方程 第二章 流体静力学 理想流体运 动微分方程 第三章 流体动 力学基础 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， 理论流体力学的创始人。 *26 流体力学的初步形成和发展的时期，逐步建 立和发展了解决流体力学问题的理论与实验 方法。 代表人物： 纳维尔 斯托克斯 NS方 程 第三章 流体动力学基础 黏性流体运动微分方程 *27 流体力学的初步形成和发展的时期，逐步建 立和发展了解决流体力学问题的理论与

9、实验 方法。 代表人物： 1883雷诺层流、紊流 第六章 黏 性流体的一 维定常流动 雷诺应力 英国力学家、物理学家和工程师。杰 出的实验科学家。 *28 流体力学的初步形成和发展的时期，逐步建 立和发展了解决流体力学问题的理论与实验 方法。 代表人物： 儒可夫斯基 机翼理论 升力公式 第四章 不可压缩 流体有旋 流动和二 维无旋流 动 机翼设计 *29 流体力学的初步形成和发展的时期，逐步建 立和发展了解决流体力学问题的理论与实验 方法。 代表人物： 1912卡 门 卡门涡街 美国著名空气动力学家 解释机翼张线的“线鸣“、水下 螺旋桨的“嗡鸣“ *30 流体力学的初步形成和发展的时期，逐步建

10、 立和发展了解决流体力学问题的理论与实验 方法。 代表人物： 1904普朗特边界层理论 第五章 不可压缩流体二维边 界层概述 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 都作出了重要的贡献，被称作空气动力学之父。 *31 III、后期发展阶段20世纪初叶至20世纪中叶 流体力学迅猛发展阶段，以航空航天领域为重 ，流体力学的理论与实验研究在各个 领域都取得了 极大的发展。形成了两门重要的学科：空气动力 学和计算流体力学。 *32 IV、近期发展状况20世纪中叶以后 20世纪50年代以后，流体力学已经建立了一个 相对比较完整的科学研究体系，一些基本问

11、题都得到 了很好的解决。但是一些较难、较复杂的问题还不能 利用现有的知识进行解释，如湍流、旋涡动力学、非 定常流等。这些问题成为目前流体力学的主要研究方 向。另外各种交叉学科的出现也极大地拓展了流体力 学的研究领域。 *33 *34 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

12、 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 *35 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 *36 真州船闸 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。 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

13、原则 ，并著有两河管见、两河经略 和河防一揽。 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。 流体力学在中国 *37 李冰（公元前302-235） 都江堰 流体力学在中国 *38 钱学森 钱学森（19112009）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

14、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 *39 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（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

15、内外许多优良叶轮机械设计计算的主要依据。 流体力学在中国 三、流体力学的研究方法 目前，解决流体力学问题主要有 一）实验方法 (1)对所给定的问题，选择适当的无量纲相似参数 ，并确定其大小范围； (2)根据(1)准备试验条件，其中包括模型的设计 制造与设备仪器的选择使用等； (3)制订试验方案并进行试验； (4)整理和分析实验结果，并与其他方法或其他著 者所得的结果进行比较等。 优点：能直接解决生产中的复杂问题，能发现流动中的新现象和新 原理，它的结果可以作为检验其他方法是否正确的依据 缺点：对不同情况需作不同的实验，即所得结果的普适性较差 *40 二）理论分析方法 (1)建立简化的数学模型，

16、即根据所给问题的特 点，作出一定的假定，并用以简化一般的流体 运动方程组和初始条件与边界条件； (2)用分析方法求此简化后的初值问题或边值问 题的分析解； (3)选取适当的算例，利用分析解进行具体的数 值计算； (4)将所得算例结果与用其他方法所得的相应结 果进行比较，以检验简化模型的合理性 优点：分析能明确地给出了各种物理与流 动参量之间的变化关系，有较好的普适性 。 缺点：数学上的困难很大，能获得的分析 解的数量有限。 *41 三）数值方法 (1)对一般的流体运动方程，初始或边界条件， 进行必要的简化或改写； (2)选用适当的数值方法，对简化或改写的初值 问题或边值问题进行离散化； (3)编制程序，选取算例，进行具体计算，并将 所得结果绘制成图表； (4)将算例结果与实验或其他计算方法结果，进 行比较。 优点：许多用分析法无