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1、工程流体力学EngineeringFluidMechanics 顾璇Email guxuan1979 可编辑 2020 4 7 绪论 INTRODUCTION 为什么要学习流体力学 2 绪论 INTRODUCTION 流体力学现象随处可见 3 绪论 INTRODUCTION 流体力学 研究流体平衡和运动规律的科学研究任务 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地位 是一门重要的专业基础课 4 绪论 INTRODUCTION 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 5 能源动力 飞机发动机 蒸汽机车 绪论 INTRODUCTIO
2、N 6 建筑与环境 杨浦大桥 节能型建筑 绪论 INTRODUCTION 7 气象科学 气象云图 龙卷风 绪论 INTRODUCTION 8 环境控制 污水净化设备模型 电厂冷却塔 绪论 INTRODUCTION 9 绪论 INTRODUCTION 和流体力学相关的工程领域 10 计算流体力学 气体动力学 非牛顿流体力学 磁流体力学 环境流体力学 化学流体力学 多相流体力学 爆炸力学 学 力 体 流 流体力学派生出很多新的分支 绪论 INTRODUCTION 11 流体力学在中国 钱学森钱学森 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
3、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 绪论 INTRODUCTION 12 流体力学在中国 周培源 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 在1952年发表的 在轴流式 径
4、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 至今仍是国内外许多优良叶轮机械设计计算的主要依据 绪论 INTRODUCTION 13 流体力学的西方史 阿基米德 Archimedes 公元前287 212 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 第一个阐明了相对密度的概念 发现了物体在流体中所受浮力的基本原理 阿基米德原理 绪论 INTRODUCTION 14 流体力学的西方史 列奥纳德 达 芬奇 Leon
5、ardo da Vinci 1452 1519 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 托里析利 E Torricelli 1608 1647 论证了孔口出流的基本规律 绪论 INTRODUCTION 15 流体力学的西方史 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
6、牛顿在科学上最卓越的贡献是微积分和经典力学的创建 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 牛顿由于发明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 绪论 INTRODUCTION 16 伯努利 D Bernoulli 1700 1782 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基础 促进了流体动力学的发展 流体力学的西方史 绪论 INTRODUC
7、TION 17 流体力学的西方史 欧拉 L Euler 1707 1783 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 绪论 INTRODUCTION 18 流体力学的西方史 拉格朗日 J L Lagrange 1736 1813 提出了新的流体动力学微分方程 使流体动力学的解析方法有了进一步发展 严格地论证了速度势的存在 并提出了流函数的概念 为应用复变函数去解析流体定常的和
8、非定常的平面无旋运动开辟了道路 绪论 INTRODUCTION 19 流体力学的西方史 弗劳德 W Froude 1810 1879 对船舶阻力和摇摆的研究颇有贡献 他提出了船模试验的相似准则数 弗劳德数 建立了现代船模试验技术的基础 亥姆霍兹 H vonHelmholtz 1821 1894 和基尔霍夫 G R Kirchhoff 1824 1887 对旋涡运动和分离流动进行了大量的理论分析和实验研究 提出了表征旋涡基本性质的旋涡定理 带射流的物体绕流阻力等学术成就 绪论 INTRODUCTION 20 流体力学的西方史 纳维 C L M H Navier 首先提出了不可压缩粘性流体的运动微
9、分方程组 斯托克斯 G G Stokes 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 1785 1836 法国 斯托克斯 G Stokes 1819 1903 英国 绪论 INTRODUCTION 21 流体力学的西方史 谢才 A deCh zy法国 在1755年便总结出明渠均匀流公式 谢才公式 一直沿用至今 雷诺 O Reynolds 1842 1912 1883年用实验证实了粘性流体的两种流动状态 层流和紊流的客观存在 找到了实验研究粘性流体流动规律的相似准则数 雷诺
10、数 以及判别层流和紊流的临界雷诺数 为流动阻力的研究奠定了基础 绪论 INTRODUCTION 22 流体力学的西方史 瑞利 L J W Reyleigh 1842 1919英国 在相似原理的基础上 提出了实验研究的量纲分析法中的一种方法 瑞利法 库塔 M W Kutta 1867 1944 1902年就曾提出过绕流物体上的升力理论 但没有在通行的刊物上发表 儒科夫斯基 1847 1921 从1906年起 发表了 论依附涡流 等论文 找到了翼型升力和绕翼型的环流之间的关系 建立了二维升力理论的数学基础 他还研究过螺旋桨的涡流理论以及低速翼型和螺旋桨桨叶剖面等 他的研究成果 对空气动力学的理论和
11、实验研究都有重要贡献 为近代高效能飞机设计奠定了基础 绪论 INTRODUCTION 23 流体力学的西方史 普朗特 L Prandtl 1875 1953 建立了边界层理论 解释了阻力产生的机制 以后又针对航空技术和其他工程技术中出现的紊流边界层 提出混合长度理论 1918 1919年间 论述了大展弦比的有限翼展机翼理论 对现代航空工业的发展作出了重要的贡献 卡门 T vonK rm n 1881 1963 在1911 1912年连续发表的论文中 提出了分析带旋涡尾流及其所产生的阻力的理论 人们称这种尾涡的排列为卡门涡街 在1930年的论文中 提出了计算紊流粗糙管阻力系数的理论公式 嗣后 在
12、紊流边界层理论 超声速空气动力学 火箭及喷气技术等方面都有不少贡献 绪论 INTRODUCTION 24 流体力学研究内容 流体动力学FluidDynamics 流体运动学FluidKinematics 流体静力学FluidStatics 绪论 INTRODUCTION 25 流体动力学的特例 研究外力作用下流体平衡的条件及压强分布 用几何观点来研究流体的运动而不涉及力的问题 用力学的观点来研究流体的运动 研究外力作用下流体的运动规律 及流体与固体间的相互作用 FluidStatics FluidKinematics FluidDynamics 绪论 INTRODUCTION 26 目录 绪论
13、 INTRODUCTION 27 流体力学的研究方法 绪论 INTRODUCTION 28 流体力学研究方法的比较 绪论 INTRODUCTION 29 绪论 INTRODUCTION 读书教材 参考书复习进一步消化认真做习题可讨论 交流 答疑 如何学习本门课程 30 绪论 INTRODUCTION 参考书目 夏泰淳 工程流体力学 及配套习题解析 上海交通大学出版社陈卓如 工程流体力学 第二版高等教育出版社丁祖荣 工程流体力学 上 下册 机械工业出版社丁祖荣 流体力学 上 中 下册 高等教育出版社吴望一 流体力学 上 下册 北京大学出版社庄礼贤 流体力学 中国科学技术大学出版社 31 目录 3
14、2 流体及其物理性质 FluidandItsProperties 流体通俗理解 能够流动的物质叫流体力学解释 在任何微小的剪切力的作用下都能够发生连续变形的物质称为流体 一 流体的定义和特征 33 流体与固体在力学特性上最本质的区别在于 二者承受剪应力和产生剪切变形能力上的不同 流体与固体的宏观差别 固体 可保持一定体积和形状液体 可保持一定体积不能保持形状气体 既不能保持体积也能不保持形状 流体及其物理性质 FluidandItsProperties 34 易流动性 定义 流体在静止时不能承受剪力 抵抗剪切变形的性质 流体及其物理性质 FluidandItsProperties 35 流体及
15、其物理性质 FluidandItsProperties 36 液体和气体的区别 流体及其物理性质 FluidandItsProperties 原因 分子间距不同导致分子间作用力不同 37 当受到物体扰动时 流体所表现出的是大量分子运动体现出的宏观特性变化如压强 密度等 而不是个别分子的行为 流体力学所关注的正是这样的宏观特征而不是个别分子的微观特征 连续介质 Continuum 的概念 分子间隙 连续介质 流体及其物理性质 FluidandItsProperties 38 流体质点概念 连续介质模型 流体及其物理性质 FluidandItsProperties 39 1 流体质点 也称流体微团
16、 是指尺度大小同一切流动空间相比微不足道且又含有大量分子 具有一定质量的流体微元 2 连续介质 质点连续地充满所占空间的流体或固体 流体及其物理性质 FluidandItsProperties 40 连续介质模型 把流体视为没有间隙地充满它所占据的整个空间的一种连续介质 且其所有的物理量都是空间坐标和时间的连续函数的一种假设模型 如u u t x y z 流体及其物理性质 FluidandItsProperties 优点 1 可以不考虑复杂的微观粒子运动 2 物理量是时空连续函数 则可以利用连续函数这一数学工具来研究问题 41 流体及其物理性质 FluidandItsProperties 表面力作用在所考虑的流体 或称分离体 表面上 与接触面积成正比 三 作用在流体上的力 表面力和质量力 表面力的合力 单位表面力的法向分力切向分力 42 流体及其物理性质 FluidandItsProperties 质量力作用在流体的每一个质点 或微团 上 与流体质量成正比 三 作用在流体上的力 表面力和质量力 总质量力 单位质量力f定义 43 特点 1 作用在流体体积上 随空间位置和时间变化 2 单位
