工程流体力学2012年

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1、1动力工程系20122流体力学是力学的一个分支，它主要研究流体本身的静止状态和运动状态，以及流体和固体界壁间有相对运动时的相互作用和流动的规律。 研究内容研究内容第1章 绪论第2章 流体静力学第3章 流体运动学第4章流体动力学微分形式的基本方程第5章 恒定平面势流第6章 边界层理论基础第7章 流体动力学积分形式的基本方程第8章 恒定有压管流第9章 明渠恒定流动第10章孔口与管嘴出流以及堰流与闸孔出流补充内容 量纲分析与相似理论 341、实验法优点：能直接解决生产中的复杂问题，并能发现新现象和新问题，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，所得结果的普遍适用

2、性差。2、理论分析法优点：明确给出各种物理量和运动参量之间的变化关系，有较好的普遍适用性。缺点：数学上的困难，能得出解析解的数量有限。3、数值计算法优点：许多分析法无法求解的问题可得出它的数值解。缺点：对复杂而又缺乏完善的数学模型，仍无能为力。5第一章 绪论 流体力学任务及发展概况 流体的特征和连续介质假设 流体的主要物理性质 流体的分类6 流体力学任务及发展概况 流体的特征和连续介质假设 流体的主要物理性质 流体的分类7流体力学是在人类同自然界相 互作用和在生产实践中逐步发 展起来的。古代中国有大禹治水疏通江河的传说；西汉时期利用孔口出流原理发 明的计时工具：刻漏 铜壶滴漏日天壶夜天壶平水壶

3、受水壶箭尺8公元前256年至公元前210年间修建的都江堰、郑 国渠和灵渠，充分表明当时我国劳动人民对流体流 动规律的认识已达到相当高的水平。9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。 10直到15世纪，意大利达芬奇的著作谈到水 波、管流、水力机械、鸟的飞翔原理等问题； 17世纪，帕斯卡阐明了静止流体中压力的概念 。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提出了牛顿粘性定律。 11之后，法国皮托

4、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，建立了欧拉方程 ，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。12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，从此开始了用微分方程和实验测量进行流体运动定量研究的阶段。 13从18世纪起，位势流理论有了很大进展，在水波、潮汐、涡旋运动、声学等方面

5、都阐明了很多规律。法国拉格朗日对于无旋运动，德国赫尔姆霍兹对于涡旋运动作了不少研究。1419世纪，工程师们为了解决许多工程问题，尤其是要解决带有粘性影响的问题。于是他们部分地运用流体力学，部分地采用归纳实验结果的半经验公式进行研究，这就形成了水力学(hydraulics)。151822年，纳维建立了粘性流体的基本运动方程；1845年，斯托克斯又以更合理的基础导出了这个方程。这组方程就是沿用至今的纳维-斯托克斯方程(简称N-S方程)，它是流体动力学的理论基础。 16普朗特学派从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

6、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。以儒科夫斯基、恰普雷金、普朗克等为代表 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。 17以这些理论为基础，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。此后，流体力学又发展了许多分支，如高超声速空气

7、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。1819从50年代起，在计算机技术的不断完善，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CFD(computational fluid dynamics )这一新的分支学科。20基础理论部分有：紊流、流动稳定性与过渡、涡流动力学和非定常流等。交叉学科有：计算流体力学、实验流体力学、流体机械流体力学、可压缩气体力学、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、渗流流体力学等等。2122 流体力学任务及发展概况 流体的特征和连续介质假

8、设 流体的主要物理性质 流体的分类23一、流体的基本特征一般上，我们把气体和液体通称为流体。流体在力学性能上的两个特点： 流体几乎不能承受拉力； 在静止状态下不能承受剪切力。流体的这两个特点简称为的流体易流动性，它既是流体命名的由来，也是区别于固体的根本标志。 24二 质点的概念 流体质点就是流体中“宏观尺寸非常小而微观尺寸 又足够大”的任意一个物理实体。流体质点具有下述四层含意：1.流体质点的宏观尺寸非常小。宏观体积极限为零。2.流体质点的微观尺寸足够大。流体质点的微观体积必然大于流体分子尺寸的数量级，这样在流体质点内 任何时刻都包含有足够多的流体分子，个别分子的行为不会影响质点总体的统计平

9、均特性。 253.流体质点是包含有足够多的分子在内的一个物理实体，因而在任何时刻都应该具有一定的宏观物理量。例如流体质点具有质量，密度，温度，压强，流速，动量，动能等等。4.流体质点的形状可以任意划定，因而质点和质点之间可以完全没有空隙，流体所在的空间中，质点紧密相连，无所不在。 26三 连续介质假定假定流体是由无穷多个，无穷小的，紧密毗邻，连绵不断的流体质点所组成的一种绝无间隙的连续介质。 通常把当中的任意小的一个微元部分叫作流体微团，当流体微团的体积无限缩小并以某一坐标点为极限时，流体微团就成为处在这个坐标点上的一个流体质点，它在任何瞬时都具有一定的物理量 。 27因而在连续介质假定下，流

10、体质点的一切物理量必然都是坐标与时间变量的单值，连续，可微函数，从而形成各种物理量的标量场和矢量场，这样我们就可以顺利的运用连续函数和场论等数学工具研究流体运动和平衡问题。28 流体力学任务及发展概况 流体的特征和连续介质假设 流体的主要物理性质 流体的分类29一、流体的密度和相对密度 在流体中任取一个流体微团，其微元体积为 ，微元质量为 。当微元无限小而趋近流体质点 时，定义：一点上流体密度为30如果流体是均质的，则流体密度可表示为!注意： 均质流体指在空间上质量分布是均匀的，但流体密度和体积仍然是可以随温度和压强而变化的。 31相对密度 指物体质量与4摄氏度下同样体积蒸馏水质量之比，是无量

11、纲数。如用下角标w代表蒸馏水的相应物理量，则流体相对密度为 如钢的相对密度7.8。32二、流体压缩性与体积压缩率流体不能承受拉力，可以承受压力。流体受到压力作用后体积或密度发生变化的特性称为压缩性。当温度不变时，体积相对变化量 与 之比值称为流体的等温压缩率,用 表示，即单位符号是 (或 )希腊字母，读卡帕33流体的体积模量表征流体压缩性的另一种形式的单位符号是 (或Pa)。 34流体压缩率 的物理意义：当温度不变时，每增加单位压强所产生的流体体积相对变化率。所以， 越大，流体越容易被压缩。 流体体积模量 的物理意义：当温度不变时，每产生一个单位体积相对变化率所需要的压强变化量.所以， 值越大

12、表示流体越不容易压缩. 35三、流体粘性与牛顿内摩擦定律粘性（粘滞性）定义：因发生相对运动的流体质点（或流层）之间所呈现的内 摩擦力以抵抗剪切变形（相对运动）的物理特性。或发生相对运 动时流体内部呈现内摩擦力特性。库仑用液体内悬吊圆盘摆动实验证实流体存在内摩擦。说明： 粘性产生的原因是由于分子间的引力 理想流体不表现出粘性 静止流体不表现出粘性牛顿对下图所示的流体进行实验研究,发现推动上板的外力 与上板运动速度 及摩擦面积 成正比,与两板之间的微小距离 成反比,比例常数 与充入两板之间的流体种类及其温度,压强状况有关.36根据实验可得流体对上板的摩擦力为流体中的切应力为3738一般情况下，有时

13、液流横截面速度分布u=u（y）不一定是直线规律,如下图所示,此时液流截面上一点的速度梯度是y坐标的函数,因而液流中的切应力也是y坐标的函数,其大小为上式称为牛顿内摩檫定律,其物理意义为切应力与速度梯度成正比。39流体的粘度 流体的动力粘度定义为单位：Pas 流体的运动粘度定义为单位：40 流体力学任务及发展概况 流体的特征和连续介质假设 流体的主要物理性质 流体的分类41根据不同的方式，可对流体进行分类：1.根据是否符合牛顿内摩擦定律，分为牛顿流体与 非牛顿流体。2.根据流体的组成分为均质流体与非均质流体。3.根据压缩性可分为不可压缩流体与可压缩流体。4.根据是否考虑流体的粘性分为无粘性流体与

14、粘性 流体。42 流体力学任务及发展概况 流体的特征和连续介质假设 流体的主要物理性质 流体的分类小 结1、流体力学的任务是研究流体的平衡与宏观机械运动规律。2、引入流体质点和流体的连续介质模型假设，把流体看成没有间隙的连续介质，则流体的一切物理量都可看作时空的连续函数，可采用连续函数理论作为分析工具。3、流体的压缩性，一般可用体积压缩系数 和体积模量 来描述。在压强变化不大时，液体可视为不可压缩流体。 4、粘性是流体最重要的物理性质。它是流体运动时产生内摩擦力，抵抗剪切变形的一种性质。不同流体粘性的大小用动力粘度 或运动粘度 来反映。温度是影响粘度的主要因素，随着温度升高，液体的粘度下降。理想流体是忽略粘性的假想流体。应重点理解和掌握的主要概念有：流体质点、流体的连续介质模型、 粘性、粘度、粘温关系、理想流体。流体区别于固体的特性。 还应熟练掌握牛顿内摩擦定律及其应用。43