流体力学幻灯片第一章-绪论

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1、流体力学与流体机械,浙江工业大学,课程要求及考核方式,按时上课、不得迟到早退、发现三次本课程为不及格。 上课必须认真听讲，记笔记，不得做别事。 平时要独立完成作业，按时上交。 期末采取闭卷考试，考勤占10%，平时成绩占15%，实验占15%，期终考试占60。,船舶海洋,航空航天,大气环流,水利枢纽,石油勘探,流体机械,建筑桥梁,仿生推进,环境保护,交通堵塞,人体生命,材料特性,体育运动,化工过程,2019/5/3,10,第一章 绪 论,1.1 流体力学的研究对象、内容和方法 1.2 流体的特征及连续介质假设 1.3 流体的主要物理性质 * 1.4 流体力学在工程实践中的应用,2019/5/3,1

2、1,一、研究对象 流体力学以液体和气体为研究对象，故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。 流体力学定义：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规律及其实际运用的一门科学。,1.1 流体力学的研究对象、内容和方法,2019/5/3,12,二、研究内容,流、固体相互作用,流动规律,平衡规律,流体动力学,流体运动学,流体静力学,2019/5/3,13,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

3、仪器原理 使用方法,三、重点内容,明 确,熟 悉,2019/5/3,14,四、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,2019/5/3,15,五、流体力学的发展历程 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

4、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人,2019/5/3,16,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：,1686 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。,2019/5/3,17,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：,1738 伯努利,伯努利方程,第三

5、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，是理论流体力学的创始人。,2019/5/3,18,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：,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。,2019/5/3,19,II、中期发展阶段17世纪中叶至20世纪

6、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：,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,2019/5/3,20,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：,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。,2019/5/3,21,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

7、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,2019/5/3,22,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：,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“,2019/5/3,23,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：,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,

8、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。,2019/5/3,24,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。 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

9、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。,2019/5/3,25,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,2019/5/3,26,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

10、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,2019/5/3,27,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

11、算方法。,流体力学在中国,2019/5/3,28,李冰（公元前302-235）,都江堰,流体力学在中国,2019/5/3,29,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

12、,2019/5/3,30,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,2019/5/3,31,六、流体力学的研究方法 目前，解决流体力学问

13、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,2019/5/3,32,二）分析方法 (1)建立简化的数学模型，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)

14、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。,2019/5/3,33,三）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，

15、进行比较。 优点：许多用分析法无法求解的问题，用此法可以求得它们的数值解如果计算机的速度与容量继续提高，计算方法不断改进，它所起的作用，将愈来愈大，但其是一种近似方法，其结果仍应与实验或其它精确结果进行比较。 缺点：对复杂而又缺乏完善数学模型的问题，仍无能为力。,2019/5/3,34,穿过厚纸片的子弹的激波,飞机激波,航天飞机周围的激波,2019/5/3,35,涡街,液滴落在液面时的瞬间,2019/5/3,36,协和式飞机着陆时的流场,有攻角的锥头背风面的涡,2019/5/3,37,喷气式飞机外流场,机舱内空调气体流动模拟效果图,2019/5/3,38,宝马轿车的外流场显示图,车厢内的空气流

16、场,2019/5/3,39,海上石油平台的空气外流场,2019/5/3,40,单位制,SI 国际单位制 长度（米）m；质量（千克）kg；时间（秒）s； 电流强度（安培）A；热力学温度（开尔文）K； 物质的量（摩尔）mol；发光强度（坎德拉）cd。 常用单位换算关系 1千卡=4.187千焦耳；1千瓦=1.36马力； 1牛顿=1千克1米/秒2； 1焦耳=1牛顿1米。,2019/5/3,41,1.2 流体的特征及连续介质假设,一、物质物理属性比较 在常温常压下，物质可以分为固体、液体和气体三种聚集状态。 其基本属性： （1）由大量分子组成， （2）分子不断地作随机热运动， （3）分子与分子之间有相互作用力。 I 从宏观上看同体积内所包含的分子数目 气体液体固体 II 同样分子间距上的分子相互