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1、流体力学基础流体力学基础粘性流体动力学基础粘性流体动力学基础粘性流体力学粘性流体力学水力学与山区河流开发保护国家重点实验室2009年4月流体力学基础流体力学基础粘性流体动力学基础粘性流体动力学基础本课程主要内容粘性流体动力学基础粘性流体动力学基础湍流边界层理论流体力学基础流体力学基础粘性流体动力学基础粘性流体动力学基础流体力学发展简史人类在上古时代使用的武器从石块和棍棒发展到流线型的矛和带有羽毛的箭，说明人类对粘性流体的阻力已经早有认识，并在实践中加以了应用。但是对流体粘性理性的认识则可以说是从1687年牛顿牛顿(Isac Newton，1642年一1727年)著名的粘性流动试验开始。牛顿发现
2、了几乎所有的普通流体，像水与空气等，其阻力与流速梯度成线性关系。为了纪念牛顿，这样的流体称为牛顿流体。流体力学基础流体力学基础粘性流体动力学基础粘性流体动力学基础流体力学发展简史 历史上，流体力学一直沿着理论的和实验的两个不同的途径发展。理论流体力学由于17历年欧拉欧拉(Euler,1707年1783年)方程的提出，对于不考虑粘性的理想流体流动已逐渐达到完美的程度。遗憾的是理想流动的解往往与试验结果和真实流动相差甚远，以至相反。1752年达朗贝尔达朗贝尔( D Lambert,1717年1783年)发表了他著名的达朗贝尔佯谬，指出在一个无界、理想不可压缩流体中，物体作匀速直线运动时的阻力为零。
3、稍后拉普拉斯拉普拉斯(Laplace，1749年1827年)，拉格朗日拉格朗日(Lagrange,1736年1813年)等人把理想流体运动的研究推向了新的高峰。但是，达朗贝尔佯谬的结论对从事实际工程的工程师来说是无法接受的，从而工程师们为了解决生产和技术发展中提出的流体运动问题而发展了高度经验性的一门流体力学的分支-水力学水力学(Hydraulics)。流体力学基础流体力学基础粘性流体动力学基础粘性流体动力学基础流体力学发展简史理论流体力学进一步的发展是从1821年开始，纳维纳维(Navier，1785年1836年)等人开始考虑将分子问的作用力加人到欧拉方程中去。1845年斯托克斯斯托克斯(S
4、tokes，1819年1903年)将这个分子间的作用力用粘性系数miu表示，并正式完成了纳维斯托克斯方程，最终建立了粘性流体力学的基本方程，奠定了近代粘性流体力学的基础。但是，由于方程式的非线性，解此方程，在数学上碰到了很大的困难。因此，一直到19世纪末，理论的和实验的流体力学仍然各自独立地发展。流体力学基础流体力学基础粘性流体动力学基础粘性流体动力学基础流体力学发展简史 20世纪初，德国工程师普朗持普朗持(Prandtl，1875年1953年)由于提出边界层理论边界层理论，而对流体力学，持别是粘性流体力学的发展做出了卓越的贡献。普朗特提出在雷诺数很大的情况下，粘性的作用主要局限在绕流物体或其
5、他流动边界的固体壁面附近很薄的一层流动中，这个薄层称为边界层。边界层外部流动则可按理想流动处理。这一设想克服了粘性流动求解中数学上的巨大困难。根本上解决了流动阻力和能量损失这样重大的粘性流动问题。边界层理论的提出使理论和实验完美地统一起来，从而使流体力学的两个分支理想流体力学和水力学逐渐结合和统一，使流体力学得到划时代的发展。流体力学基础流体力学基础粘性流体动力学基础粘性流体动力学基础达郎贝尔佯谬D Alembert paradox理想不可压缩流体绕任意剖面的不脱体绕流问题中物体不遭受任何阻力，这与实际是不符合的，产生佯谬的根本原因是没有考虑粘性的作用。Viscous / ideal理想流体与
6、真实流体的区别：是否考虑粘性 流体力学基础流体力学基础粘性流体动力学基础粘性流体动力学基础流动的粘性效应1.流体的粘性流体的粘性2.圆柱绕流3.二元翼型绕流4.管内流动流体力学基础流体力学基础粘性流体动力学基础粘性流体动力学基础 流体具有粘性，它表现在当流体内部各层以不同的速度运动时，它们相互之间有摩擦力。流体沿着固体劈面流动时，流体与固体壁之间也存在着摩擦力，例如把水从瓶子中倒出来要比把油从瓶子中倒出来容易得多，这是由于水的沽性要比油小的缘故。对于水和油等液体的粘性，日常生活对于水和油等液体的粘性，日常生活中都可以观察到，不过，对于空气也具有这种粘性，也许中都可以观察到，不过，对于空气也具有
7、这种粘性，也许有不少人难以相信。有不少人难以相信。两块圆板A与B平行地放置，中间留有很小的绕隙，圆板B与一小电动机相连。开始时，A与B盘都处于静止状态。随后启动小电动机，B盘开始转动，过了一会儿，A盘也会跟着转动起来，且越转越快，直到A盘转速接近B盘为止。这就表明空气有粘性，当B盘转动时，带动附近一层空气跟着转动，这层空气又带动相邻的一层空气转动，这样一层带动一层，最店带动紧贴着A板的一层空气转动于是这层空气带动A板跟着转动起来了。流体力学基础流体力学基础粘性流体动力学基础粘性流体动力学基础两块相距为b的平行平板，它们之间充满着某种流体，这两块乎板具有足够的长度。让下板B静止不动，用力F拖动A
8、板，使A板以速度U作匀速直线运动从试验可以发现，紧贴A板的一层流体与A板以同样的速度U运动，而静贴B板的流体则与B板具有同样的速度，即速度为零。当速度U不是很大时，两板之间某点y处的流体速度与距离满足线性关系。粘度单位粘度单位：s/m2=Pas=帕秒，随温度升高而降低。20。C，水的粘度约为1.00210-3Pas，空气的粘度1.8110-5Pas运动粘性系数运动粘性系数：动力粘度/密度 m2/s，水1.0110-6 m2/s流体力学基础流体力学基础粘性流体动力学基础粘性流体动力学基础Newtonian and Non-Newtonian fluids流体力学基础流体力学基础粘性流体动力学基础
9、粘性流体动力学基础圆柱绕流卡门涡街及其应用流体力学基础流体力学基础粘性流体动力学基础粘性流体动力学基础卡门涡街现象卡门涡街卡门涡街（Krmn vortex street）。在流体中安置阻流体，在特定条件下在阻流体下游的两侧，会产生两道非对称地排列的旋涡旋涡，其中一侧的旋涡循时针方向转动，另一旋涡则反方向旋转，这两排旋涡相互交错排列，各个旋涡和对面两个旋涡的中间点对齐，如街道两边的街灯般，这种现象，因匈牙利裔美国美国空气动力学家西奥多冯卡门最先从理论上阐明而得名卡门涡街卡门涡街。河水流过障碍物时，经常可见卡门涡街。冯卡门曾在意大利北部博洛尼亚的一所教堂裡，目睹一幅圣克里斯托弗背负少年基督，赤足渡
10、河的油画，画家画出圣克里斯托弗的脚跟在河水中造成两排交错的旋涡，冯卡门说，这是卡门涡街最早的记录。流体力学基础流体力学基础粘性流体动力学基础粘性流体动力学基础卡门涡街发现历史1911年，西奥多西奥多冯冯卡门卡门在德国哥廷根大学空气动力学家路德维希路德维希普朗特普朗特手下任助教。当时普朗特正研究边界层现象，他命一位攻读博士学位的研究生卡尔卡尔希门茨（希门茨（Karl Hiemenz）设计一个流水槽，以便观察流水经过一个圆柱体时的边界层，並令希门茨测量圆柱体表面上不同点的压力。希门茨发现圆柱体表面的压力并非如预期的平稳，而是剧烈地振动。他将这个情况向普朗特汇报，普朗特说，“你的圆柱体显然不圆”。希
11、门茨细心将圆柱体磨了又磨，测了又测，不见改进。冯卡门走过实验室时不在意地问道：“卡尔，怎么样了”？卡尔答道“还是振动”，过几天又问：“卡尔，怎么样了？”，“还是振动得厉害”。这引起冯卡门注意了，他想“也许振动不是偶然的，而是由内在原因决定的”。于是冯卡门从理论上进行思考，起初他设想圆柱体后的水流形成两道对称排列但反方向的旋涡，但发现这种状态不能维持，很快不稳定。于是他假设两道旋涡交错排列，计算结果表明这种状态能够维持。冯卡门将计算结果向导师普朗特报告。普朗特命冯卡门写出论文发表。这是冯卡门的第一篇论文，也是他的成名之作。冯卡门关于卡门涡街的理论被后来的实验证实。“卡门涡街”的名称，沿用至今。K
12、arman, Th. von, Uber den Mechanismus des Widerstandes,den ein bewegter Korper in einer Flusigkeit erfarhrt, Gottingen Nachrichten mathematiche-physicalische Klasse (1911) 509-517. 流体力学基础流体力学基础粘性流体动力学基础粘性流体动力学基础卡门涡街频率卡门涡街起因流体流经阻流体时，流体从阻流体两侧剥离，形成交替的涡流。这种交替的涡流，使阻流体两侧流体的瞬间速度不同。流体速度不同，阻流体两侧受到的瞬间压流体速度不同，阻
13、流体两侧受到的瞬间压力也不同，因此使阻流体发生振动。力也不同，因此使阻流体发生振动。振动频率与流体速度成正比，与阻流体的正面宽度成反比。卡门涡街频率与流体速度和阻流体(旋涡发生体)宽度有如下关系：f=SrV/d 其中：f=卡门涡街频率 Sr=斯特劳哈尔数斯特劳哈尔数 (0.2) V=流体速度 d=阻流体迎面宽度 流体力学基础流体力学基础粘性流体动力学基础粘性流体动力学基础小结 由这个例子可以看出理想流动与粘性流动的明显不同。它们的流谱、流速分布、壁面压强与切应力均有很大区别。而且粘性流动表现得更为复杂多佯。同样的流动边界层随雷诺数的不同而有着不向的流谱、流速分布、压强分布、阻力规律、层流与紊流
14、边界层的形成及其与绕植物体壁面的分离、尾流的形成与发展等等。流体力学基础流体力学基础粘性流体动力学基础粘性流体动力学基础二元翼型绕流看教材流体力学基础流体力学基础粘性流体动力学基础粘性流体动力学基础管内流动粘性流体自水罐中稳定地流入圆管，由于流体粘性作用，在管壁附近形成边界层流动。边界层厚度顺流向逐渐增加、并由层流边界层经过转捩发展为紊流边界层。当边界层厚度发展到管道中心整个管道中均成为边界层流动。再经过一个短距离的调整、形成“充分发展紊流” ，此后管道内的流速分布剖面将不再变化。由管道进口到充分发展紊流(或称充分发展管流)这一段称为进口段。流体力学基础流体力学基础粘性流体动力学基础粘性流体动
15、力学基础层流和紊流雷诺实验ru2与惯性力成正比，mu/d与粘性力成正比，由此可见，雷诺准数的物理意义是惯性力与粘性力之比。 流体力学基础流体力学基础粘性流体动力学基础粘性流体动力学基础层流与紊流湍流湍流，也称为紊流紊流，是流体流体的一种流动状态。当流速很小时，流体分层流动，互不混合，称为层流，或称为片流；逐渐增加流速，流体的流线开始出现波浪状的摆动，摆动的频率及振幅随流速的增加而增加，此种流况称为过渡流；当流速增加到很大时，流线不再清楚可辨，流场中有许多小漩涡，称为湍流，又称为乱流、扰流或紊流。 这种变化可以用雷诺数来量化。雷诺数较小时，黏滞力对流场的影响大于惯性力，流场中流速的扰动会因黏滞力
16、而衰减，流体流动稳定，为层流；反之，若雷诺数较大时，惯性力对流场的影响大于黏滞力，流体流动较不稳定，流速的微小变化容易发展、增强，形成紊乱、不规则的湍流流场。流体力学基础流体力学基础粘性流体动力学基础粘性流体动力学基础层流到紊流过渡流态转变时的雷诺数值称为临界雷诺数。临界雷诺数与流场的参考尺寸有密切关系。一般管道流雷诺数Re2100为层流状态，Re4000为湍流状态，Re21004000为过渡状态。绝对稳定层流状态，第一临界雷诺数以下过渡状态无条件不稳定及湍流状态 第二临界雷诺数以上有效地描述湍流的性质，至今仍然是物理学中的一个重大难题。 流体力学基础流体力学基础粘性流体动力学基础粘性流体动力
17、学基础有关湍流的举例有关湍流的举例香烟产生的烟。在最初的几厘米,烟的流场是层流,随着热空气的向上加速,烟就开始变得不稳定形成了湍流。与此类似，空气中污染的扩散就是由湍流主宰的。 F1赛车高速转弯时，前车尾部造成的湍流使后车前定风翼下压力损失约30%。如果距离前车太近，会造成转向不足。 流体力学基础流体力学基础粘性流体动力学基础粘性流体动力学基础三万英尺 迪克牛仔爬升速度将我推向椅背模糊的城市慢慢地飞出我的视线呼吸提醒我活着的证明飞机正在抵抗地球我正在抵抗你远离地面快接近三万英尺的距离思念像粘着身体的引力还拉着泪不停地往下滴逃开了你我躲在三万英尺的云底每一次穿过乱流的突袭每一次穿过乱流的突袭紧紧
18、地靠在椅背上的我以为还拥你在怀里回忆像一直开着的机器趁我不注意慢慢地清晰反覆播映后悔原来是这么痛苦的会变成稀薄的空气会压得你喘不过气要飞向那里能飞向那里愚笨的问题我浮在天空里自由的很无力迪克牛仔，原名林进璋，歌迷通常亲切地称他“老爹”。迪克牛仔从25岁开始舞台生涯，曾组团演唱，历尽坎坷，直到40岁时机遇来临，迅速成为家喻户晓的当红歌星。他最常说的一句话是：“没有一千次的挫折，一万次的失败，就不会有迪克牛仔。”如今，在香港、台湾，迪克牛仔在有几千个座席的场所举行独唱音乐会，几个小时门票就会销售一空。迪克牛仔演唱的一言难尽、爱等歌曲在歌迷中广为传唱，他的成功被演艺界誉为“台湾传奇”。 有多少爱可以重来水手死心塌地解脱爱如潮水酒干倘卖无梦醒时分你知道我在等你吗爱无罪忘记我还是忘记他放手去爱三万英尺爱你的宿命风飞沙我这个你不爱的人心动值得为爱向前跑不可以流泪最后一首歌 流体力学基础流体力学基础粘性流体动力学基础粘性流体动力学基础主要参考资料流体力学基础流体力学基础，清华大学工程力学系潘文全主编，机械工业出版社，1983年10月粘性流体力学粘性流体力学，章子雄 董曾南，清华大学出版社，2003年9月流体力学流体力学，吴望一， 北京大学出版社，2006年12月流体力学习题集工程流体力学流体力学基础流体力学基础粘性流体动力学基础粘性流体动力学基础主要参考教材
