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1、工程流体力学工程流体力学课程基本情况学时学分：学时学分： 32学时，学时，2学分学分课程性质：课程性质：专业基础课专业基础课先修课程：先修课程：高等数学、大学物理、理论力学高等数学、大学物理、理论力学课程教材：课程教材：工程流体力学工程流体力学(第第2版版), 黄卫星等编，化学工业出版社黄卫星等编，化学工业出版社.参考书：参考书：普朗特流体力学基础普朗特流体力学基础, H. Oertel著，朱自强等译，科学出版社，著，朱自强等译，科学出版社，2011. 流体力学及其工程应用流体力学及其工程应用，E.J.Finnemore著，钱翼稷著，钱翼稷(j)等译，等译， 机械工业出版社，机械工业出版社，2
2、009.粘性流体动力学粘性流体动力学，陈矛章编，高等教育出版社，陈矛章编，高等教育出版社，2002化工流体力学化工流体力学，戴干策，戴干策 陈敏恒编，化学工业出版社，陈敏恒编，化学工业出版社，2005冯冯卡门传卡门传，冯，冯卡门著，曹开诚译，卡门著，曹开诚译，上海科学技术出版社。上海科学技术出版社。流体力学流体力学课程课程的主要任务：的主要任务： 研究流体与物体之间的相互作用以及流体在静止研究流体与物体之间的相互作用以及流体在静止或运动时所遵循的基本规律。或运动时所遵循的基本规律。“工程工程”“”“流体力学流体力学”课程的特点课程的特点: :1. 专业基础课由专业基础课由 基础基础 向向 专业
3、专业 过渡的一门课程；过渡的一门课程；2. 是工科学生必须具备的一门基础知识；是工科学生必须具备的一门基础知识；3.“工程工程”“流体力学流体力学” 流体力学流体力学严格的基础理论严格的基础理论【物理物理力学力学流体力学流体力学】+) 工程工程 的作风做法的作风做法 【近似、简化、工程误差要求近似、简化、工程误差要求】流体力学流体力学 留级力学留级力学？ 流体力学在工程中的应用流体力学在工程中的应用 (为什么要学) 大雁的飞行团队大雁的飞行团队人类在空气、水中的运动人类在空气、水中的运动 鸟类飞行鸟类飞行 船船舶舶的的设设计计: 浮浮力力定理与浮体稳定性定理与浮体稳定性.大大型型潜潜艇艇的的舰
4、舰体体设设计计与与推推进进系系统统更更是是离离不不开开流流体体力力学学知知识。识。美国高超音速样机美国高超音速样机火箭导弹发射火箭导弹发射 航空航空/ /航海航海/ /国防国防 水利工程水利工程 19931993年青海沟后水库垮坝年青海沟后水库垮坝 19931993年年8 8月月2727日日夜夜间间，库库容容为为330330万万立立方方米米的的青青海海省省海海南南藏藏族族自自治治州州沟沟后后水水库库在在库库水水位位低低于于设设计计水水位位0.750.75米米的的情情况况下下突突然然垮垮坝坝失失事事，造造成成288288人人死死亡亡，4040人失踪人失踪, ,直接经济损失直接经济损失1.531.
5、53亿元亿元. . 水水利利部部专专家家组组调调查查认认定定，沟沟后后水水库库在在设设计计上上有有缺缺陷陷，施施工工中中又又存存在在严严重重的的质质量量问问题题，运运行行管管理理工工作薄弱。作薄弱。箱型箱型甲壳虫甲壳虫船型船型鱼型鱼型楔型楔型未来型未来型 地面交通工具地面交通工具 汽车的外形设计从最早期的箱型逐渐汽车的外形设计从最早期的箱型逐渐向今天的流线型过渡，反映了空气动向今天的流线型过渡，反映了空气动力特性对汽车性能的影响。力特性对汽车性能的影响。大气、海洋运动大气、海洋运动 可怕的龙卷风（可怕的龙卷风（tornado)tornado) 对大气运动、海洋环流运动及其相互作用的掌握对气候灾
6、害预对大气运动、海洋环流运动及其相互作用的掌握对气候灾害预报与控制、农业、渔业、航空航海等有积极意义。报与控制、农业、渔业、航空航海等有积极意义。流体机械和动力机械流体机械和动力机械 风力机风力机风扇风扇涡轮喷气发动机PDC钻头石油、化工石油、化工 能源的开采、输运、冶炼各环节均离不开流体力学知识。能源的开采、输运、冶炼各环节均离不开流体力学知识。建筑安全和环境建筑安全和环境 世贸大厦和上海环球金融大厦超高层建筑，大跨度桥梁等的设计和建造离不开风工程。超高层建筑，大跨度桥梁等的设计和建造离不开风工程。杨浦大桥 流体力学问题在自然界和一般的工程技术中随处可流体力学问题在自然界和一般的工程技术中随
7、处可见，广泛应用于见，广泛应用于水利、机械、动力、化工、石油、土建、水利、机械、动力、化工、石油、土建、航空、航海、气象、环境航空、航海、气象、环境等工程技术中，是一门十分有等工程技术中，是一门十分有用的知识。用的知识。 “万物皆流、万物皆变万物皆流、万物皆变”，要更好地认识世界，必须，要更好地认识世界，必须学习流体力学！学习流体力学！ 总结总结 流体力学的发展简介流体力学的发展简介 萌芽期（萌芽期（1717世纪中叶以前）世纪中叶以前） 特点：生产实践活动是发展动力、经验积累为主特点：生产实践活动是发展动力、经验积累为主 大禹治水大禹治水/ /李冰父子设计建造的李冰父子设计建造的都江堰都江堰
8、船船/ /帆船帆船 鲁班：会飞的木鸢鲁班：会飞的木鸢( (读yun ) ) 沙漏计时沙漏计时 阿基米德定律阿基米德定律 大禹治水图大禹治水图古箭古箭阿基米德阿基米德 快速发展期（快速发展期（1717世纪后半叶世纪后半叶-19-19世纪）世纪） 特点：理论和实验研究方法建立、特点：理论和实验研究方法建立、 形成流体动力学、水力学两分支形成流体动力学、水力学两分支 主要代表人物主要代表人物: : 1650 1650年帕斯卡年帕斯卡帕斯卡原理帕斯卡原理 16861686年牛顿年牛顿牛顿内摩擦定律牛顿内摩擦定律 17381738年伯努利年伯努利伯努利方程伯努利方程 17751775年欧拉年欧拉理想流体
9、的运动方程理想流体的运动方程 18831883年雷诺年雷诺雷诺实验雷诺实验 18231823年年 纳维、斯托克斯纳维、斯托克斯粘性流体的运动方程粘性流体的运动方程 成熟发展期（成熟发展期（2020世纪初世纪初2020世纪中叶）世纪中叶） 粘性流体力学得到相当发展，航空航天技术惊人发粘性流体力学得到相当发展，航空航天技术惊人发展，人类的飞行梦实现。展，人类的飞行梦实现。 代表人物：代表人物：库塔 M.W.Kutta，18671944 德国儒科夫斯基（,18471921）（俄国）普朗特（L.Prandtl，18751953）(德国)冯.卡门（T.von Krmn，1881-1963）（美籍匈牙利）
10、 20 20世纪中叶以后世纪中叶以后 广泛的学科交叉广泛的学科交叉与新分支：与新分支： 计算流体力学、实验流体力学、可压缩气体力学、环计算流体力学、实验流体力学、可压缩气体力学、环境流体力学、稀薄气体动力学、微尺度流体力学、磁流境流体力学、稀薄气体动力学、微尺度流体力学、磁流体力学、非牛顿流体力学、生物流体力学、多相流体力体力学、非牛顿流体力学、生物流体力学、多相流体力学、物理学、物理- -化学流体力学、流体机械流体力学化学流体力学、流体机械流体力学 难点问题难点问题：湍流、流动稳定性、非定常流湍流、流动稳定性、非定常流流体力学在中国流体力学在中国n周培源（19021993)n钱学森 （191
11、12009）n陆士嘉（19111986）n吴仲华（19171992） 流体力学的研究方法流体力学的研究方法 理论分析理论分析 力学模型流体力学基本方程求解分析力学模型流体力学基本方程求解分析 实验研究：实验流体力学实验研究：实验流体力学 相似原理实验模型实验分析相似原理实验模型实验分析 数值模拟：计算流体力学数值模拟：计算流体力学 （Computational Fluid Dynamics, CFD）全全课课程程分分章章目目录录1.流体的力学性质流体的力学性质2.流体流动的基本概念流体流动的基本概念3.流体静力学流体静力学4.流体流动的守恒原理流体流动的守恒原理5.不可压缩流体的一维层流流动不
12、可压缩流体的一维层流流动6.流体流动微分方程流体流动微分方程7.不可压理想流体平面流（合并到不可压理想流体平面流（合并到2）8.管内流体流动管内流体流动 (书上第书上第9章章)9.流体绕物流动流体绕物流动 (部份合并到部份合并到8)10.流体力学的实验研究方法流体力学的实验研究方法 (书上第书上第8章章)11.流体流动的数值模拟流体流动的数值模拟(CFD)基本概念基本概念基本原理基本原理 及及分析方法分析方法实验方法实验方法数值模拟数值模拟本科生本科生工程流体力学工程流体力学课程的主要内容课程的主要内容课程考核与成绩计算方法：课程考核与成绩计算方法：平时作业 课堂(点名、提问) 结束考试流体力
13、学流体力学 留级力学留级力学？第一章 流体的力学性质 1.1 流体、流体质点、连续介质假设流体、流体质点、连续介质假设1.2 流体的主要物理性质流体的主要物理性质 流体的流动性流体的流动性 流体的可压缩性流体的可压缩性 流体的粘滞性流体的粘滞性 作用在流体上的力作用在流体上的力 1.3 牛顿流体与非牛顿流体牛顿流体与非牛顿流体1.1 流体、流体质点、连续介质假设流体、流体质点、连续介质假设一、流体：一、流体：一、流体：一、流体： 液体和气体的总称。液体和气体的总称。流体是相对固体而言的。流体是相对固体而言的。流体是相对固体而言的。流体是相对固体而言的。 无固定的形状无固定的形状: 分子间距离大
14、，吸引力小分子间距离大，吸引力小 （对比固体？）（对比固体？） “水可方可圆，能环山襄陵；风无形无体，却能拔屋倒树水可方可圆，能环山襄陵；风无形无体，却能拔屋倒树”能承受压力，但不能承受拉力能承受压力，但不能承受拉力易流动性：易流动性： 剪切力剪切力是流体流动的充分且必要的条件是流体流动的充分且必要的条件力学中力学中“流体流体”的定义：的定义： 在在任任何何微微小小剪剪切切力力(shearforce)的的作作用用下下都都能能够够发发生生连续变形的物质称为流体。连续变形的物质称为流体。流体的基本特点流体的基本特点: :固体可以承受一定的剪切力而不至于宏观变形；但流体不能。不管剪切力多大（多小），
15、流体都会发生宏观运动：旋涡 （将进一步说明）。“ “流体经不起搓，一搓就搓起了涡流体经不起搓，一搓就搓起了涡流体经不起搓，一搓就搓起了涡流体经不起搓，一搓就搓起了涡” ”陆士嘉（陆士嘉（陆士嘉（陆士嘉（1911191119861986）著名流体力学家、力学教育家。北京航空学院的筹建者之一，创办了我国第一个空气动力学专业。二、流体质点及连续介质假设二、流体质点及连续介质假设二、流体质点及连续介质假设二、流体质点及连续介质假设 从微观角度看：流体分子之间存在空隙，流体物从微观角度看：流体分子之间存在空隙，流体物从微观角度看：流体分子之间存在空隙，流体物从微观角度看：流体分子之间存在空隙，流体物理量
16、的分布在空间和时间上都是不连续的。理量的分布在空间和时间上都是不连续的。理量的分布在空间和时间上都是不连续的。理量的分布在空间和时间上都是不连续的。 但宏观尺度看，即使是很小的体积中，包含的分但宏观尺度看，即使是很小的体积中，包含的分但宏观尺度看，即使是很小的体积中，包含的分但宏观尺度看，即使是很小的体积中，包含的分子数目也是十分巨大的。例如标准状态下子数目也是十分巨大的。例如标准状态下子数目也是十分巨大的。例如标准状态下子数目也是十分巨大的。例如标准状态下， 体积体积为为dV=10-9 mm3 的空气，分子数目：的空气，分子数目： 3x107。 流体力学中，感兴趣的是流体的宏观特性，即有流体
17、力学中，感兴趣的是流体的宏观特性，即有流体力学中，感兴趣的是流体的宏观特性，即有流体力学中，感兴趣的是流体的宏观特性，即有连续介质假设连续介质假设连续介质假设连续介质假设的提出。的提出。的提出。的提出。流体的连续介质（流体的连续介质（Continuum）假设）假设将流体看成由无限多个流体质点所组成的将流体看成由无限多个流体质点所组成的密集密集而而无间隙无间隙的的连续介质连续介质。流体质点：流体质点：不呈现流体个别分子无规则运动的最小部不呈现流体个别分子无规则运动的最小部分所包含的大量分子的组合。分所包含的大量分子的组合。Fluid particle Fluid particle 流体质点流体质
18、点 流体质点：微观上足够大、宏观上足够小、具有一流体质点：微观上足够大、宏观上足够小、具有一定体积的定体积的流体微团流体微团，各参数的统计平均特性即为流体，各参数的统计平均特性即为流体的宏观特性。的宏观特性。连续介质模型的数学表达式：连续介质模型的数学表达式： v v1 1流体平均密度随微团体积的变化流体平均密度随微团体积的变化 v v0 0 v v流体密度是物性参数流体密度是物性参数某种某种流体的密度主要与流体的密度主要与 温度温度T和和压强压强p有关，有关， 即即=（p,T)混合气体的密度混合气体的密度式中：式中： 1 1， 2 2， n n 各组分气体的密度各组分气体的密度 1 1， 2
19、 2， n n各组分气体所占各组分气体所占的体积百分数的体积百分数 采用连续介质假设的好处采用连续介质假设的好处 无需关心分子的微观运动无需关心分子的微观运动 流场参数为空间坐标的连续函数流场参数为空间坐标的连续函数 连连续介质假设的续介质假设的合理性合理性 失效状态失效状态 外太空气体十分稀薄外太空气体十分稀薄 激波激波 微尺度流动（微尺度流动（MEMS-MEMS-微机电系统）微机电系统） 教科书教科书P2提提“连续介质模型连续介质模型”有有3条要点，其实归结条要点，其实归结为只有一个要点：为只有一个要点： 假设流体的任一物理参数假设流体的任一物理参数（密度、压力、速度、温（密度、压力、速度
20、、温度等等），都是空间坐标和时间的连续可导函数，度等等），都是空间坐标和时间的连续可导函数， = (x, y, z, t)1.2.1流体的易流动性流体的易流动性 （如前所述）（如前所述）1.2 流体的力学性质流体的力学性质1.2.2流体的可压缩性流体的可压缩性 （Compressibility）体积压缩系数：体积压缩系数：一定温度下单位压力变化引起的体积的一定温度下单位压力变化引起的体积的相对收缩相对收缩 。体积弹性模数体积弹性模数: 单位体积的相对变化所需要的单位体积的相对变化所需要的压力增量压力增量.恒为正，单位：1/Pa,m2/Np 越大可压缩性越大。恒为正，单位与压力相同：PaEV 越
21、大可压缩性越小。和流体密度相似，和流体密度相似，p和和和和 EV 也都是也都是也都是也都是物性参数物性参数物性参数物性参数。液体和气体的可压缩性显著不同：液体和气体的可压缩性显著不同：例：例：20和标准大气压下水和标准大气压下水EV2109Pa,求当压力增求当压力增大大1atm（ 1.013105Pa ）时体积减小率为多少？）时体积减小率为多少？ 气体的压缩性与压缩的热力学过程有关气体的压缩性与压缩的热力学过程有关，受具体过程，受具体过程参数的影响也较大，但整体上压缩性表现较易于压缩。参数的影响也较大，但整体上压缩性表现较易于压缩。空气空气EV 105 N/m2例：例：理想气体理想气体液体的可
22、压缩很小液体的可压缩很小，是难于压缩的流体，而且其可压，是难于压缩的流体，而且其可压缩性（缩性（ p或或EV ）受温度和压力的影响也相对较小。）受温度和压力的影响也相对较小。可压缩流体与不可压缩流体可压缩流体与不可压缩流体可压缩流体与不可压缩流体可压缩流体与不可压缩流体严格地说，绝对不可压缩流体是不存在的严格地说，绝对不可压缩流体是不存在的;真实的流体真实的流体都是可压缩的。都是可压缩的。当当当当 p p 引起的引起的引起的引起的 很小时，可认为此时流体为不可压：很小时，可认为此时流体为不可压：很小时，可认为此时流体为不可压：很小时，可认为此时流体为不可压： constEV 流体是否是可压缩，
23、判断的主要依据是：可压缩性对流体是否是可压缩，判断的主要依据是：可压缩性对流体流动影响的大小。流体流动影响的大小。水通常为不可压，但水中爆炸、水击（水锤）是可压；水通常为不可压，但水中爆炸、水击（水锤）是可压；空气通常被认为可压，但流速空气通常被认为可压，但流速 内聚力内聚力液面上升液面上升附着力附着力 内聚力内聚力液面下降液面下降毛细现象毛细现象: :液体在细管中能液体在细管中能上升上升或或下降下降的现象的现象. h h h h的影响因素的影响因素的影响因素的影响因素：液体种类，管径、管子材料，液面上流体：液体种类，管径、管子材料，液面上流体种类及温度种类及温度注意注意注意注意：工程中通常忽
24、略毛细现象，但细管测量不可忽略：工程中通常忽略毛细现象，但细管测量不可忽略：工程中通常忽略毛细现象，但细管测量不可忽略：工程中通常忽略毛细现象，但细管测量不可忽略管内液柱高管内液柱高h: h: 液柱所受表面液柱所受表面张张力的力的总和与总和与液柱的重量液柱的重量静静力平衡力平衡求蜻蜓的体重Cross-sectionof bug legq 设设: s = 7.3x10-2 N/m q = 25共有六条腿、每条腿与水面接触长度为5mm.拉普拉斯公式拉普拉斯公式( (见见P8P8）弯曲液面附加的压力差1.3 牛顿流体与非牛顿流体牛顿流体与非牛顿流体牛顿流体：牛顿流体： 切应力与速度梯度之间呈切应力与
25、速度梯度之间呈线性关系线性关系，即，即动力黏性系数动力黏性系数为流体的为流体的物性参数物性参数（通常只与（通常只与流体种流体种类类、温度温度、压力压力有关，对一定种类的流体，有关，对一定种类的流体， 随温度随温度和压力的变化很小，可近似认为是常数）。和压力的变化很小，可近似认为是常数）。非牛顿流体：非牛顿流体：切应力与速度梯度之间是切应力与速度梯度之间是非线性关系非线性关系，即使写成一次关系式的形式，即使写成一次关系式的形式， 也也不是物性参数而是不是物性参数而是du/dy 的函数的函数。这时切应力与。这时切应力与du/dy的比值称作的比值称作表观表观粘度粘度(apparent viscosity)，记作记作 ，单位与黏性系数，单位与黏性系数相同相同。非牛顿流体的类型很多（工程中最广泛的是幂率流体）非牛顿流体的类型很多（工程中最广泛的是幂率流体），非常复杂，本课程不详细研究非牛顿流体。，非常复杂，本课程不详细研究非牛顿流体。作业：作业：P11-12P11-121-2, 1-51-2, 1-5广义牛顿切应力公式：广义牛顿切应力公式：牛顿流体牛顿流体非牛顿流体非牛顿流体本课小结本课小结
