工程流体力学第一章

12009年9月－2010年1月工程流体力学主讲：陈二云[e-mail]动力馆211叶轮机械与流体工程研究所教学安排学时数：64(54+10)（5-20）星期一、三上午(8:00-9:40)课程性质：专业基础必修课先修课程：1《高等数学》2《大学物理》3《理论力学》4《工程热力学》教学安排（续）教材：归柯庭《工程流体力学》科学出版社2003参考书：吴望一《流体力学》北京大学1983丁祖荣《流体力学》上册高等教育出版社2003丁祖荣《流体力学》上册高等教育出版社2003孔珑《流体力学》Ⅰ高等教育出版社2003孔珑《流体力学》Ⅱ高等教育出版社2003陈卓如《工程流体力学》第二版高等教育出版社2004成绩评定方法课后习题20%上机实习10％考勤10％考试60%主要内容第一章流体及其物理性质第二章流体静力学第三章流体流动特性第四章流体动力学分析基础第五章量纲分析与相似原理第六章不可压缩粘性流体的内部流动第七章不可压缩粘性流体的外部流动第八章可压缩流体的流动第九章计算流体力学简介一、绪论第一章流体及其物理性质1、流体的定义及特征2、流体力学的发展史3、流体力学在工程中的应用4、流体力学的研究内容及方法1、国际单位制2、流体的连续介质假设二、国际单位制和流体的连续介质假设三、流体的物理性质1、流体的密度2、流体力学的压缩性和膨胀性3、流体的粘性4、液体的表面张力2流体：2）在任何微小剪切力的作用下都能够发生连续变形的物质称为流体。（力学定义）★1）液体和气体的统称，它们没有一定的形状，容易流动。（一般定义现代汉语词典，不完全）a、能承受压力；特征：§1.1、流体的定义及特征b、不能承受拉力；c、易流动；d、无固定的形状。阿基米德萌芽期（17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大禹治水/李冰父子的都江堰古代的计时器（刻漏与沙漏）阿基米德定律达芬奇大禹治水图达芬奇§1.2、流体力学的发展史快速发展时期（17世纪后半叶-19世纪）特点：理论和实验研究方法建立、形成流体动力学、水力学两分支牛顿（1642-1727）英国伟大的数学家、物理学家、天文学家和自然哲学家。最卓越的贡献：微积分和经典力学的创建。1687年，他在名著《自然哲学的数学原理》中讨论了在流体中运动的物体所受到的阻力与流体密度、物体迎流截面积以及运动速度的平方成正比的关系。针对粘性流体提出了牛顿粘性定律。使流体力学开始成为力学中的一个独立分支。§1.2、流体力学的发展史（续）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。牛顿丹.伯努利（D.Bernoulli,1700－1782）（瑞士）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。欧拉（L.Euler，1707－1783）（瑞士）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。§1.2、流体力学的发展史（续）伯努利家族3拉格朗日（J.-L.Lagrange,1736－1813）（法）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和非定常的平面无旋运动开辟了道路。拉格朗日§1.2、流体力学的发展史（续）纳维（C.-L.-M.-H.Navier）首先提出了不可压缩粘性流体的运动微分方程组。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）§1.2、流体力学的发展史（续）雷诺（O.Reynolds，1842-1912）（英）雷诺瑞利1883实验粘性流体两种流动状态──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。瑞利（L.J.W.Reyleigh，1842-1919英）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。§1.2、流体力学的发展史（续）帕斯卡（B.Pascal,1623-1662）（法国）帕斯卡原理。伽利略（Galileo,1564-1642）（意大利）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。被誉为“近代科学之父”。托里拆利（E.Torricelli,1608-1647）（意大利）论证了孔口出流的基本规律。皮托（Pitot,Henri1695.5.3-1771.12.27）（法国）发明了测量流速的皮托管达朗伯（J.leR.d‘Alembert,1717－1783）（法国）1744年提出了达朗伯疑题（又称达朗伯佯谬），即在理想流体中运动的物体既没有升力也没有阻力。从反面说明了理想流体假定的局限性。§1.2、流体力学的发展史（续）弗劳德（W.Froude，1810-1879）（英国）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（Helmholtz,1821-1894）和基尔霍夫（Kirchhoff,1824-1887）（德国）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。§1.2、流体力学的发展史（续）库塔（M.W.Kutta，1867－1944）（德）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）（俄）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。成熟发展期（20世纪初～20世纪中叶）特点：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。§1.2、流体力学的发展史（续）4普朗特（L.Prandtl，1875－1953）(德)卡门（T.vonKármán，1881-1963）（美籍匈牙利）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。此后，在紊流边界层理论、超声速空气动力学、火箭及喷气技术等方面都有不少贡献。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。§1.2、流体力学的发展史（续）布拉休斯（H.Blasius）（意）紊流光滑管阻力系数的经验公式。伯金汉（E.Buckingham）（美）提出了著名的π定理尼古拉兹（J.Nikuradze）（俄）砂粒粗糙管内水流阻力系数的实测结果--尼古拉兹曲线科勒布鲁克（C.F.Colebrook）（美）提出了把紊流光滑管区和紊流粗糙管区联系在一起的过渡区阻力系数计算公式。莫迪（L.F.Moody）（美实用管道的当量粗糙阻力系数图--莫迪图。§1.2、流体力学的发展史（续）20世纪中叶以后广泛的学科交叉与新分支：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、流体机械流体力学……难点问题：湍流模型、高精度、高分辨率的数值计算方法、多相流体力学的数值模拟§1.2、流体力学的发展史（续）中国的流体力学发展钱学森（1911－）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。§1.2、流体力学的发展史（续）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。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。吴仲华（WuZhonghua）周培源（1902－1993)§1.2、流体力学的发展史（续）排球足球网球游泳赛艇铁饼高尔夫球赛跑赛车标枪乒乓球羽毛球大部分竞技体育项目与流体力学有关§1.3、流体力学在工程中的应用5菲尔普斯第五泳姿流体力学水利航空航天航海交通运输气象石油化工流体机械建筑与环境§1.3、流体力学在工程中的应用（续）船舶的设计依赖我们对浮力定理与浮体稳定性的掌握，大型潜艇的舰体设计与推进系统更是离不开流体力学知识。空中加油美国无人机火箭导弹发射航空航天航海§1.3、流体力学在工程中的应用（续）水利§1.3、流体力学在工程中的应用（续）交通箱型甲壳虫船型鱼型楔型未来型§1.3、流体力学在工程中的应用（续）大气可怕的龙卷风（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害预报与控制、农业、渔业、航空航海等有积极意义。§1.3、流体力学在工程中的应用（续）6流体机械V管道内碟型阀门附近的速度分布风力机水轮机§1.3、流体力学在工程中的应用（续）涡轮喷气发动机动力机械§1.3、流体力学在工程中的应用（续）PDC钻头石油、化工能源的开采、输运、冶炼各环节均离不开流体力学知识。§1.3、流体力学在工程中的应用（续）建筑群对周边局部环境的影响建筑与环境§1.3、流体力学在工程中的应用（续）§1.4、流体力学的研究内容及方法研究内容：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。理论分析:力学模型－流体力学基本方程－求解－分析实验研究:相似原理－模化实验模型－实验－分析数值计算：根据理论分析的方法建立数学模型，选择合适的计算方法，包括有限差分法、有限元法、特征线法、边界元法等，利用商业软件和自编程序计算，得出结果，用实验方法加以验证。§1.4、流体力学的研究内容及方法（续）7§1.4、流体力学的研究内容及方法（续）可见，流体力学在自然界和一般的工程技术中随处可见，广泛应用于水利、机械、动力、化工、石油、土建、航空、航海、气象、环境等工程技术中，是一门十分有用的学科。总结让我们一起努力！！§1.5流体力学的常用量纲和单位1、量纲量纲即特征物理量，物理量单位的种类。流体力学的量纲有长度(L)、时间(t)、质量(m)、力(F)和温度(T)。2、单位单位是指量纲的度量大小，如长度的度量米/inch。SIUnits公制工