工程流体力学课件-孔珑-第四版

工程流体力学主讲：张勇课时：32学时教材：孔珑.工程流体力学.中国电力出版社(第3版)第一章绪论(前言/序言/概述)《工程流体力学》课程教学课程的研究内容课程的研究方法课程的科技地位课程的专业地位课程的内容目录课程的基本要求《工程流体力学》——第一章绪论一、课程的研究内容四大力学的重要分支《理论力学》、《流体力学》、《弹性力学》、《材料力学》《流体力学》是研究流体的平衡、运动规律的科学。包括：静力学——“静止”流体的平衡条件、压力分布；运动学——流体运动的特征、规律；动力学——在外力作用下流体的运动规律及固体壁面的作用力、阻力；二、课程的研究方法《工程流体力学》——第一章绪论研究方法进行步骤优点缺点理论分析建立理论模型→建立方程组与定解条件→求解析解→算例验证普适性好数学难度大，分析解有限实验研究建立实验模型并选取实验介质→测定有关物理量→拟合实验数据找出准则方程式发现新现象、新原理，验证其它方法得到的结论普适性差数值计算建立理论模型→建立方程组与定解条件→编制计算程序→计算并分析答案应用面广泛，结果直观——数值实验近似性、不稳定性三、课程的科技、工程地位《工程流体力学》——第一章绪论流体力学航空航天气象生物环境机械冶金石油化工交通土建采矿水利航空航天《工程流体力学》——第一章绪论——课程的工程地位《工程流体力学》——第一章绪论——课程的工程地位兵器水利《工程流体力学》——第一章绪论——课程的工程地位采矿通风《工程流体力学》——第一章绪论——课程的工程地位交通土建《工程流体力学》——第一章绪论——课程的工程地位石油化工《工程流体力学》——第一章绪论——课程的工程地位机械冶金《工程流体力学》——第一章绪论——课程的工程地位环境《工程流体力学》——第一章绪论——课程的工程地位气象《工程流体力学》——第一章绪论——课程的工程地位生物《工程流体力学》——第一章绪论——课程的工程地位《工程流体力学》——第一章绪论——课程的工程地位电子设备四、课程的专业地位《工程流体力学》——第一章绪论过程设备（塔器、反应器、换热器、储罐等）。过程流体机械（压缩机、泵、分离机）。配套与附件（管道、阀门、控制仪表）。是后续《热力学》、《传热学》、过程设备、过程机械、工业化学等课程的基础。《工程流体力学》——第一章绪论五、课程的内容目录第一章绪论第二章流体及物理性质第三章流体静力学第四章流体运动学、动力学第五章相似理论及量纲分析第六章管道流动、水力计算第七章气体一维流动第八章理想流体的有旋/无旋流动第九章粘性流体绕过物体流动第十章气体的二维流动六、课程的基本要求《工程流体力学》——第一章绪论1、熟悉和掌握流体平衡、运动的基本规律、基本方程及工程典型应用。2、学习方法浏览预习：把握内容、疑难点听课理解：疑难点课后作业：理解、思考、应用课外拓展：文献、资料、网站、论坛人类对流体力学的认识最早从治水、灌溉、航行等方面开始。中国古代提水灌溉所用风车大禹治水《工程流体力学》——第一章绪论——流体力学发展简史都江堰李冰（302-235BC）《工程流体力学》——第一章绪论——流体力学发展简史发现了物体在流体中所受浮力的基本原理——阿基米德原理。Archimedes(285-212BC)欧美诸国历史上有记载的最早从事流体力学现象研究的是古希腊学者阿基米德。《工程流体力学》——第一章绪论——流体力学发展简史LeonardodaVinci(1452-1519)系统地研究了物体的沉浮、孔口出流、物体的运动阻力以及管道、明渠中水流等问题。文艺复兴时期（14世纪到16世纪）之后，流体力学得到长足发展。《工程流体力学》——第一章绪论——流体力学发展简史Galileo(1564-1642)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介质密度的增大和速度的提高而增大。《工程流体力学》——第一章绪论——流体力学发展简史提出了密闭流体能传递压强的原理——帕斯卡原理。B.Pascal(1623-1662)《工程流体力学》——第一章绪论——流体力学发展简史I.Newton(1642-1727)建立了牛顿内摩擦定律，为粘性流体力学初步奠定了理论基础，并讨论了波浪运动等问题。《工程流体力学》——第一章绪论——流体力学发展简史D.Bernoulli(1700-1782)建立了流体位势能、压强使能和动能之间的能量转换关系——伯努利方程。《工程流体力学》——第一章绪论——流体力学发展简史从18世纪中叶工业革命开始，流体力学的研究逐渐沿着理论流体力学和应用流体力学两个方向发展。经典流体力学的奠基人，涡轮机理论的奠基人。提出连续介质模型建立连续性微分方程建立理想流体的运动微分方程提出研究流体运动的两种方法提出速度势概念L.Euler(1707-1783)《工程流体力学》——第一章绪论——流体力学发展简史J.leR.d’Alembert(1717-1783)1744年提出了达朗贝尔佯谬，即在理想流体中运动的物理既没有升力也没有阻力。《工程流体力学》——第一章绪论——流体力学发展简史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。J.–L.Lagrange(1736-1813)《工程流体力学》——第一章绪论——流体力学发展简史C.-L.–M.–H.Navier(1785-1836)G.G.Stokes(1819-1905)纳维第一个提出了不可压缩粘性流体的运动微分方程组。斯托克斯又严格地到导出了不可压缩粘性流体的运动微分方程组。N-S方程《工程流体力学》——第一章绪论——流体力学发展简史19世纪末开始，针对复杂的流体力学问题，理论分析和实验研究逐渐密切结合起来。1883年用实验验证了粘性流体的两种流动状态——层流和紊流的客观存在，找到了实验研究粘性流体运动规律的相似准则——雷诺数，以及判别层流和紊流的临界雷诺数。O.Reynolds(1842-1912)《工程流体力学》——第一章绪论——流体力学发展简史L.Prandtl(1875-1953)建立边界层理论，解释了阻力产生的机制针对紊流边界层，提出混合长度理论《工程流体力学》——第一章绪论——流体力学发展简史儒科夫斯基H.E.(1847-1921)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，为近代高效能飞机设计奠定了基础。《工程流体力学》——第一章绪论——流体力学发展简史提出了分析带旋涡尾流及其所产生的阻力的理论——卡门涡街提出了计算紊流粗糙管阻力系数的理论公式T.vonKarman(1881-1963)《工程流体力学》——第一章绪论——流体力学发展简史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具有丰富知识，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。周培源（1902－1993)钱学森（1911－）《工程流体力学》——第一章绪论——流体力学发展简史《工程流体力学》——第二章流体及物理性质主要内容一、流体的定义、特征二、流体的连续介质的假设三、作用在流体上的力四、流体的密度五、流体的压缩性、膨胀性六、流体的粘性七、流体的表面性质一、流体的定义、特征《工程流体力学》——第二章流体及物理性质1、定义：能够流动的物质为流体；力学定义，则在任何微小切力的作用下都能发生连续变形的物质称为流体。2、特征：流动性、压缩、膨胀性、粘性分子间的作用力、分子间距离的影响下物态固定体积固定形状自由液面明显压缩抵抗微小剪力抵抗力固体有有否否能拉、压液体有无有否否压气体无无无是否压《工程流体力学》——第二章流体及物理性质二、流体的连续介质的假设微观上，流体分子之间存在间隙，流体不连续。宏观上，当讨论问题的特征尺寸远大于流体的分子平均自由程时，可将流体视为在时间和空间连续分布的函数。流体分子流体微团流体质点例外超声速气流中出现激波、在空气非常稀薄的情况。0C，1mm3水含3.4×1019个分子气体含2.7×1016个分子《工程流体力学》——第二章流体及物理性质三、作用在流体上的力FAFnFApApApAAAFlim)(FlimFlim10nn0nn0n切向压应力法向流体间的作用力—、表面力VFkjizyxVffff或者，：单位体积的质量力表示—、质量力Vflimf20fxfzfyf《工程流体力学》——第二章流体及物理性质四、流体的密度表征流体的质量在空间的密集程度，单位为kg/m3。mV)(kg/mlim30dVdmVmV流体一点的密度定义：)/kg(m1lim30dmdVmVvV：流体一点的比体积定义)(N/mlim30gdVdmgVmgV流体一点的重度定义：时水的密度。—流体的密度；—流体相对密度定义：C4owfwfd《工程流体力学》——第二章流体及物理性质四、流体的密度百分比；体积种物质的第—种物质的密度；第—其中，混合物的密度：iiiiiinn2211百分比；质量种物质的第—种物质的密度；第—其中，或者，混合物的密度：iiiinnii221114℃水的密度ρ=1000kg/m30℃水银的密度ρ=13600kg/m30℃空气的密度ρ=1.29kg/m3《工程流体力学》——第二章流体及物理性质五、流体的压缩性、膨胀性可压缩性在一定温度T下，单位压强升高引起的流体体积变化率。）为压缩系数，（其中，N/mPV/2V-）为压缩模量，（其中，表示。或者用压缩模量2N-1Km/KV/VPK一般地，水和其它液体可视为不可压缩流体，而将气体视为密度可变的可压缩流体。水下爆炸、水击、热水采暖需考虑水的压缩性和膨胀性；当气体流速比声速小很多时，也可视为不可压缩流体。《工程流体力学》——第二章流体及物理性质五、流体的压缩性、膨胀性膨胀性在一定压强P下，单位温升引起的体积变化率，单位（1/k）。为体胀系数。其中，VVTVVTVVTPVmR状态方程：体积），作用力不计，不计分子对于理想气体（分子间应用：P1T12V，则压缩率一定温度时，，则体胀系数则：一定压力时，VmRTdVdPPmRdTdVvy《工程流体力学》——第二章流体及物理性质六、流体的粘性1、粘性——流体微团之间发生相对滑移时，产生的切向阻力。vF’Fxyoyxvh2、牛顿内摩擦定律——流体运动产生的内摩擦力与速度梯度成正比，与接触面的面积成正比，与流体的物理性质有关。运动粘度，—粘性系数，动力粘度；—粘性应力：粘性阻力：牛顿流体：dydvAFyvAhvAFxx3、流体粘度μ，与流体的种类、温度、压强有关，在一定的温度压强下为常数，单位Pa·syxt《工程流体力学》——第二章流体及物理性质六、流体的粘性000tan()~limlimxxtttydddtttdy当时，，故有：4、角变形速度=流体的速度梯度。矩形流体微团→平行四边形。5、流体粘性的形成因素通常情况下形成流体粘性的因素有两个方面：一是流体分子间的引力在流体微团相对运动时形成的粘性；二是流体分子的热运动在不同流速流层间的动量交换所形成的粘性。当温度升高时：气体的粘性增大，液体的粘性减小。对于气体，形成粘性的主要因素是分子的热运动对于液体，形成粘性的主要因素是分子间的引力《工程流体力学》——第二章流体及物理性质六、流体的粘性如图所示，转轴直径d=0.36m，轴承长度l=1m，轴与轴承之间的间隙=0.2mm，其中充满动力粘度=0.72Pa·s的油，如果轴的转速n=200r/min，求克服油