流体力学第一讲绪论

流体动力学仿真电子科技大学机械电子工程学院课程简介•总学时：48学时•课堂讲授：39学时(1～13周）•上机实验：9学时•考核方式：(平时成绩+上机实验)/大作业+期末考试•教学目标：了解流体力学和计算流体力学的基本概念，初步掌握计算流体动力学的基本原理和方法。课程简介•参考书目：《计算流体动力学分析》，王福军《流体力学》，林建忠《有限体积法基础》，李人宪•任课教师：周晓明»Tel:[phone]»Email:[e-mail]»主楼C1-302第一讲绪论Lecture1Introduction本讲内容1-1流体力学的性质和任务1-2流体及其主要的物理性质1-3流体的力学模型1-4计算流体力学概述流体力学：研究流体平衡和运动规律及其在工程技术中应用的一门学科流体：能够流动的物质流体（Fluid）液体（Liquid)气体（Gas）流体力学在建筑、土木、环境、水利造船、电力、电子、冶金、机械、核工程、航空等有广泛应用1-1流体力学的性质和任务1-1流体力学的性质和任务1-1流体力学的性质和任务大型水利枢纽工程，超高层建筑，大跨度桥梁等的设计和建造离不开水力学和风工程1-1流体力学的性质和任务水能利用（水泵与水轮机）1-1流体力学的性质和任务风能利用1-1流体力学的性质和任务生物流体/生物医学工程研究1-1流体力学的性质和任务1-1流体力学的性质和任务虽然生活在流体环境中，人们对一些流体运动却缺乏认识，比如：2.高尔夫球：表面光滑还是粗糙？1.汽车阻力：来自前部还是后部？3.机翼升力：来自下部还是上部？1-1流体力学的性质和任务汽车发明于19世纪末。1-1流体力学的性质和任务早期的汽车后部是陡峭的，称为箱型车，阻力系数CD很大，约0.81-1流体力学的性质和任务实际上，汽车阻力主要取决于后部形成的尾流。1-1流体力学的性质和任务20世纪30年代起，人们开始运用流体力学原理，改进了汽车的尾部形状，出现了甲壳虫型，阻力系数下降至0.6。1-1流体力学的性质和任务50～60年代又改进为船型，阻力系数为0.45。1-1流体力学的性质和任务80年代经风洞实验系统研究后，进一步改进为鱼型，阻力系数为0.3。1-1流体力学的性质和任务后来又出现楔型，阻力系数为0.2。1-1流体力学的性质和任务90年代以后，科研人员研制开发了气动性能更优良的流线型汽车，阻力系数可低于0.137。1-1流体力学的性质和任务起初，人们认为表面光滑的球飞行阻力小，因此当时用皮革制球。现在的高尔夫球：1-1流体力学的性质和任务机翼的特殊形状使它不用旋转就能产生环流，上部流速加快形成吸力，下部流速减慢形成压力。由于空气动力学的发展，人类研制出3倍声速的战斗机1-1流体力学的性质和任务1-1流体力学的性质和任务使重量超过3百吨，面积达半个足球场的大型客机，靠空气的支托象鸟一样飞行成为可能。在水动力学、船舶流体力学的基础之上，建造了排水量达50万吨以上的超大型运输船、时速达数百公里的地效飞艇等1-1流体力学的性质和任务一、流体的基本特征流动性（Fluidity）流体与固体的对比体积形状抗压抗拉抗剪切固体流体液体气体1-2流体及其主要的物理性质√×√√√√√×××××√×静止状态×静止状态二、流体主要物理力学性质1.惯性（Inertia）惯性是物体保持其原有运动状态的一种性质质量是表示惯性大小的物理量惯性力（InertiaForce）Fma＝－密度（Density）0limvmv＝fxyzt＝、、、（均质流体）（非均质流体）/m1-2流体及其主要的物理性质二、流体主要物理力学性质2.重力特性（Gravity）Gmg容重或重度（SpecificWeight）GV0dlimdVGGVV＝（均质流体）（非均质流体）g水：空气：39807N/m(4)C31000Kg/m＝31.2Kg/ma311.80N/ma(290)K重力（GravityForce）1-2流体及其主要的物理性质二、流体主要物理力学性质3.粘滞性（Viscosity）粘滞性是指在运动状态下，流体具有抵抗剪切变形的能力。1-2流体及其主要的物理性质粘滞性是流体在运动过程中出现阻力、产生机械损失的根源。二、流体主要物理力学性质3.粘滞性（Viscosity）1-2流体及其主要的物理性质形成流体粘性的原因：分子间的引力：流体微团要产生相对运动，首先必须克服分子间的引力，该因素是液体粘性的主要原因。分子的热运动：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阻力。该因素是气体粘性的主要原因。二、流体主要物理力学性质3.粘滞性（Viscosity）牛顿内摩擦定律内摩擦力(InnerFrictionForce)dduTAy＝切应力（ShearStress）ddTuAy作用在两个相邻流层之间的切应力是成对出现的，而且数值相等，方向相反。1-2流体及其主要的物理性质二、流体主要物理力学性质3.粘滞性（Viscosity）——动力粘滞系数(Pa·s）(DynamicViscosity)运动粘滞系数(KinematicViscosity)＝流体粘性变化规律：⑴压强对流体粘性的影响很小，一般可以忽略不计⑵温度则是影响流体粘性的主要因素，液体的粘性随温度升高而减小，气体的粘性随温度升高而增大1-2流体及其主要的物理性质二、流体主要物理力学性质3.粘滞性（Viscosity）牛顿内摩擦定律适用范围：牛顿流体(NewtonianFluid)1-2流体及其主要的物理性质二、流体主要物理力学性质4.压缩性和膨胀性（Compressibility&Expansibility）液体：工程上常用弹性模量（BulkModulusofElasticity）表示液体的压缩性，即00limlimVTTTTppppBVVVV膨胀性用体积膨胀系数α表示dvvdddTT＝在一定压强下，单位温升引起的液体体积的相对增加值1-2流体及其主要的物理性质二、流体主要物理力学性质4.压缩性和膨胀性（Compressibility&Expansibility）pRTp－气体绝对压强ρ－气体密度（kg/m3）R－气体常数(J/kg·K)T－气体热力学温度(K)对于空气，R=287J/kg·k，对其他气体，在标准状态下，R=8314/n，n为气体分子量1-2流体及其主要的物理性质气体：一、作用在流体上的力1.表面力（SurfaceForce）作用在液体表面上，大小与被作用的面积成正比，如法向压力和内摩擦力对于一点来说：0limAPpA压应力0limATA切应力1-3流体的力学模型一、作用在流体上的力2.质量力（MassForce）作用在每个流体质点上的力，大小与流体质量成正比，又称体积力，常见的质量力如重力、惯性力。单位质量力：三个分量：xFXmyFYm＝zFZm质量力只有重力时，X＝0，Y＝0，Z＝－gFfm1-3流体的力学模型二、常用的流体力学模型1.“连续介质”模型（Continuum）将流体看作为由无数个流体质点所组成的连续介质，并且无间隙地充满它所占据的空间。于是，描述流体运动的各物理量(如速度、加速度等)均可以看作是空间点和时间的连续函数：当流体流动所涉及到的物体的尺寸能够和分子的平均自由行程和脂分子间的距离相比拟时，流体的连续介质模型不再适用。1-3流体的力学模型二、常用的流体力学模型2.无粘性流体，即理想流体（IdealFluid）粘性的存在也给流体运动规律的分析带来很多困难。在一些特殊情况下，可以忽略流体中的粘性作用，此时流体微团间的作用力仅为正压力，流体的运动规律分析大大简化。3.不可压缩流体（IncompressibleFluid）流体的压缩性的也给运动规律带来一定复杂性。在一般工程情况下，大部分液体流动和低速的气体流动都可以忽略其压缩性。1-3流体的力学模型一、What—什么是计算流体动力学？1-4计算流体力学概述ComputationalFluidDynamics(CFD)：是应用计算机和离散化的数值方法对流体动力学问题进行数值模拟和分析的学科；是流体动力学仿真的基本原理和实现手段。一、What—什么是计算流体动力学？关键：离散化1-4计算流体力学概述时间域及空间域上连续物理量的场有限个离散点上的变量值的集合描述离散点上场变量之间关系的代数方程组场变量的近似值时域及空间域离散化流动规则离散化解方程基本思想一、What—什么是计算流体动力学？1-4计算流体力学概述二、Why—为什么研究计算流体动力学？流体力学研究的三大手段实验流体力学理论流体力学：连续场模型、分析解法计算流体力学：离散场模型、数值解法单纯实验测试单纯理论分析计算流体力学1-4计算流体力学概述二、Why—为什么研究计算流体动力学？实验流体力学研究特点：所得到的实验结果真实可信，是理论分析和数值方法的基础。局限性：实验往往受到模型尺寸、流场扰动、人身安全和测量精度的限制，有时可能很难通过试验方法得到结果。实验还会遇到经费投入、人力和物力的巨大耗费及周期长等许多困难。1-4计算流体力学概述二、Why—为什么研究计算流体动力学？理论流体力学研究特点：所得结果具有普遍性，各种影响因素清晰可见，是指导实验研究和验证新的数值计算方法的理论基础。局限性：往往要求对计算对象进行抽象和简化，才有可能得出理论解。对于非线性情况，只有少数流动才能给出解析结果。1-4计算流体力学概述二、Why—为什么研究计算流体动力学？计算流体动力学研究特点：流动问题一般是非线性的，很难求得解析解，而用CFD方法则有可能找出满足工程需要的数值解可利用计算机进行各种数值试验，例如，选择不同流动参数进行物理方程中各项有效性和敏感性试验，从而进行方案比较它不受物理模型和实验模型的限制，省钱省时，有较多的灵活性，能给出详细和完整的资料，很容易模拟特殊尺寸、高温、有毒、易燃等真实条件和实验中只能接近而无法达到的理想条件。1-4计算流体力学概述二、Why—为什么研究计算流体动力学？通过计算流体动力学的数值模拟，可以实现：得到极其复杂问题的流场内各个位置上的基本物理量(如速度、压力、温度、浓度等)的分布。得到物理量随时间的变化情况，确定旋涡分布特性、空化特性及脱流区等。还可据此算出相关的其他物理量，如旋转式流体机械的转矩、水力损失和效率等。根据计算结果，进行结构优化设计等。1-4计算流体力学概述二、Why—为什么研究计算流体动力学？计算流体动力学局限性：数值解法是一种离散近似的计算方法，依赖于物理上合理、数学上适用、适合于在计算机上进行计算的离散的有限数学模型，且最终结果不能提供任何形式的解析表达式，只是有限个离散点上的数值解，并有一定的计算误差。它不像物理模型实验一开始就能给出流动现象并定性地描述，往往需要由原体观测或物理模型试验提供某些流动参数，并需要对建立的数学模型进行验证1-4计算流体力学概述二、Why—为什么研究计算流体动力学？计算流体动力学局限性：程序的编制及资料的收集、整理与正确利用，在很大程度上依赖于经验与技巧。因数值处理方法等原因有可能导致计算结果的不真实，例如产生数值粘性和频散等伪物理效应。CFD因涉及大量数值计算，因此，常需要较高的计算机软硬件配置。1-4计算流体力学概述三、计算流体动力学的典型应用水轮机、风机和泵等流体机械内部的流体流动飞机和航天飞机等飞行器的设计电子元器件的冷却换热器性能分析及换热器片形状的选取汽车流线外型对性能的影响风载荷对高层建筑物稳定性及结构性能的影响温室及室内的空气流动及环境分析河流中污染物的扩散。。。。。。1-4计算流体力学概述三、计算流体动力学的典型应用20世纪80年代，波音767客机制作了77个机翼模型进行风洞试验2005年波音787客机只试验了11个模型机翼，今后波音公司计划将试验的模型机翼数量减至3个空气动力