工程流体力学第三版课件A

第一章绪论一、流体力学研究的内容流体力学是力学的一个独立分支，是一门研究流体的平衡和流体机械运动规律及其实际应用的技术科学。第一节流体力学研究的内容２.流体动力学：它研究流体在运动状态时，作用于流体上的力与运动要素之间的关系，以及流体的运动特征与能量转换等，这一部分称为流体动力学。１.流体静力学：它研究流体处于静止（或相对平衡）状态时，作用于流体上的各种力之间的关系。二、流体力学研究的内容目前，根据流体力学在各个工程领域的应用，流体力学可分为以下三类：水利类流体力学：面向水工、水动、海洋等；机械类流体力学：面向机械、冶金、化工、水机等；土木类流体力学：面向市政、工民建、道桥、城市防洪等。大气类流体力学：飞机、飞行器外行的设计，天气预报，环境污染预报等。理论分析过程一般是：建立力学模型，用物理学基本定律推导流体力学控制方程，用数学方法求解方程，检验和解释求解结果。建立模型推导方程求解方程解释结果三、流体力学的研究方法实验方法在相似理论指导下，建立模拟实验装置，用流体测量技术测量流动参数，处理分析数据可获得反映流动规律的特定关系，发现新现象，检验理论结果。相似理论模型试验测量数据分析风洞试验：上海虹口足球场风载模拟试验水洞实验：螺旋桨空泡水池实验：船模拖曳实验测量技术有：热线，激光测速；粒子图象，迹线测速；高速摄影；全息照相；压力密度温度测量等。激波条纹现代测量技术在计算机，光学和图象技术配合下在提高空间分辨律和实时测量方面已取得长足进展。数值分析方法随着技算机技术的突飞猛进，过去无法求解的流体力学偏微分方程可以用计算机数值方法求解。11计算流体力学有限差分法有限元法边界元法谱分析等如飞行器、汽车、河道、桥梁、涡轮机流场计算；湍流、流动稳定性、非线性流动中的数值模拟；大型工程计算软件是研究工程流动问题的有力武器。日本名古屋矢田川桥抗风性能数值模拟压强分布速度分布涡轮机叶片流线和总压分布数值模拟。（日本：国家空间实验室）第二章流体及其物理性质主要内容第一节流体的定义及特征第二节流体作为连续介质假设第三节作用在流体上的力第四节流体的密度第五节流体的压缩性和膨胀性第六节流体的粘性第七节流体的表面性质第一节流体的定义与特征在地球上，物质存在的主要形式有：固体、流体。其中流体包括液体和气体，相对于固体，它在力学上表现出以下特点：从力学分析的意义上看，在于它们对外力抵抗的能力不同。一.流体的概念固体液体固体：既能承受压力，也能承受拉力，抵抗拉伸变形。流体：只能承受压力，一般不能承受拉力，抵抗拉伸变形。液体和气体的共同点：两者均具有易流动性，即在任何微小切应力作用下都会发生变形或流动，故二者统称为流体。第二节连续介质假设一、连续介质假设的提出宏观：考虑宏观特性，在流动空间和时间上所采用的一切特征尺度和特征时间都比分子距离和分子碰撞时间大的多。微观：流体是由大量做无规则运动的分子组成的，分子之间存在空隙，但在标准状况下，1cm3液体中含有3.3×1022个左右的分子，相邻分子间的距离约为3.1×10-8cm。1cm3气体中含有2.7×1019个左右的分子，相邻分子间的距离约为3.2×10-7cm流体质点：也称流体微团，是指尺度大小同一切流动空间相比微不足道又含有大量分子，具有一定质量的流体微元。连续介质假设：把流体视为没有间隙地充满它所占据的整个空间的一种连续介质，且其所有的物理量都是空间坐标和时间的连续函数的一种假设模型：u=u(t,x,y,z)。观看动画2.连续介质假设的意义排除了分子运动的复杂性。练习题表征流体性质和运动特性的物理量和力学量为时间和空间的连续函数，可用数学中连续函数这一有力手段来分析和解决流体力学问题。第三节作用在流体上的力一、表面力：外界通过接触传递的力，用应力来表示。pFAdFdAnnAnnlim0dAFdAFpAn0lim理想（静止）流体中一点处的应力理想（静止）流体中没有切应力，只承受压力，不能承受拉力。表面力只有法向压应力p0nnppnpnpnnpnnpp0nnpnnp二、质量力（体积力）：质量力是某种力场作用在全部流体质点上的力，其大小和流体的质量或体积成正比，故称为质量力或体积力。kjifzyxfffdVtzyxV),,,(fF单位质量质量力：质量力的合力：kgfg重力场中：第四节流体的主要物理性质一、密度、容重、比重和比容xzyoVA１.密度：当V趋于无限小时：VMV0lim注意：密度是坐标点(x,y,z)和时间t的函数，即=(x,y,z,t)。2、容重（重度）容重：指单位体积流体的重量。单位：N/m3。VGV0lim均质流体内部各点处的容重均相等：=G/V=g水的容重常用值：=9800N/m33、气体的比容比容：指单位气体质量所具有的体积。=1/（m3/kg）气体的比容或密度，与气体的工况或过程是密切相关的，是由状态方程确定，完全气体状态方程P=P/=RTR为气体常数，空气的R=287N·m/kg·k4、液体的比重比重：是指液体密度与标准纯水的密度之比，没有单位，是无量纲数。GGs标准纯水：a.物理学上——4℃水为标准，=1000kg/m3；b.工程上——20℃的蒸馏水为标准，=1000kg/m3；二、压缩性和膨胀性1.流体的压缩性（2）体积压缩系数体积压缩系数：流体体积的相对缩小值与压强增值之比，即当压强增大一个单位值时，流体体积的相对减小值：dpddpVdV//（m2/N）（∵质量m不变，dm=d(v)=dv+vd=0，∴）dpddpdV（1）定义：流体的可压缩性：作用在流体上的压力变化可引起流体的体积变化或密度变化，这一现象称为流体的可压缩性。压缩性可用体积压缩系数来量度。（3）体积弹性模量Ｋ流体的压缩性在工程上往往用体积弹性模量来表示。体积弹性模量Ｋ是体积压缩系数的倒数。即：//1ddpVdVdpK（N/m2）与Ｋ随温度和压强而变化，但变化甚微。2.流体的膨胀性在一定的压力下，流体的体积随温度升高而增大的性质称为流体的膨胀性。流体膨胀性的大小用体积膨胀系数βΤ来表示，它表示当压力保持不变时，温度升高1K所引起的流体体积的相对增加量。即TTVVTVVdd1dd1d/dT三、流体的粘性1.粘性的定义：流体内部质点之间或流层间因相对运动而产生内摩擦力（切力）以反抗相对运动的性质。2.粘性产生的原因1）分子不规则运动的动量交换形成的阻力2）分子间吸引力形成的阻力不同的流体分子之间的内聚力和分子不规则热运动的动量交换程度不同。流体表现出的粘性的大小是不相同的。3.粘性的量度（1）粘度的定义流体的粘度：粘性大小由粘度来量度。流体的粘度是由流动流体的内聚力和分子的动量交换所引起的。（2）分类动力粘度：又称绝对粘度、动力粘性系数、粘度，是反映流体粘滞性大小的系数。单位：N•s/m2。运动粘度ν：又称相对粘度、运动粘性系数。＝(m2/s)（3）粘度的影响因素动力粘度：的数值随流体种类不同而不同，并随压强、温度变化而变化。1）流体种类：一般地，相同条件下，液体的粘度大于气体的粘度。2）压强：对常见的流体，如水、气体等，粘度值随压强的变化不大，一般可忽略不计。3）温度：是影响粘度的主要因素。当温度升高时，液体的粘度减小，气体的粘度增加。a.液体：内聚力是产生粘度的主要因素，当温度升高，分子间距离增大，吸引力减小，因而使剪切变形速度所产生的切应力减小，所以粘度值减小。b.气体：气体分子间距离大，内聚力很小，所以粘度主要是由气体分子运动动量交换的结果所引起的。温度升高，分子运动加快，动量交换频繁，所以粘度值增加。练习一下4.粘性力（内摩擦力）由流体的粘性作用而产生的阻滞其流动的作用力，就称为粘性力（内摩擦力）。流体与不同相的表面接触时，粘性表现为流体分子对表面的附着作用。对于运动的流体，当流体质点间存在相对运动时，由于流体的粘性作用，在流体内部流层之间会出现成对的切力，称为内摩擦力。库仑实验把一薄圆板用细丝平吊在液体中，将圆板转过一角度后放开，圆板作往返摆动，逐渐衰减，直至停止，测量其衰减时间。用三种圆板（a、普通板，b、表面涂蜡，c、表面胶一层细砂）做实验。△库仑实验证明衰减原因不是圆板与液体间的摩擦，而是液体内部的摩擦，即内摩擦。5、牛顿内摩擦定律17世纪牛顿通过牛顿平板实验研究了流体的粘性。下图即为牛顿平板实验装置，下板固定，上板可动，且平板面积有足够大，可以忽略边缘对流体的影响。图中：h为两平板间的距离，A为平板面积。若对上板施加力F，并使上板以速度保持匀速直线运动，则内摩擦力T=F。通过牛顿平板实验得出：运动的流体所产生的内摩擦力(即粘性力)的大小与与下列因素有关：hAUT接触面的面积Ａ成正比；与流体的物理性质（黏度）成正比；与两平板间的距离h成反比；与流速U成正比；在计算时若知道流体运动的速度场就可以计算出速度梯度，当h及U不太大时，板间沿法线方向的点流速可看成线性分布，即：yhUuydyduhUdyduAhUAT所以，牛顿内摩擦定律公式为：式中T—流体层接触面上的内摩擦力(N)A—流体层间的接触面积(m2)du/dy—垂直于流动方向上的速度梯度(1/s)；练习题四.表面张力1.内聚力、附着力、表面张力内聚力：是分子间的相互吸引力。附着力：是指两种不同物质接触部分的相互吸引力。2.表面张力：液体表面由于分子引力不均衡而产生的沿表面作用于任一界线上的张力。3.表面张力系数：是指自由液面上单位长度所受到的表面张力。单位为N/m。4.毛细现象毛细现象：是指含有细微缝隙的物体与液体接触时，在浸润情况下液体沿缝隙上升或渗入、在不浸润情况下液体沿缝隙下降的现象。rh水第四节流体的分类一.可压缩流体和不可压缩流体二.粘性流体和理想流体三.牛顿流体和非牛顿流体一.可压缩流体和不可压缩流体压力和温度的变化都会引起流体密度的变化。任何流体，不论是气体还是液体都是可以压缩的，只是可压缩程度不同而已。就是说，流体的压缩性是流体的基本属性。通常把液体看成是不可压缩流体。通常把气体看成是可压缩流体在实际工程中，要不要考虑流体的压缩性，要视具体情况而定。二.粘性流体和理想流体1.粘性流体：自然界中的各种流体都是具有粘性的，统称为粘性流体或称实际流体。由于粘性的存在，实际流体的运动一般都很复杂，这给研究流体的运动规律带来很多困难。为了使问题简化，便于进行分析和研究，在流体力学中常引入理想流体的概念。2.理想流体：是一种假想的、完全没有粘性的流体。实际上这种流体是不存在的。根据理想流体的定义可知，当理想流体运动时，不论流层间有无相对运动，其内部都不会产生内摩擦力，流层间也没有热量传输。这就给研究流体的运动规律等带来很大的方便。因此，在研究实际流体的运动规律时，常先将其作为理想流体来处理。应该指出，这里所说的理想流体和热力学中的理想气体的概念完全是两回事。三.牛顿流体和非牛顿流体1、牛顿流体：运动流体的内摩擦切应力与速度梯度间的关系符合于牛顿内摩擦定律的流体，称为牛顿流体。所有的气体以及如水、甘油等这样一些液体都是牛顿流体。2、非牛顿流体：实验表明，象胶液、泥浆、纸浆、油漆、低温下的原油等，它们的内摩擦切应力与速度梯度间的关系不符合于牛顿内摩擦定律，这样的流体称为非牛顿流体。观看动画问题：按连续介质的概念，流体质点是指:A、流体的分子；B、流体内的固体颗粒；C、几何的点；D、几何尺寸同流动空间相比是极小量,又含有大量分子的微元体。答案：D关闭窗口问题：下面关于流体粘性的说法中，不正确的是:A、粘性是流体的固有属性；B、粘性是运动状态下，流体有抵抗剪切变形速率能力的量度；C、流体的粘性具有传递运动和阻滞运动的双重性；D、流体的粘度随温度的升高而增大。答案：D关闭窗口例题1：1.如图，在两块相距20mm的平板间充满动力粘度为0.065（N·s）/m2的油，如果以1m