工程流体力学课件

工程流体力学流体力学与热力学教研室第1章绪论目录第2章流体静力学第3章流体动力学原理第4章管流损失和水力计算第5章气体的一维定常流动第1章绪论§1.1流体力学发展史简述§1.2流体力学研究的对象和应用§1.3连续介质模型§1.4流体的主要物理性质§1.5作用在流体上的力返回目录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§1.1流体力学发展简述都江堰李冰（302-235BC）§1.1流体力学发展简述§1.1流体力学发展简述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。§1.1流体力学发展简述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。§1.1流体力学发展简述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。§1.1流体力学发展简述提出了密闭流体能传递压强的原理——帕斯卡原理。B.Pascal(1623-1662)§1.1流体力学发展简述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。§1.1流体力学发展简述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。§1.1流体力学发展简述从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)§1.1流体力学发展简述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。§1.1流体力学发展简述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)§1.1流体力学发展简述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§1.1流体力学发展简述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)§1.1流体力学发展简述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§1.1流体力学发展简述儒科夫斯基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。§1.1流体力学发展简述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)§1.1流体力学发展简述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－）§1.2流体力学研究的对象和应用1.流体力学研究的对象流体，包括气体和液体。2.流体的定义通常说能够流动的物质为流体；若按照力学术语定义，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。流体的特征流体只能承受压力，不能承受拉力，在即使是很小剪切力的作用下也将流动（变形）不止，直到剪切力消失为止；只有在运动状体下才能承受剪切力的作用；没有固定的形状，液体的形状取决于盛装它的容器；气体则完全充满容器；流体具有可压缩性；液体可压缩性小，水受压从1个大气压增加至100个大气压时，体积仅减小0.5%；气体可压缩性大；流体具有明显的流动性。§1.2流体力学研究的对象和应用固体、液体、气体的区别状态有无固定体积能否形成自由液面是否容易被压缩液体有能否气体无否是流体呈现易流动性？固体是否§1.2流体力学研究的对象和应用3.流体力学研究流体在外力作用下宏观的平衡及运动规律以及流体与固体间的相互作用，即流体机械运动的规律以及应用这些规律解决工程实际问题的一门学科。4.流体力学的研究内容流体平衡的条件及压强分布规律流体运动的基本规律流体绕流某物体或通过某通道时的速度分布、压强分布、能量损失以及流体与固体间的相互作用§1.2流体力学研究的对象和应用5.流体力学的研究方法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、不稳定性理论分析、实验研究和数值计算相结合。三个方面是互相补充和验证，但又不能互相取代的关系。§1.2流体力学研究的对象和应用卡门涡街实验研究（PIV）数值计算§1.2流体力学研究的对象和应用6.流体力学在工程中的应用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§1.2流体力学研究的对象和应用航空航天§1.2流体力学研究的对象和应用水利§1.2流体力学研究的对象和应用采矿通风§1.2流体力学研究的对象和应用交通土建§1.2流体力学研究的对象和应用石油化工§1.2流体力学研究的对象和应用机械冶金§1.2流体力学研究的对象和应用环境§1.2流体力学研究的对象和应用气象§1.2流体力学研究的对象和应用生物§1.3连续介质模型1.问题的提出从微观上看，由于构成流体的无数分子之间存在间隙，流体不连续。从宏观上看，流体力学并不研究流体的微观分子运动，而只研究流体的宏观机械运动。当所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。0C，1mm3水含3.4×1019个分子气体含2.7×1016个分子如此大量的分子，容易取得它们共同作用的有代表性的统计平均值§1.3连续介质模型2.流体质点是研究流体的机械运动中所取的最小流体微元是体积无限小而又包含大量分子的流体微团从宏观看，和流动所涉及的物体的特征长度相比，该微团的尺度充分小，在数学上可以作为一个点来处理从微观看，和分子的平均自由行程相比，该微团的尺度又充分的大，包含有足够多的分子，使得这些分子的共同物理属性的统计平均值有意义流体分子流体微团§1.3连续介质模型3.连续介质模型不必去研究流体的微观分子运动，而只研究描述流体运动的宏观物理属性（如密度、压强、速度、温度、粘度、热力学能等）不考虑分子间存在的间隙，而把流体视为由无数连续分布的流体微团组成的连续介质按照连续介质模型，流体的密度、压强、速度、温度等物理量一般在时间和空间上都是连续分布，是空间坐标和时间的单值连续可微函数，这样可以用解析函数的诸多数学工具去研究流体的平衡和运动规律，为流体力学的研究提供了很大的方便。§1.3连续介质模型例外情况超声速气流中出现激波在空气非常稀薄的高空中运动的飞行器解析函数不适用分子的平均自由行程和飞行器的特征尺寸相比拟§1.4流体的主要物理性质1.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。均质流体Vm式中，m为流体的质量，V为流体的体积。非均质流体0limVmdmVdV式中，δV为在空间某点取的流体体积，流体的质量为δm。这里数学上的δV→0，从物理上应理解为体积缩小到前面所讲的流体质点。注意4℃水的密度ρ=1000kg/m30℃水银的密度ρ=13600kg/m30℃空气的密度ρ=1.29kg/m3常用流体的密度值§1.4流体的主要物理性质2.流体的比体积单位质量流体占有的体积，即密度的倒数，单位m3/kg。1mV3.流体的压缩性流体在一定温度下，压强增高，体积缩小。体积压缩率在一定温度下单位压强增量引起的体积变化率，单位Pa-1。pVVpVV为了保证压缩率为正，故加上负号“-”可见，对于同样的压强增量，κ值大的流体体积变化率大，容易压缩；κ值小的流体体积变化率小，不容易压缩。式中，δp为压强增量，δV为体积的变化量。§1.4流体的主要物理性质体积弹性模量为压缩率的倒数，单位为Pa。VpVK1可见，K值大的流体压缩性小，K值小的流体压缩性大。4.流体的膨胀性温度升高，体积膨胀体胀系数在一定压强下单位温升引起的体积变化率，单位1/k或1/C。TVVTVVV式中，δT为温度的增量。§1.4流体的主要物理性质通常情况下，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特例：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。流体的压缩性和膨胀性§1.4流体的主要物理性质5.流体的粘性是流体抵抗变形的能力，是流体的固有属性，是运动流体产生机械能损失的根源。流体的粘性UF’Fxyoyxh牛顿粘性应力公式牛顿发现：1FUFAFh并且F与流体的种类有关即：hUAF§1.4流体的主要物理性质式中，μ为流体的动力粘度，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；U/h为速度梯度，表示在速度的垂直方向上单位长度的速度增量，单位S-1；A为两平板的接触面积。切向应力是指流层间单位面积上的内摩擦力，即：Uhxyx+xxyyo当流动为二维非线性速度分布时，牛顿粘性应力公式可表示为：xddy各流层间的切向应力和速度梯度成正比§1.4流体的主要物理性质流体流动的速度梯度与流体微团的角变形速度的关系为：000tan()~limlimxxtttydddtttdy当时，，故有：牛顿粘性应力公式用流体微团的角变形速度可表示为：dtd各流层间的切向应力和流体微团的角变形速度成正比yxt在流体力学中还常遇到动力粘度与密度的比值，即运动粘度，单位为m2/s§1.4流体的主要物理性质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§1.4流体的主要物理性质例题1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，求克服油的粘性阻力所消耗的功率。dn解：油层与轴承接触面上的速度为零，与接触面上的速度等于轴面上的线速度：m/s77.33020018.030nrr轴表面上的切向力为：N10535.1136.010277.372.044dlμτAF克服摩擦所消耗的功率为：kW57.9W1079.577.