“工程流体力学”教案轮机工程学院

“工程流体力学”教案轮机工程学院目录第三章流体运动学第四章流体动力学基础第五章粘性流体的一元流动第二章流体静力学第一章绪论第六章有势流动第七章边界层理论基础第一章绪论§1–1流体力学的内容与研究方法§1–2流体力学发展简史和在工程实践中的地位§1–4流体的力学性质§1–3作用于流体上的力1、流体力学的研究内容流体力学是近代力学的一大分支，它是研究流体的平衡和运动规律以及流体与固体之间相互作用关系的一门科学，主要是确定流体的速度分布，压强分布与能量损失，以及流体与固体相互间的作用力与作用力矩。流体力学中研究得最多的流体是水和空气。除水和空气以外流体还包括作为汽轮机工作介质的水蒸汽、润滑油、石油、含泥沙的水体、血液、溶化状态下的金属和燃烧后产生的成分复杂的气体，高温条件下的等离子体等等。§1.1流体力学研究的内容和方法流体力学是一门即古老又新兴的学科，存在着极为广阔的研究天地。例如：航空、航天、航海、天文气象、地球物理、水利水电、热能制冷、土建环保、石油化工、气液输送、燃烧爆炸、冶金采矿、生物海洋、军工核能、机械制造、机械工程等等部门都有许多流体力学问题。流体与固体是物质的不同表现形式，它们都有下列物质基本属性：2、流体的物理属性1.由大量分子组成；2.分子不断作随机热运动；3.分子与分子之间存在着分子力的作用。流体气体液体不过这三个物质基本属性表现在气体、液体与固体方面却有量与质的差别。同样体积内的分子数目，气体少于液体,液体又少于固体，因此气体分子间距离大，引力小，液体次之。这些微观的差异导致宏观表象是：固体有一定的体积和一定的形状；液体有一定的体积而无一定的形状；气体既无一定的体积也无一定的形状。从力学性质来看，固体具有抵抗压力、拉力和剪切力三种能力，因而在外力作用下，通常只发生较小的变形，而且到一定程度后变形就停止。流体由于分子间引力小，不能保持一定的形状，所以它仅能抵抗压力而不能抵抗拉力和剪切力，当它受到剪切力作用时，就要发生连续不断的变形既流动。这就是固体与流体的显著区别。液体与气体的区别？3、流体质点的概念定义：从微观结构来看，流体分子与分子之间存在着较大间隙，是不连续的但是对于研究宏观规律的流体力学来说，一般不需要讨论分子的微观结构，而是对流体的物理实体加以模型化。流体微团——流体中宏观尺寸非常小而微观尺寸又足够大的任意一个物理实体，具有自己的体积和质量。流体质点——流体中可以忽略线性尺度的最小单元。4、连续介质假设这样，我们就可以顺利地运用连续函数和场论等数学工具研究流体运动和平衡问题。欧拉在1753年提出连续介质力学模型的假设：a.将真实的流体看成是连续一片的，既没有空隙又没有分子运动的一种假想的流体；b.表征流体属性的诸物理量，如密度、速度、压强、切应力、温度等在流体连续流动时是时间与空间坐标变量的单值、连续可微函数，从而形成各种物理量的标量场和矢量场（流场）。§1.2流体力学发展简史及其在工程实践中的地位一.发展简史(分为五个时期):1.约史前至公元前20世纪--火、水、风的初步利用2.公元前20世纪至17世纪下叶理论上:公元前250年《论浮体》工程上:水利上的应用,公元前300年都江堰工程3.17世纪下叶至20世纪初叶--快速发展时期牛顿——粘性流体的剪应力公式；伯努力—定常不可压缩流体的伯努力定理；欧拉—流体运动的描述方法和无粘性流体运动的方程组;拉格朗日—流函数；雷诺—雷诺实验、雷诺方程式；纳维－斯托克斯——粘性流体运动微分方程。4.20世纪初至中叶—航空理论与实践发展的黄金时期5.20世纪中叶以后—学科交叉,新学科产生流体力学开始研究气象、海洋、石油、化工、能源、环保和建筑等领域中的流体力学问题，并与有关邻近学科相互渗透，形成许多新分支。前沿--湍流,流动稳定性,涡旋和非定常流交叉学科和新分支:工业流体力学;气体力学;环境流体力学稀薄气体力学;电磁流体力学;微机电系统宇宙气体力学;液体动力学;微尺度流动与传热地球流体力学;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;渗流力学和流体机械等二.流体力学在工程实践中的地位:1.基础性很强和应用性很广的学科2.研究领域包括航天、大气、海洋、航运、水利、、化工、机械、动力、医学等。§1.3作用于流体上的力xyZWVAO图1质量力与表面力FTmFIFRF作用在流体上的力可以分为两大类，表面力和质量力。一.质量力（体积力）1.定义:处于某种力场中的流体,所有质点均受到与质量成正比的力.(重力场,电磁场)2.单位质量力质量力的大小以作用在单位质量流体上的质量力，即单位质量力来度量。在重力场中，对应于单位质量力的重力数值上就等于重力加速度g，单位为m/s2。在直角坐标系中，若质量力在各坐标轴上投影分别为Wx，Wy，Wz，则单位质量力在各坐标轴的分量分别等于则fmWfxxmWfyymWfzzkfjfiffzyx二.表面力1.定义:作用于所取脱离体表面上的力.这种力通常是脱离体以外的物体通过接触面作用于脱离体的力.2.在流体力学中用单位表面积上所作用的表面力(称为应力)来表示。应力可分为法向应力和切向应力两种。(单位：Pa)2.表面力特点:1)具有方向性;2)只有压应力3)静止流体不存在切应力三.质量力与表面力的区别§1.4流体的力学性质一.流体的密度、比容和重度1.密度2.比容3.重度4.混合气体的密度图2流体微团),,(zyxPmVVmAxyzoVmVmVddlim0dmdVmVV0lim0dlimdVGmggVV11221...nnniii二.流体的膨胀性和压缩性随着压强的增加，流体体积缩小；随着温度的增高，流体体积膨胀，这是所有流体的共同属性，即流体的压缩性和膨胀性。1、流体的膨胀性在一定的压强下，流体的体积随温度的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来表示，它表示当压强不变时，升高一个单位温度所引起流体体积的相对增加量，即式中—流体的体积膨胀系数，1/℃，1/K；TT/TVVVTVTT压强温度(℃)(105Pa)1～1010～2040～5060～7090～1000.989819649088214×10-643×10-672×10-6149×10-6229×10-6150×10-6165×10-683×10-6236×10-6289×10-6422×10-6422×10-6426×10-6429×10-6437×10-6556×10-6548×10-6539×10-6523×10-6514×10-6719×10-6704×10-6661×10-6621×10-6表1水的体积膨胀系数（1/℃）T111ggTTpCmRTmRdVdVdTVdTpVpTT气体膨胀系数可由气体状态方程式（令）求得：（）与成反比。2、流体的压缩性在一定的温度下，流体的体积随压强升高而缩小的性质称为流体的压缩性。流体压缩性的大小用体积压缩系数来表示。它表示当温度保持不变时，单位压强增量引起流体体积的相对缩小量，即pVVppp式中—流体的体积压缩系数，1/Pa；pppVTmRpTmRdpdVggp1)1()(12气体：3、体积弹性模量1vpVpEV4、可压缩流体与不可压缩流体压缩性是流体的基本属性。任何流体都是可以压缩的，只不过可压缩的程度不同而已。液体的压缩性都很小，随着压强和温度的变化，液体的密度仅有微小的变化，在大多数情况下，可以忽略压缩性的影响，认为液体的密度是一个常数。我们称=0的流体称为不可压缩流体。tdd5、正压流体与斜压流体()fp,fpT三.流体的粘性1.粘性力定义当流体在外力作用下，流体微团间出现相对运动时，随之产生一对阻碍流体层间相对运动的摩擦力，称为内摩擦力或粘性力。产生这种内摩擦力的性质叫粘性。2.牛顿内摩擦定律3.粘度1）动力粘度2)运动粘度4.理想流体与粘性流体5.牛顿流体与非牛顿流体6.粘度与温度之间的关系粘性是流体抵抗变形的能力，它是流体的固有属性。yuAFddyuAFdd[]/xPasdvdy2[/]msF本章主要内容1.流体力学研究的主要内容。2.连续介质假设的含义、依据和意义。3.作用于流体上的力的分类，以及单位。4.什么是可压缩流体，不可压缩流体。5.什么是正压流体，斜压流体。6.什么是理想流体，粘性流体。7.什么是牛顿流体，非牛顿流体。8.牛顿内摩擦定律的表达式。9.粘度与温度之间的关系。10.体积膨胀系数、体积压缩系数的含义，单位。