中国石油大学工程流体力学教案

中国石油大学工程流体力学教案绪论主要内容：流体力学概述工程流体力学概述本学期学习任务几点要求一、流体力学概述1、流体力学：研究流体的运动和平衡的规律以及流体和固体之间相互作用的一门科学。2、流体力学的应用（1）航空航天领域——空气动力学、稀薄空气动力学飞机、火箭、人造地球卫星、宇宙探测器、航天飞机等航空器都是在大气层内活动的飞行器。例：飞机为什么能飞？——各种飞机都是靠空气动力克服自身重力实现升空的。飞机在空中飞行，必然有外力作用。在水平飞行中，飞机上主要作用着4种力，它们是升力（Y）、阻力（X）、推力（P）和重力（G）。飞机的受力直接影响飞机的运动状态，它们相互平衡时，飞机便作水平匀速直线飞行。尽管有各个部件的配合，但是最主要的是飞机有一对采用特殊剖面形状的机翼。翼剖面又称翼型。大家知道，机翼外形都是采用称流线形设计。根据流体的连续性和伯努利定理可知，相对远前方的空气来说，流经上翼面的气流受挤，流速加快，压力减小，甚至形成吸力（负压力）；而流过下翼面的气流流速减慢。于是上下翼面就形成了压力差。这个压力差就是空气动力。按力的分解法则，将其沿飞行方向分解成向上的升力和向后的阻力。阻力由发动机提供的推力克服，升力正好可克服自身的重力，将飞机托向空中。这就是飞机会飞的奥秘。（2）船舶工业很显然，船舶工业更是离不开流体力学。船舶、舰艇的外形直接影响到他们的航行速度、稳定性等特性，在设计时必须考虑在流体力学上如何使船体线型达到最佳。例：潜艇现代潜艇按艇体线型的形状可分为三种，即常规型、水滴型和过渡型。常规型适宜于水面航行，但对提高水下航速是不利的。水滴型水下阻力小，有利于提高水下航速，但水滴型潜艇的水面航行性能较差，艇首容易上浪，而且易出现埋首现象。过渡型潜艇是把常规型的直首和水滴型的尖尾相结合的一种潜艇线型，这种潜艇的水面航行性能优于水滴型，而水下航行性能优于常规型潜艇。船吸现象1912年秋天，奥林匹克号正在大海上航行，在距离这艘当时世界上最大远洋轮的100米处，有一艘比它小得多的铁甲巡洋舰豪克号正在向前疾驶，两艘船似乎在比赛，彼此靠得较拢，平行着驶向前方。忽然，正在疾驶中的豪克号好像被大船吸引似地，一点也不服从舵手的操纵，竟一头向奥林匹克号闯去。最后，豪克号的船头撞在奥林匹克号的船舷上，撞出个大洞，酿成一件重大海难事故。根据流体力学的伯努利原理，流体的压强与它的流速有关，流速越大，压强越小；反之亦然。用这个原理来审视这次事故，就不难找出事故的原因了。原来，当两艘船平行着向前航行时，在两艘船中间的水比外侧的水流得快，中间水对两船内侧的压强，也就比外侧对两船外侧的压强要小。于是，在外侧水的压力作用下，两船渐渐靠近，最后相撞。又由于豪克号较小，在同样大小压力的作用下，它向两船中间靠拢时速度要快得多，因此，造成了豪克号撞击奥林匹克号的事故。现在航海上把这种现象称为船吸现象。鉴于这类海难事故不断发生，而且轮船和军舰越造越大，一旦发生撞船事故，它们的危害性也越大，因此，世界海事组织对这种情况下航海规则都作了严格的规定，它们包括两船同向行驶时，彼此必须保持多大的间隔，在通过狭窄地段时，小船与大船彼此应作怎样的规避，等等。（3）水利工程等关系到国计民生的大工程—理论计算、设计、勘察例：三峡工程：五级连续船闸——U形管原理（连通器）①当轮船从上游驶进船闸的时侯，上游阀门A打开，水通过底下的阀门从上游流进闸室，根据连通器原理，闸室内水位升高，直至与上游水位相平。②这时打开上游闸门C，轮船就可以驶入闸室了。③关上上游闸门C和阀门A，再打开下游阀门B，闸室内的水就通过阀门B流向下游。④当闸室内的水位降到与下游水位相平的时侯就不再下降了，这时打开下游闸门D，轮船就可以从闸室驶向下游。西气东输：西气东输输气管线西起新疆塔里木轮南油田，经甘肃、宁夏、陕西、山西、河南、安徽、江苏，最后抵达上海。沿途将穿越戈壁沙漠、黄土高原，以及吕梁山、太行山、太岳山，并跨越黄河、长江、淮河等江河，全长4000多公里。预计工程总投资1500亿元，输量最终达到200亿立方米／年。2000年3月西气东输工程项目正式启动，今年7月4日全线开工建设，2005年将全线贯通投产。西气东输工程的目标市场是长江三角洲地区的上海市、江苏省、浙江省以及沿线的河南省、安徽省等。2004年元旦正式对上海供气。西气东输要解决的关键问题是：管网设计、防腐、安全、环保等，与流体力学紧密相关。南水北调：南水北调总体规划推荐东线、中线和西线三条调水线路。通过三条调水线路与长江、黄河、淮河和海河四大江河的联系，构成以“四横三纵”为主体的总体布局。南水北调需要穿越隧道、黄河、倒吸虹、暗渠、桥等，输水河道、泵站枢纽的设计、工程布置等都要用到流体力学的知识。（4）石油工业钻井工程：洗井液、钻头水力学、泵、射流及喷射钻井、钻井浮船及平台设计等。采油工程：油气渗透，抽油机，注水驱油，振荡解堵，原油集输，油、水、气分离，清洗炮眼等。储运工程：管道及泵功率的设计、船舶运输等。炼油工程：设备流程设计，设备清洗。（5）医疗：高压水射流手术刀，人工心脏。现在血液在人体内的流动也是研究的一个热点。（6）其它：食品加工，飞机制造，跑道清洗，除尘，水力工程等。（7）身边典型实例：石大太阳广场喷水池管路的设计，喷水高度，泵的功率、扬程选择，喷嘴尺寸等都是一系列的流体力学问题。3、流体力学的发展简况——四个阶段（1）第一阶段——经验阶段：十七世纪前，主要是人们在与大自然斗争中的经验总结。例如，我国秦代李冰父子设计建造的四川都江堰工程，隋代大运河，水车，汉代张衡发明的水力浑天仪，古代铜壶滴漏计时等。（2）第二阶段——理论阶段：十七世纪～十九世纪一些水力原理论著出现，标志着流体力学的发展进入了理论阶段。•1643：托里拆利提出孔口泄流定理•1650：巴斯加提出压强传递定律•1686：牛顿提出液流内摩擦定理•1700—1783：D.Bernoulli定理•1717—1783：d’Alembert达朗贝尔——连续性方程•1707—1783：Euler理想流体运动方程•1785—1863：Navier粘性流体运动方程•1819—1903：Stokes也导出粘性流体运动方程•1820—1872：兰金（Rankine）发展了源汇理论•1821—1894：Helmholtz提出速度势，建立了旋涡运动和间断运动理论•1824—1887：客希霍夫继续研究间断运动及阻力•1842—1912：O.Reynolds层、紊流•1847—1921：茹可夫斯基研究机翼获得成功•1868—1945：兰彻斯特（Lanchester）研究了升力原因的环量概念•1875—1953：Prandtl在1904年提出边界层理论，从而使粘性流体和无粘性流体的概念协调起来（3）第三阶段20世纪初至中叶，流体力学理论、实验全面展开，航空航天迅速发展，湍流，稳定性等。（4）第四阶段——多学科互相渗透。工业流体力学，实验流体力学，地球流体力学，非牛顿流体力学，多相流体力学，生物流体力学，物理—化学流体力学，渗流力学等，都已形成相对独立的学科。4、流体力学的分类流体力学是一门基础性很强和应用性很广的学科，它的研究对象随着生产的需要与科学的发展在不断的更新、深化和扩大。从学科上看属于这一范畴的有理论流体力学、工程流体力学、水力学。理论流体力学：侧重于用数学分析方法进行理论探讨工程流体力学：从实用角度，对工程中涉及的问题建立相应的理论基础，并进行计算。水力学：侧重于用物理分析和实验方法进行实用计算二、工程流体力学概述1、特点：以物理为基础、以力学为依据、以数学为工具2、研究方法（1）实验模拟：在流体力学的发展过程中，实验方法是最先使用的的一种，其他两种方法出现一已做出过巨大贡献，即使到现在，若不使用这种方法，航空，航天事业和大型水利枢纽等复杂系统的顺利实现，将仍然是不可能的。利用相似原理，在风洞，水洞，水池，激波管进行模型试验，采用光、电手段，清晰显示流动图象，精确测量流场中的诸物理量与物体受力特性．这是实验流体力学的任务。主要步骤：①所给定的问题，选择适当的无量纲相似参数，并确定其大小范围；②据①准备试验条件，其中包括模型的设计制造与设备仪器的选择使用等；③订实验方案并进行试验；④理和分析实验结果，并与其他方法或著者所得的结果进行比较等。优点：能直接解决生产中的复杂问题，能发现流动中的新现象；它的结果，可以作为检验其他方法是否正确的依据。缺点：对不同情况，需作不同的实验，即所得结果的普适性较差。（2）理论分析继实验方法之后出现的是分析方法。主要步骤：①建立简化的数学模型，即根据所给问题的特点，作出一定的假设，并用以简化一般的流体力学运动方程组和初始条件与边界条件；②用分析方法求简化后的初始问题或边值问题的解析解；③选择适当的算例，利用解析解进行具体的数值计算；④将所得算例结果与用其他所得的相应结果进行比较，以检验简化模型的合理性。优点：解析解明确给出各种物理量与流动参量之间的变化关系，有较好的普适性缺点：数学上的难度很大，能获得的分析解的数量有限。如N－S方程（3）数值计算：依靠计算机，精确、高效地求解大规模离散化的流体力学方程组，是计算流体力学的研究任务，20世纪中叶才出现的一种方法。主要步骤：①对一般的流体运动方程，初始或边界条件，进行必要的简化或改写；②选用适当的数值方法，对简化或改写的初始问题或边值问题进行离散化；③编制程序，选取算例进行具体计算，并将所得结果绘制成图表；④将算例结果与实验或其他计算方法结果，进行比较。优点：许多用分析法无法求解的问题，用此法可以求得它们的数值解。如果计算机的速度和容量继续提高，计算方法不断改进，它所起的作用，将愈来愈大，但应注意，它仍是一种近似方法，它的结果仍应与实验或其他精确结果进行比较。缺点：对复杂而又缺乏完善数学模型的问题，仍无能为力。3、研究对象——流体（1）压缩性大小：液体(水)、气体（2）剪切变形特性：牛顿流体、非牛顿流体4、研究内容（1）流体平衡和运动规律（2）流体与固体相互作用的基本理论（3）解决工程设计和使用问题，比如管路设计三、本课程的学习任务1、教材：《工程流体力学》袁恩熙主编，石油工业出版社2、基本理论（1）牛顿内摩擦定律（2）静力学基本方程（3）连续性方程——质量守恒（4）伯努利方程——能量守恒（5）动量方程——动量守恒3、应用部分静压强计算、管路的水力计算、液体（静止或运动）对固体的作用力，等等4、四个实验（8学时）（1）水静压强实验（2）流量计实验（3）流态实验（4）沿程阻力实验四、几点要求认真听讲，记笔记，下课复习——强调平时努力的重要性作业：避免眼高手低，独立完成，每周收一次积极参与教学活动点名，不旷课第一章流体及其主要物理性质主要内容：•预备知识：单位制及其换算关系•流体的概念•流体的主要物理性质•作用在流体上的力预备知识1、单位制单位制质量M长度L时间T力F物理单位(CGS)克厘米秒达因工程单位(MKFS)公斤力﹒秒2/米米秒公斤力国际单位(MKS)千克米秒牛顿（kg·m/s2）注：CGS=Centimeter-Gram-Second(units)厘米-克-秒(单位制)MKFS=Meter-Kilogram-Force-Second(units)米-千克力-秒(单位制)MKS=Meter-Kilogram-Second(units)米-千克-秒(单位制)2、换算关系力：1公斤力＝9.8牛顿＝9.8×105达因1克力＝980达因1公斤力＝1000克力质量：1公斤力·秒2/米＝9.8×103克1千克＝0.102公斤力·秒2/米第一节流体的概念一、流体的概念自然界的物质有三态：固体、液体、气体从外观上看，液体和气体很不相同，但是从某些性能方面来看，却很相似。流体与固体相比，分子排列松散，分子引力较小，运动较强烈，无一定形状，易流动，只能抗压，不能抗拉和切。流体：是一种受任何微小剪切力都能连续变形的物质。它是气体和液体的通称。二、流体的特点液体气体微观分子排列紧密分子排列松散流动性易流动，只受压力，不受拉力和