流体力学结课论文

河北工程技术学院《流体力学》结课论文系（部）土木工程专业班级设计班学号14081001177学生姓名王飞龙指导教师李华职称高级工程师2017年1月2日流体力学主要内容及在土木工程专业的应用摘要：流体力学是力学一个独立的分支，是一门研究流体（液体和气体）的平衡和力学运动规律及其应用的科学。它所研究的基本规律包括两大部分：一是流体平衡的规律，即流体静力学；二是流体运动的规律，即流体动力学。流体力学的这些特点使它与实际应用产生了很大的关联，因此具有极大的研究价值。同时土木工程在设计建设等工程中时时刻刻需要考虑水的流动、风的荷载、土的流失、地基设计等等。因此流体力学在土木工程设计起着举足轻重的作用，是设计研究各种建筑结构的基础课。关键词：流体力学研究内容主要物理性质理论分析实验研究方法土木工程实践应用1、流体力学主要内容正文流体的主要物理性质：1、流体：只能承受压力，一般不能承受拉力与抵抗拉伸变形。液体有一定的体积，存在一个自由液面；气体能充满任意形状的容器，无一定的体积，不存在自由液面。2、流体的连续介质模型微观：连续介质模型（continuumcontinuousmediummodel）：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)。3、惯性一切物质都具有质量，流体也部例外。质量是物质的基本属性之一，是物体惯性大小的量度，质量越大，惯性也越大4、压缩性流体的可压缩性（compressibility）：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率来量度。5、粘度粘性粘性：即在运动的状态下，流体所产生的抵抗剪切变形的性质；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。1、理论分析理论分析（理论研究方法）是根据流体运动的普遍规律如质量守恒、动量守恒、能量守恒等，利用数学分析的手段，研究流体的运动，解释已知的现象，预测可能发生的结果。理论分析的关键步骤是建立“理想力学模型”，即针对实际流体的力学问题，分析其中的各种矛盾并抓住主要方面，对问题进行简化而建立反映问题本质的“力学模型”。流体力学中最常用的基本模型有：连续介质、牛顿流体、不可压缩流体、理想流体、平面流动等。不过由于数学上的困难，许多实际流动问题还难以精确求解。这种方法简单实用，即便在计算机高度发达的今天，仍然适用。2、实验研究方法实验研究方法主要包括两个方面，即现场观测和实验室模拟。现场观测是对自然界固有的流动现象或已有工程的全尺寸流动现象，利用各种仪器进行系统观测，从而总结出流体运动的规律，并借以预测流动现象的演变。过去对天气的观测和预报，基本上就是这样进行的。不过现场流动现象的发生往往不能控制，发生条件几乎不可能完全重复出现，影响到对流动现象和规律的研究；现场观测还要花费大量物力、财力和人力。因此，人们建立实验室，使这些现象能在可以控制的条件下出现，以便于观察和研究。同物理学、化学等学科一样，流体力学离不开实验，尤其是对新的流体运动现象的研究。实验能显示运动特点及其主要趋势，有助于形成概念，检验理论的正确性。二百年来流体力学发展史中每一项重大进展都离不开实验。模型实验在流体力学中占有重要地位。这里所说的模型是指根据理论指导，把研究对象的尺度改变(放大或缩小)以便能安排实验。有些流动现象难以靠理论计算解决，有的则不可能做原型实验(成本太高或规模太大)。这时，根据模型实验所得的数据可以用像换算单位制那样的简单算法求出原型的数据。现场观测常常是对已有事物、已有工程的观测，而实验室模拟却可以对还没有出现的事物、没有发生的现象(如待设计的工程、机械等)进行观察，使之得到改进。因此，实验室模拟是研究流体力学的重要方法。3、数值计算其次是针对流体运动的特点，用数学语言将质量守恒、动量守恒、能量守恒等定律表达出来，从而得到连续性方程、动量方程和能量方程。此外，还要加上某些联系流动参量的关系式(例如状态方程)，或者其他方程。这些方程合在一起称为流体力学基本方程组。求出方程组的解后，结合具体流动，解释这些解的物理含义和流动机理。通常还要将这些理论结果同实验结果进行比较，以确定所得解的准确程度和力学模型的适用范围。从基本概念到基本方程的一系列定量研究，都涉及到很深的数学问题，所以流体力学的发展是以数学的发展为前提。反过来，那些经过了实验和工程实践考验过的流体力学理论，又检验和丰富了数学理论，它所提出的一些未解决的难题，也是进行数学研究、发展数学理论的好课题。按目前数学发展的水平看，有不少题目将是在今后几十年以内难于从纯数学角度完善解决的。在流体力学理论中，用简化流体物理性质的方法建立特定的流体的理论模型，用减少自变量和减少未知函数等方法来简化数学问题，在一定的范围是成功的，并解决了许多实际问题。对于一个特定领域，考虑具体的物理性质和运动的具体环境后，抓住主要因素忽略次要因素进行抽象化也同时是简化，建立特定的力学理论模型，便可以克服数学上的困难，进一步深入地研究流体的平衡和运动性质。20世纪50年代开始，在设计携带人造卫星上天的火箭发动机时，配合实验所做的理论研究，正是依靠一维定常流的引入和简化，才能及时得到指导设计的流体力学结论。此外，流体力学中还经常用各种小扰动的简化，使微分方程和边界条件从非线性的变成线性的。声学是流体力学中采用小扰动方法而取得重大成就的最早学科。声学中的所谓小扰动，就是指声音在流体中传播时，流体的状态(压力、密度、流体质点速度)同声音未传到时的差别很小。线性化水波理论、薄机翼理论等虽然由于简化而有些粗略，但都是比较好地采用了小扰动方法的例子。每种合理的简化都有其力学成果，但也总有其局限性。例如，忽略了密度的变化就不能讨论声音的传播；忽略了粘性就不能讨论与它有关的阻力和某些其他效应。掌握合理的简化方法，正确解释简化后得出的规律或结论，全面并充分认识简化模型的适用范围，正确估计它带来的同实际的偏离，正是流体力学理论工作和实验工作的精华。流体力学的基本方程组非常复杂，在考虑粘性作用时更是如此，如果不靠计算机，就只能对比较简单的情形或简化后的欧拉方程或N-S方程进行计算。20世纪30～40年代，对于复杂而又特别重要的流体力学问题，曾组织过人力用几个月甚至几年的时间做数值计算，比如圆锥做超声速飞行时周围的无粘流场就从1943年一直算到1947年。数学的发展，计算机的不断进步，以及流体力学各种计算方法的发明，使许多原来无法用理论分析求解的复杂流体力学问题有了求得数值解的可能性，这又促进了流体力学计算方法的发展，并形成了“计算流体力学”。从20世纪60年代起，在飞行器和其他涉及流体运动的课题中，经常采用电子计算机做数值模拟，这可以和物理实验相辅相成。数值模拟和实验模拟相互配合，使科学技术的研究和工程设计的速度加快，并节省开支。数值计算方法最近发展很快，其重要性与日俱增。4、流动分析的简化由于流体物体比较复杂，要考虑流动流体中的全部物性及各种物理量是很困难的，有时也是不必要的。因此，需要抓住主要的受力因素加以分析，对各种运动状态进行分类、简化。总之，解决流体力学问题时，现场观测、实验室模拟、理论分析和数值计算几方面是相辅相成的。实验需要理论指导，才能从分散的、表面上无联系的现象和实验数据中得出规律性的结论。反之，理论分析和数值计算也要依靠现场观测和实验室模拟给出物理图案或数据，以建立流动的力学模型和数学模式；最后，还须依靠实验来检验这些模型和模式的完善程度。此外，实际流动往往异常复杂(例如湍流)，理论分析和数值计算会遇到巨大的数学和计算方面的困难，得不到具体结果，只能通过现场观测和实验室模拟进行研究。故有时候需要看情况使用合适的研究方法或者综合多种方法就行研究。2、流体力学在土木工程中的应用正文流体对各种建筑结构的作用土木建构物的建筑环境不可避免会有地下及地表流水的影响，对于高层,或者高出建筑物，风对建筑物的影响也是不可小觑的。在建筑物设计之初不但要考虑这些流体对施工的影响，在建成后，也得防范流体的长期作用对建构物的负面影响。怎么认识这些影响？正如兵家所言，知己知彼，百战不殆，流体力学作为土木工程一门重要学科，通过对流体力学的学习，会使我们对流体形成一种客观正确的认识。1.1流体力学在工业民用建筑中的应用：工业民用建筑是常见建筑，对于低层建筑，地下水是最普遍的结构影响源，集中表现为对地基基础的影响。如果设计时对建筑地点的地下基地上水文情况了解不到位，地下水一旦渗流会对建筑物周围土体稳定性造成不可挽救的破坏，进而严重影响地基稳定，地基的的破坏对整个建筑主体来说是寿命倒计时的开始。一些人为的加固可能及耗材费力，又收效甚微。地下水的浮力对结构设计和施工有不容忽视的影响，结构抗浮验算与地下水的性状、水压力和浮力、地下水位变化的影响因素及意外补水有关。对于这些严重影响建筑物寿命和甚至波及人生安全的有水的流动性造成问题可以通过水力学知识在建筑物的实际和施工之前给以正确的设计与施工指导。避免施工时出现基坑坍塌等重大问题，也能避免施工结束后基地抵抗地下水渗流能力差的问题。现在建筑越来越趋向于高层，高层节约了土地成本，提供了更多的使用空间，但也增加了设计施工问题。因为随着高度的增加，由于地表及其附近物体对气体流动的阻碍减少，气体流动速度很大，除此之外，高层聚集处由于高层的层高和体积问题，这会对气体的流动产生很大影响，随即会对建筑物的稳定性产生影响，对建筑物的构造和建筑材料考可靠性提出更高的要求。对建筑的影响是使建筑产生侧向变形，风大时产生振动。主要由基本风压，风压高度变化系数，风荷载体形系数，风振系数。这些系数和所在地的风的大小，建筑高度，建筑的外形，和地区粗糙度有关。气体的流动产生风，通过流体力学可以把气流流动产生的问题具体化，数值化，针对这些问题再针对性的合理解决，即有助于设计施工的进程，又可以合理的运用材料，做到快速，放心，合理。在工民建筑中的另一些方面如水景景观供水，暖气水管网供水等问题中，通过流体力学的科学计算，会对这些在具体实施的过程中可能出现的问题给出科学的数据依据。1.2流体力学在给水排水工程中的应用：给排水工程：用于水供给、废水排放和水质改善的工程。分为给水工程和排水工程。古代的给排水工程只是为城市输送用水和排泄城市内的降水和污水。近代的给排水工程是为控制城市内伤寒、霍乱、痢疾等传染病的流行和适应工业与城市的发展而发展。现代的给排水工程已成为控制水媒传染病流行和环境水污染的基本设施，是发展城市及工业的基础设施之一，市政工程的主要组成部分。给排水研究的主要对像就是水，在以导水为主要目的的运作做中，主要问题就是合理完善的解决“流水”问题。在这方面，水主要是以管道为媒介进行疏导的，疏导中，不同的地放水流量积水性质不一样。单看水流量，就对管道长生种种要求。如何合理的解决这些“流水”问题?如何确定合理材料/如何合理的应用这些材料？针对这些实际中的问题，通过水力学理论的研究，可以得到合理的答案，获得合理的方案。为施工人员正确的施工提出正确理论依据。针对性的计算不但可以节约施工时间成本，更加合理化了管材等的配置。1.3流体力学在道路桥梁交通中的应用：道路路桥工程是关乎民生，国防建设的重大工程，它的安全性可靠性更是重中之重。此外，由于路桥的造价很高，且修建需要一定的时间，因此大多数的路桥设计使用年限是很长的。在这么长的时间里，经受水流的长时间的侵蚀作用，要保持极高的结构强度与结构健康性。那么对这些侵蚀的来源有准确的了解定性，还要有确切的数据一边结构设计和材料选用作参考就显得尤为重要。这些重要工程在施工，使用和维护当中最普遍的是遇到水流的影响。对于公路，铺设时的选址与路基稳定性都会受到水的影响，施工与使用过程中对于集聚水的的及时排除以消除对路面影响，此外还要考虑路边渗水问题等等。这些客观存在的问题都会对公路的建设保养长生很大影响。对于桥来说，由于其建筑环境的特殊性，流水影响就是它的主要问题，水流的持续