西南交通大学本科生流体力学课件完整版

第1章绪论第1章绪论本章重点掌握1.流体的含义2.流体与固体的主要区别3.流体的主要物理性质（密度、重度、黏度）4.作用在流体上的力（表面力、质量力）§1.1概述课程性质工程流体力学是土建类专业的一门重要技术基础课基础课→技术基础课→专业课§1.1概述。压；拉、剪（流动时）—流体拉、压、弯、剪、扭；—固体力学特征。易流动，随容器而方圆—流体有固定形状—固体形态特征气体（气体力学）液体（水力学）流体力学）—流体（如水、气体固体力学）—固体（如土建结构自然界的物质§1.1概述研究内容1.流体平衡的规律(教材第二章）2.流体机械运动的规律（教材第三、四、五章）3.基本工程应用（第六、七、八、九章）基本假说连续介质假说（必要性、可行性）第1章绪论工程应用交通土建工程市政及建筑工程输运工程（输油、输气、真空管道运输）环境工程消防工程水利水电工程机械工程………§1.1概述研究方法1.理论分析方法2.实验分析方法3.数值模拟方法§1.2流体的主要物理性质密度、重度黏度定义：在运动状态下，流体具有抵抗剪切变形速率的能力的量度。牛顿平板实验ohdyyu+duuyU§1.2流体的主要物理性质牛顿内摩擦定律引入比例系数μ，得du/dy的含义数学含义：垂直于流动方向的流速梯度。yuAhUAFddyuAFdd§1.2流体的主要物理性质物理含义：运动流体的剪切变形速率。uu+duγdt时刻t+dt时刻(u+du)dtdudtudtdy§1.2流体的主要物理性质μ、ν=μ/ρ—黏度系数★注意：液体和气体的黏度随温度变化规律不同。)(,等流体种类，压强，温度fortLiquidsGases§1.2流体的主要物理性质牛顿流体与非牛顿流体实际流体（μ≠0）与理想流体（μ=0）dudyoτ0τ膨胀性流体宾汉型塑性流体牛顿流体假塑性流体§1.2流体的主要物理性质压缩性和膨胀性压缩性：在温度不变条件下，流体体积随压强增加而减小的性质。体积压缩系数体积弹性模量膨胀性：在压强不变条件下，流体体积随温度增加而增加的性质。体积膨胀系数α=(dv/v)/dT/N)(md/dd/d2ppVV)(N/m/dd/dd12pVVpE§1.3作用在流体上的力§1-3作用在流体上的力表面力)()(limlim00切向应力法向应力AFAFpTApA△F△F△A△FpT§1.3作用在流体上的力质量力kjikjifFfzyxzyxfffmFmFmFm)m/s(2或例题例题[例]如图所示，若作用在流体上的质量力只有重力，试求相应的单位质量力。[解]质量力在各坐标轴上的分力为单位质量力在各坐标轴上的分量为mgFFFzyx,0,0mgyxzogmmgfffzyx,0,0交通土建工程应用交通土建工程应用交通土建工程应用交通土建工程应用交通土建工程应用市政及建筑工程应用市政及建筑工程应用市政及建筑工程应用市政及建筑工程应用市政及建筑工程应用市政及建筑工程应用市政及建筑工程应用市政及建筑工程应用输运工程应用输运工程应用消防工程应用水利水电工程应用水利水电工程应用水利水电工程应用水利水电工程应用水利水电工程应用水利水电工程应用工程流体力学课件西南交通大学国家工科力学基础课教学基地工程流体力学教研室工程流体力学课件☞你想知道高尔夫球飞得远应表面光滑还是粗糙吗？☞你想知道汽车阻力来至前部还是尾部吗？☞你想知道机翼升力来至下部还是上部吗？☞你想知道………———请学习工程流体力学目录第1章绪论第2章流体静力学第3章流体动力学理论基础第4章量纲分析与相似原理第5章流动阻力与水头损失第6章孔口、管嘴及有压管流第7章明渠恒定流动第8章堰流第9章渗流教材及教学参考书禹华谦主编，工程流体力学，第1版，高等教育出版社，2004禹华谦主编，工程流体力学（水力学），第2版，西南交通大学出版社，2007黄儒钦主编，水力学教程，第3版，西南交通大学出版社，2006刘鹤年主编，流体力学，第1版，中国建筑工业出版社，2001李玉柱主编，流体力学，第1版，高等教育出版社，1998禹华谦主编，水力学学习指导，西南交通大学出版社，1998禹华谦编著，工程流体力学新型习题集，天津大学出版社，2006讲次第1讲第2讲第3讲第4讲第5讲第6讲第7讲第8讲第9讲第10讲第11讲第12讲第13讲第14讲第15讲第16讲第17讲高尔夫球表面为什么有很多小凹坑？最早的高尔夫球现在的高尔夫球高尔夫球表面为什么有很多小凹坑？高尔夫球表面之所以设计有许多小凹坑，其目的是让高尔夫球飞得更远。统计发现，一颗表面平滑的高尔夫球，经职业选手击出后，飞行距离大约只是表面有凹坑的高尔夫球的一半。为了找出最佳发射条件，高尔夫产业的工程师和科学家对球杆和球之间的撞击进行了深入的研究。撞击通常只维持1/2000秒，它决定了球的速度、发射角以及球体的自旋速度。接着，球的飞行轨迹会受到重力以及空气动力学的影响。因此，空气动力学的最佳化设计便成为让高尔夫球飞得远的关键。空气对于任何在其中运动的物体，包括高尔夫球，都会施加作用力。把你的手伸出行驶中的车外，可以很容易地说明这个现象。空气动力学家把这个力分成两部分：升力及阻力。阻力的作用方向与运动方向相反，而升力的作用方向则朝上。高尔夫球表面的小凹坑可以减少空气的阻力，增加球的升力。一颗高速飞行的高尔夫球，其前方会有一高压区。空气流经球的前缘再流到后方时会与球体分离。同时，球的后方会有一个紊流尾流区，在此区域气流起伏扰动，导致后方的压力较低。尾流的范围会影响阻力的大小。通常说来，尾流范围越小，球体后方的压力就越大，空气对球的阻力就越小。小凹坑可使空气形成一层紧贴球表面的薄薄的紊流边界层，使得平滑的气流顺着球形多往后走一些，从而减小尾流的范围。因此，有凹坑的球所受的阻力大约只有平滑圆球的一半。小凹坑也会影响高尔夫球的升力。一个表面不平滑的回旋球，会像飞机机翼般偏折气流以产生升力。球的自旋可使球下方的气压比上方高，这种不平衡可以产生往上的推力。高尔夫球的自旋大约提供了一半的升力。另外一半则是来自小凹坑，它可以提供最佳的升力。大多数的高尔夫球有300～500个小凹坑，每个坑的平均深度约为0.025厘米。阻力及升力对凹坑的深度很敏感：即使只有0.0025厘米这么小的差异，也可以对轨迹和飞行距离造成很大的影响。小凹坑通常是圆形的，但其他的形状也可以有极佳的空气动力性能，例如某些公司生产的高尔夫球采用的是六角形汽车阻力来自前部还是后部？汽车发明于19世纪末，当时人们认为汽车的阻力主要来自前部对空气的撞击，因此早期的汽车后部是陡峭的，称为箱型车，阻力系数CD很大，约为0.8。汽车阻力来自前部还是后部？实际上汽车阻力主要来自后部形成的尾流，称为形状阻力。汽车阻力来自前部还是后部？20世纪30年代起，人们开始运用流体力学原理改进汽车尾部形状，出现甲壳虫型，阻力系数降至0.6。汽车阻力来自前部还是后部？20世纪50－60年代改进为船型，阻力系数为0.45。汽车阻力来自前部还是后部？80年代经过风洞实验系统研究后，又改进为鱼型，阻力系数为0.3。以后进一步改进为楔型，阻力系数为0.2。汽车阻力来自前部还是后部？90年代后，科研人员研制开发的未来型汽车，阻力系数仅为0.137。经过近80年的研究改进，汽车阻力系数从0.8降至0.137，阻力减小为原来的1/5。目前，在汽车外形设计中流体力学性能研究已占主导地位，合理的外形使汽车具有更好的动力学性能和更低的耗油率。机翼升力来至下部还是上部？第3章流体动力学理论基础第3章流体动力学理论基础运动流体第3章流体动力学理论基础第3章流体动力学理论基础第3章流体动力学理论基础★研究思路：理想流体（μ=0）→实际流体（μ≠0）★研究内容：p=p(x,y,z,t),u=u(x,y,z,t)★基本理论：质量守恒定律、牛顿第二定律★重点掌握：恒定总流的三大基本方程§3.1描述流体运动的方法拉格朗日法研究对象——流体质点或质点系☆固体运动常采用拉格朗日法研究，但流体运动一般较固体运动复杂，通常采用欧拉法研究。§3.1描述流体运动的方法欧拉法研究对象——流场当地加速度（时变加速度）迁移加速度（位变加速度）§3.2研究流体运动的若干基本概念恒定流动与非恒定流动一元流动、二元流动、三元流动流线与迹线定义u21uu2133u6545u46u§3.2研究流体运动的若干基本概念基本方程流线性质一般情况，流线不能相交，且只能是一条光滑曲线。迹线：tuzuyuxzyxdddds1s2交点折点szyxuzuyuxddd0d或su§3.2研究流体运动的若干基本概念流线充满整个流场。定常流动时，流线的形状、位置不随时间变化，且与迹线重合。流线越密，流速越大。例题1§3.2研究流体运动的若干基本概念流管、元流、总流、过流断面§3.2研究流体运动的若干基本概念流量、断面平均流速流量：单位时间通过的流体量。常用单位：m3/s或L/s换算关系：1m3=1000LAAuQd§3.2研究流体运动的若干基本概念断面平均流速过流断面上实际流速分布都是非均匀的。在流体力学中，为方便应用，常引入断面平均流速概念。vuAAuAQvAd§3.2研究流体运动的若干基本概念均匀流与非均匀流、渐变流均匀流：各流线为平行直线的流动；其迁移加速度等于零，即非均匀流：各流线或为曲线、或为彼此不平行的直线；其迁移加速度不等于零，即天然河流为典型的非均匀流动。非均匀流动根据其流线弯曲程度又可分为渐变流和急变流。0)(uu0)(uu§3.2研究流体运动的若干基本概念渐变流：流线近似为平行直线的流动；或流线的曲率半径R足够大而流线之间的夹角β足够小的流动。Rβ§3.2研究流体运动的若干基本概念渐变流过流断面的两个重要性质渐变流过流断面近似为平面；渐变流过流断面上的动压近似按静压分布，即Cpz§3.3流体运动的连续性方程★连续性方程是质量守恒定律在流体力学中的数学表达式。一、连续性微分方程取如图所示微小六面体为控制体，分析在dt时间内流进、流出控制体的质量差：§3.3流体运动的连续性方程x方向:zyxxuzyxxuuxxzyxxuuxxmxxxxxxddd)(dd)d21)(d21(dd)d21)(d21(§3.3流体运动的连续性方程Y方向：Z方向：据质量守恒定律：单位时间内流进、流出控制体的流体质量差等于控制体内流体面密度发生变化所引起的质量增量。即：zyxyumyyddd)(zyxzumzzddd)(zyxtmmmzyxddd§3.3流体运动的连续性方程将代入上式，化简得：或上式即为流体运动的连续性微分方程的一般形式。zyxmmm、、0)()()(zuyuxutzyx0)(ut§3.3流体运动的连续性方程对于恒定不可压缩流体，连续性方程可进行简化：☈定常流或☈不可压缩流体或)0(t0)()()(zuyuxuzyx0)(u)(常数0zuyuxuzyx0u例题2§3.3流体运动的连续性方程二、连续性积分方程取图示总流控制体，将连续性微分方程对总流控制体积分：VV0dV)(dVut§3.3流体运动的连续性方程☈☈因控制体不随时间变化，故式中第一项VVdVdVtt据数学分析中的高斯定理，式中第二项VddV)(AnAuu§3.3流体运动的连续性方程故得连续性积分方程的一般形式为0ddVVAnAut§3.3流体运动的连续性方程三、定常不可压缩总流的连续性方程0dAnAu对于定常不可压缩