中南大学流体力学绪论课件

1、Engineering Fluid Mechanics,流体力学电子教案,第一章 绪论,第一节 流体力学概述,3,第一节流体力学概述,1. 流体力学： （对象为流体）,研究流体平衡和力学运动规律及其在工 程技术上的应用的一门学科。,流体在外力作用下，平衡与运动的规律；,流体与 边界 的相互作用。,固定边界,运动边界,4,第一章 绪论,力学,2、流体力学（水力学）的学科性质,研究对象 力学问题载体,宏观力学分支遵循三大守恒原理,流体力学,水力学,流体,水,力学,强调水是主要研究对象 比较偏重于工程应用 土建类专业常用,5,第一章 绪论,3、工程流体力学中的基本力学问题和任务,1、作用力问题； 2

2、、过流能力问题； 3、流体能量的利用和能量损失问题； 4、水流形态问题。,6,空气和水是地球上广泛存在的物质，所以与流体运动关联的力学问题是很普遍的。流体力学在许多学科和工程领域有着广泛的应用。,本课程属于专业基础课，需要有一定的数理知识及理论力学、材料力学基础。,第一节流体力学概述,7,第一章 绪论,航天航空工业 （空气动力学）,造船工业 （水动力学）,电力工业 水电站、火电站、 核电站、地热电站,石油化工工业,8,1、建筑工程和土建工程中的应用。,基坑排水,地下水渗透,铁路路基排水,围堰修建,第一节流体力学概述,9,第一章 绪论,2、在市政工程中的应用。,如桥涵孔径设计、给水排水、管网计算

3、、 泵站 和水塔的设计、隧洞通风等，特别是给水排水 工程中，无论取水、水处理、输配水都是在水 流动过程中实现的。流体力学理论是给水排水 系统设计和运行控制的理论基础。,桥涵孔径的设计,隧洞通风,给水排水设计水厂,10,3.城市防洪工程中的应用。 如堤、坝的作用力与渗流问题、 防洪闸坝的过流能力等,公路与桥梁工程 路基的沉陷、崩竭、滑坡、 桥梁、涵洞、倒虹吸管和 透水贻堤的修建等,6. 在建筑环境与设备工程中的应用。 如供热、通风与空调设计，以及设备的选用等。,5. 机械工业中 涧滑、冷却、液压传动,4. 在采矿中的应用 矿井通风、采掘过程中的除尘、矿山排水、选矿工艺,第一节流体力学概述,11,

4、第一章 绪论,排球,足球,网球,游泳,赛艇,铁饼,高尔夫球,赛跑,赛车,标枪,乒乓球,羽毛球,大部分竞技体育项 目与流体力学有关,7. 在生活中的应用,空气和水是所有生物生存不可或缺的基础，然虽然生活在流体 环境中，人们对一些流体运动却缺乏认识，比如：,高尔夫球飞得远应表面光滑还是粗糙吗？ 汽车阻力来自前部还是尾部吗？ 机翼升力来自下部还是上部吗？ 建造在河边的房屋为什么容易倾斜？ 虹吸管中的水为什么能流到管道的高处？ 塔科马海峡大桥垮塌之谜？ ,第一章 绪论,高尔夫球运动起源于15世纪的苏格兰,起初，人们认为表面光滑的球飞行阻力小， 因此当时用皮革制球。,后来发现表面有很多划痕的旧球反而飞得

5、更远。,这个谜直到20世纪建立流体力学边界层理论后才解开。,现在的高尔夫球表面有 许多窝，在同样大小和 重量下，飞行距离为光 滑球的5倍,第一章 绪论,最开始人们认为汽车高速前进时的阻力主要来自车前部对空气的撞击,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0.8,实际上，汽车阻力主要取决于 后部形成的尾流 ，叫形状阻力,第一章 绪论,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0.6,20世纪5060年代改进为船型， 阻力系数为0.45,80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，

6、 阻力系数为0.2,第一章 绪论,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。,第一章 绪论,人们的直观印象是空气从下面冲击着鸟的翅膀，把鸟托在空中。 19世纪初流体力学环流理论彻底改变了人们的传统观念。,脱体涡量与机翼环量 大小相等方向相反,第一章 绪论,足球运动的香蕉球现象可以帮助理解环流理论,旋转的球带动空气形成环流，一侧气体加速，另一侧减速，形成压

7、差力，使足球拐弯，称为马格努斯效应,第一章 绪论,机翼升力来自上部还是来自下部,机翼的特殊形状使它不用旋转就能产生环量，上部流速加快形成吸力， 下部流速减慢形成压力，两者合成形成升力,测量和计算表明上部吸力的贡献比下部要大,第一章 绪论,高位取水的电力大于低位取水的电力？,答案,实际发电电能相同,在98长江特大洪水时，有人提出了一个紧急提案： 调用休渔期的数百只船至长江中游，抛锚后，齐开足马力用螺旋桨推动水流加大流速，降低长江上下游的洪水位?,答案,劳民伤财,第一节流体力学概述,1、流体力学形成的萌芽阶段（16世纪以前）,古时中国有大禹治水疏通江河的传说；改堵为疏， 对洪水进行疏导。三过家门而

8、不入,第一节流体力学概述,第一章 绪论,1、流体力学形成的萌芽阶段（16世纪以前）,秦朝李冰父子带领劳动人民修建的都江堰，至今还在发挥着作用。 郑国渠、灵渠,1、流体力学形成的萌芽阶段（16世纪以前）,郑国渠是公元前237年，秦王政采纳韩国水利家郑国的建 议开凿的。它西引泾水(陕西北面）东注洛水，长达300余里。 灌溉面积达280万亩，成为我国古代最大的一条灌溉渠道。,陕西泾阳县，此大坝为世界上最早,第一节流体力学概述,第一章 绪论,1、流体力学形成的萌芽阶段（16世纪以前）,南渠 （至漓江）,北渠（至湘江）,铧嘴,海洋河,30%,70%,防洪：灵渠从源头始每隔一段距离就有一个泄水涵，当渠中水

9、位高至上限，自动地往北面湘江泄水；灵渠的上游还筑有一道漫水堤，大大提高了渠道的泄水能力。因此每年夏季的雷雨季节，河里经常发洪水，不管北面的湘江有多大的洪水，南面灵渠的水量还是基本保持在原来的水位。,交通运输：连接珠江（岭南）与长江水系（中原）唐后沿途设斗门，相当于现代的闸门，为世界最早。,农田灌溉:,“七分湘水三分漓”,大小天平,铧嘴,始建于秦始皇时期 （公元前223年214年 ）,1、流体力学形成的萌芽阶段（16世纪以前）,赵州桥（公元591年至599年）,南北大运河（隋朝公元587年至610年）,拱背的4个小拱， 既减压主拱的负载， 又可宣泄洪水,第一节流体力学概述,第一章 绪论,元延祐三

10、年（公元1316年）造,日壶 (高75.5厘米、口径68.2厘米、底径60厘米),月壶(高58.5厘米、口径54.5厘米、底径53厘米 ),星壶（高55.4厘米、口径44厘米、底径39厘米）,受水壶（高75厘米、口径32厘米、底径31厘米 ）,铜尺（上有时辰刻度）,铜尺前有木剑，木剑前有一木块称浮舟,随时间的推移浮舟托起木箭缓缓上升。将木箭的顶端与铜表尺上的刻度对照，就可知道当时的时间。,1、流体力学形成的萌芽阶段（16世纪以前）,古罗马人建成 了大规模的供 水管道系统,第一节流体力学概述,第一章 绪论,1、流体力学形成的萌芽阶段（16世纪以前）,对流体力学学科的形成作出第一个贡献的是古希腊的

11、阿基米德，他建立了包括物理浮力定律和浮体稳定性在内的液体平衡理论，奠定了流体静力学的基础。此后千余年间，流体力学没有重大发展。,阿基米德发现浮力,2、古典流体力学阶段,15世纪，意大利达芬奇的著作才谈到水波、管流、 水力机械、鸟的飞翔原理等问题 。,达芬奇自画像,17世纪，帕斯卡阐明了静止流体中压力的概念。,布莱士帕斯卡,17世纪，牛顿自然 科学的数学原理一 书后，流体力学作为一 门严密的科学，随着经 典力学建立了速度、 加速度，力、流场等概 念，确立了质量、动量、 能量三个守恒定律最终 形成。,牛顿,第一节流体力学概述,第一章 绪论,2、古典流体力学阶段,欧拉,欧拉采用了连 续介质的概念，

12、把静力学中压 力的概念推广 到运动流体中， 建立了欧拉方 程，正确地用 微分方程组描 述了无粘流体 的运动,伯努利从经典力学的能量 守恒出发，研究供水管道 中水的流动，精心地安排 了实验并加以分析，得到 了流体定常运动下的流速、 压力、管道高程之间的关 系伯努利方程,伯努利,3、古典流体力学与实验流体力学相结合阶段（18到19世纪末）,谢才（ 法国）建立了 渠道流量经验公式,弗鲁德（英国） 建立了模型试验法则,雷诺（爱尔兰） 提出层流和紊流运动,第一节流体力学概述,达朗贝尔 (1717-1783),达朗贝尔对运河中船 只的阻力进行了许多 实验工作，证实了阻 力同物体运动速度之 间的平方关系,4

13、、公元18世纪至20世纪 数学分析、实验+数学分析、实验,数学分析,伯努利方程,欧拉方程,纳维斯托克斯方程（N-S方程 ）,雷诺方程,实验+数学分析,缺陷：复杂性、 理想模型的局限性、难应用于实际工程,谢才公式,曼宁公式,理论方法,理论实践,实用水力学,古典水力学,第一章 绪论,5、20世纪以后 数学分析、实验+数学分析、实验 计算机技术航空技术等(现代流体力学),普朗特 Prandtl L. (1875-1953),冯卡门 (1881-1963),卡门涡街,边界层分离现象,第一节流体力学概述,第一章 绪论,以周培源、钱学森为代表的中国科学家在湍流理论、 空气动力学等许多领域中作出了基础性、开

14、创性的贡献。,周培源（19021993 ）,钱学森（19112009）,第一章 绪论,理论分析、实验研究和数值计算三种方法相互结合， 是互相补充和验证，但又不能互相取代的关系。,理论分析,实验研究,数值计算,建立流体力学的基本方程式，如：压强基本方程式、连续方程式、能量方程式、动量方程式。,原型观测、系统实验、模型研究 得到流体力学计算公式和方法：谢才公式、曼宁公式。,有限差分法、有限元法,流动分析的简化,第二节 流体的主要物理性质,第二节 流体的主要物理性质,流体 ：指具有 流动性 且自身不能保持一定 形状的物体。,固体：有固定的平衡位置，具有一定的体积，一定的形状。,触变质：如胶状物和油漆

15、、沥青等。,从力学分析的意义上看，在于它们对外力抵抗的能力不同。,固体流体,第一章 绪论,第二节 流体的主要物理性质,液体和气体的区别：,(1) 气体易于压缩；而液体难于压缩；,(2)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。,液体和气体的共同点：,两者均具有易流动性，即在任何微小切应力作用下都会发 生变形或流动，故二者统称为流体。,第二节 流体的主要物理性质,流体质点,1）质点的宏观尺寸非常小，即limV0 ；,2）质点的微观尺寸足够大；,3）质点是一个物理实体；,4）质点的形状可任意划定，以做到质点之间无缝隙。,个分子,1mm3空气 (

16、1个大气压，00C),第二节 流体的主要物理性质,连续介质模型,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。,排除了分子运动的复杂性。,物理量作为时空连续函数，则可以利用连续函数这一数学工具来研究问题。,优点,特例,只有当考虑的现象具有比流体分子结构尺度大得多的尺度时才成立。 ？含有气泡的液体是否适用连续介质模型？,如 p，v，a，f（x，y，z，t）,第一章 绪论,41,第一次课要点回顾,流体力学的任务 流体力学在工程上的应用 固体、液体、气体三者的主要区别 连续介质假设 流体的惯性特性,第二节 流体的主要物理性质,

17、：重度或容重,单位：N/m3 ，或 kN/m3,单位： kg/m3,熟记：,以密度来衡量,比重,第二节 流体的主要物理性质,在温度不变的条件下，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,k 与K 随温度和压强而变化，但变化甚微,说明：A. K 越大，越不易被压缩，当K 无穷大时，表示该流体绝对不可压缩；,B. 流体的种类不同，其 k 和 K 值不同；,C. 同一种流体的k 和K 值随温度、压强的变化而变化,第二节 流体的主要物理性质,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,45,第二节 流体的主要物理性质,可压缩流体：流体密度随压强变化不能忽略的流

18、体C,不可压缩流体:流体密度随压强变化很小，流体的密度可 视为常数的流体 =C,(a) 严格地说，不存在完全不可压缩的流体。,(b) 一般情况下的液体都可视为不可压缩流体. (水击现象,液压冲击,水中爆炸波的传播等问题除外),(c) 对于气体，当所受压强变化相对较小时，可视为不可压缩流体。,(d) 管路中压降较大时，应作为可压缩流体。,第一章 绪论,答案,因为水的弹性模量很大，压强变化时，水的体积变化很小，可忽略不计，所以水通常被视为不可压缩流体,答案,水为可压缩流体；此时水龙头处的压强发生变化，且变化幅度较大,答案,适用,第二节 流体的主要物理性质,生活中的实例。,牛顿于1687年自然科学的

19、数学原理 书中提出粘性概念,一百年后由库仑用实验证实。,库仑实验： 把一薄圆板用细丝平吊在液体中，将圆板转过一角度后放开，圆板作往返摆动，逐渐衰减，直至停止，测量其衰减时间。用三种圆板做实验。（a、普通板，b、表面涂蜡，c、表面胶一层细砂）,库仑实验证明衰减原因不是圆板与液体间的摩擦， 而是液体内部的摩擦，即内摩擦。,库仑,第二节 流体的主要物理性质,1、定义 流体内部质点间或流层间因相对运动而产生内摩 擦力（内力/粘性力）以反抗相对运动的性质,2、牛顿内摩擦定律,（层流、无滑移假设）,引入比例系数 ，得,第二节 流体的主要物理性质,3、粘度 在运动状态下，流体具有抵抗剪切变形速率的能力的量度

20、。 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。, 动力粘滞系数。 N.s/m2 ；Pa.S 运动粘滞系数。 m2/S,1）流体种类。一般地，相同条件下，液体的粘度大于气体的粘度。,2）压强。对常见的流体，如水、气体等， 值随压强的变化不大。,3）温度。是影响粘度的主要因素。 当温度升高时，液体的粘度减小，气体的粘度增加。,第二节 流体的主要物理性质,液体： 内聚力是产生粘度的主要因素，当温度升高，分子间距离增大， 吸引力减小，因而使剪切变形速度所产生的切应力减小， 所以 值减小。,气体：气体分子间距离大，内聚力很小，所以粘度主要是由气体分子 运动动量交换的

21、结果所引起的。温度升高，分子运动加快，动 量交换频繁，所以 值增加。, 粘度,第二节 流体的主要物理性质,4、速度梯度,表示流体直角减小的速度,也称角变形速率,说明：流体的切应力与剪切变形速率，或角变形率成正比。 区别于固体的重要特性: 固体的切应力与角变形的大小成正比。,第二节 流体的主要物理性质,5、牛顿流体和非牛顿流体 理想流体和实际流体,牙膏、泥浆、血浆等,橡胶、油漆、尼龙等,生面团、浓淀粉糊,想一想: 切应力与剪切变形速率成线性关系的流体是牛顿流体，对吗？,第一章 绪论,例：试绘制平板间液体的流速分布图与切应力分布图。 设平板间的液体流动，其流速按直线分布，如图所示。,解：设液层分界

22、面上的流速为u , 则：切应力分布：,下层：,上层：,在液层分界面上：,表面张力现象,水滴悬在水龙头出口而不滴落； （ 肥皂泡、洗洁剂）,细管中的液体自动上升或下降一个高度；（毛细管现象）,铁针浮在液面上而不下沉。（微重力环境行为）,表面张力的定义,沿液体表面作用着的使自由表面张紧的力称为表面张力。 液体表面张力的大小可以用液体表面单位长度所受的拉力即表面张力系数来度量，单位是N/m。,第二节 流体的主要物理性质,接触角,当液固接触时，液体表面的切面与固 体壁在液体内部所夹的角为接触角。,毛细现象,第二节 流体的主要物理性质,物质从液态变为气态的现象称为汽化。 汽化有两种方式：只在液体表面进行的称为蒸发， 液体表面和内部同时进行的称为沸腾。,液体总是在一定温度和一定压强下才能沸腾，这个温度就是沸点，这个压强（一般以绝对压强计）称为汽化压强（或蒸汽压强、饱和蒸气压强），以pv表示。,当液体中某处压强达到或小于汽化压强时，该处液体便沸腾，液体内部形成许多气泡，这种现象称为空化。空化现象易对设备或配件产生汽蚀破坏（或空蚀破坏）。,第二节 流体的主要物理性质,第一章 绪论,答案,无。理想流体=0，没有切应力,答案,流体的种类、温度、压强。液体粘度随温度升