工程流体力学第1章

1、 任课教师-金志光 (动力楼604) 84892200-2604辅导教师-郭程伟、郭荣荣(实验楼2楼) 84892240 实验指导教师雷老师 (实验楼2楼) 84892240 教材-流体力学基础 实验-共有7个流体力学实验 考核方法-考试70、作业20、实验10，3次缺课取消考试资格 作业作业-每周二交作业、A/B本轮流换 引言：流体力学引言：流体力学 Fluid Mechanics 引言：流体力学引言：流体力学 Fluid Mechanics 什么是流体？ 流体力学的主要内容是什么？ 流体力学的作用是什么？ 流体力学在本专业的地位如何 ？ 怎样才能学好“流体力学”这

2、门课程？ 引言：流体现象及其应用引言：流体现象及其应用 l 大气（H=050km） 压强单位：N/m2, Pa（帕） 海平面标准大气压 P0=101325 Pa、T0=288.15K (15C ) 每每上升上升9m9m高度，相当于三层楼高，大气压大约高度，相当于三层楼高，大气压大约 降低降低100Pa, 100Pa, 若在若在15ms15ms内发生，可震碎玻璃内发生，可震碎玻璃; ; 人讲话声压人讲话声压 0.1 Pa;0.1 Pa; 对流层，H=0km-11 km，T=T00.0065H 同温层，H=11km-24km, P11=22600Pa(0.223atm) , T=216.5K 中间

3、层，H=24km-80km (零下57C ) 高温层，H=80km-500km 外层大气，H=500km-1600km l 航空器飞行范围-低层大气(对流层、平流层) 大气流动现象: 风和灾害、 天气预报 （气象学） 风能的利用 风力发电 江、湖、河、海 水灾洪涝灾害、泥石流和地质灾害 水利航运、灌溉、水力发电、潮汐发电 （水利学、海洋学） 引言：流体现象及其应用引言：流体现象及其应用 自然界鸟类、昆虫的飞行 航空飞行器：飞机、飞艇、气球等 升力、阻力 重力、推力 非定常升力 高机动性 与流体力学密切相关 引言：流体现象及其引言：流体现象及其 应用应用 研制先进的气动布局，与流体力学 （气动力

4、学）密切相关 引言：流体现象及其应用引言：流体现象及其应用 V. Karmam Vortex Street 卡门涡街 流体流过障碍物, 例如平板, 圆柱，会有非对称的涡脱落 引言：流体现象及其应用引言：流体现象及其应用 V. Karmam Vortex Street 卡门涡街 气动激振气动激振 引言：流体现象及其应用引言：流体现象及其应用 流体机械： 泵-液压泵、水泵等，通常指对液体做功机械， 外界对流体做功 风机-鼓风机、压气机等，通常指对气体做功机械 涡轮-燃气涡轮、水轮机等，流体对外做功 引言：流体现象及其应用引言：流体现象及其应用 航空发动机： 进气道-压气机-燃烧室-涡轮-尾喷管 引

5、言：流体现象及其应用引言：流体现象及其应用 现代大涵道比涡扇发动机： 风扇-压气机-燃烧室-涡轮-尾喷管 引言：流体现象及其应用引言：流体现象及其应用 航空发动机：F111, (F15-F16) 高超声速飞行器高超声速飞行器 空天飞机空天飞机 高超声速推进系统高超声速推进系统 引言：流体现象及其应用引言：流体现象及其应用 激波现象激波现象 雷电现象、鞭梢运动雷电现象、鞭梢运动 超声速气流中的特殊现象超声速气流中的特殊现象 超声速飞行器、高超声速飞行器、爆轰波超声速飞行器、高超声速飞行器、爆轰波 震波碎石、花粉孢子破碎震波碎石、花粉孢子破碎 引言：流体现象及其应用引言：流体现象及其应用 引言：流

6、体现象及其应用引言：流体现象及其应用 超燃冲压发动机地面试车台超燃冲压发动机地面试车台 超燃冲压发动机超燃冲压发动机 高超声速进气道高超声速进气道 几几 个个 问问 题题 什么是流体？ 物质三态（固态、液态、气态） 流体力学的作用是什么？ （自然界、航空、航海、机械工程.） 流体力学的主要内容是什么？ （属性、静力学、运动学、动力学） 怎样才能学好“流体力学”这门课程？ 流体力学在本专业的地位如何？ 第一章第一章 流体的性质流体的性质 11 流体力学的发展 12 连续介质假设 (1) 连续性假设 (2) 连续介质中一点的密度和速度 13 流体的压缩性和膨胀性 14 流体的粘性 (1) 粘性现象

7、 (2) 牛顿内摩擦定律 （3) 粘性系数 （4) 理想流体和实际流体 第一章第一章 流体的性质流体的性质 11 流体力学的发展-理论来源于实践 (1)流体(Fluid) 流体(从物态上讲)-液体、气体的总称 流体(从物性上讲)-在外力(剪切力)作用 下产生产生连续变形的物质，不论外 力多么小，直到剪切力消失后变形才停止 固体-可以承受压力、拉力、剪切力 流体-只能承受压力，不能受拉，受到剪切 力连续变形，即有流动性 分子间距大，分子间引力小，有可流 动性、可压缩性、热膨胀性 第一章第一章 流体的性质流体的性质 11 流体力学的发展 (2)流体力学(Fluid Mechanics) 是应用力学

8、的一门分支，是航空宇航推进、热 能、热力工程机械等专业的一门重要的专业基 础课 研究对象：流体(气体,液体) 研究内容：流体的属性(P,，压缩性，膨胀性等) 静力学：流体的平衡规律(相对静止状态流体) 运动学：流体运动规律(水流，管流，气体运动.) 动力学：流体与固体相互作用的规律(作用力)， 流体机械 第一章第一章 流体的性质流体的性质 11 流体力学的发展 (3)流体力学分类 a.理论流体力学 工程流体力学 b.不可压流：水力学， 可压流： 空气动力学、气体动力学、高超声 速气动力学 c.稀薄气体动力学 d.多相流 . (3 3) )描描述述流流体体状状态态的的基基本本物物理理参参数数及及

9、单单位位制制( (S SI I) ) 常常用用：压压力力P P，密密度度，温温度度T T，比比容容v v，速速度度V V，粘粘度度 单单位位：长长度度 l，米米m质质量量 m 公公斤斤kg 时时间间t，秒秒s温温度度 T 开开尔尔文文 流流体体压压强强P P牛牛顿顿/ /米米平平方方，帕帕 N m / 2 Pressure 流流体体密密度度公公斤斤/ /米米立立方方 kg m / 3 Density 流流体体比比容容v v米米立立方方/ /公公斤斤 m kg 3 / Specific Volume 流流体体温温度度T T开开尔尔文文, , 2 27 73 3. .1 15 5 K K Temp

10、erature 流流体体速速度度V V米米/ /秒秒 m m/ /s s Velocity 流流体体粘粘度度牛牛顿顿. .秒秒/ /米米平平方方 N s m . / 2 Pas .Viscosity 标标准准大大气气 P P= =1 10 01 13 32 25 5P Pa a，T T= =2 28 88 8. .1 15 5K K 1 11 1 流体力学的发展流体力学的发展 1 11 1 流体力学的发展流体力学的发展 (3)(3)描述流体状态的基本物理参数及单位制描述流体状态的基本物理参数及单位制(SI)(SI) 常用：压力 P，密度，温度 T，比容 v，速度 V， 粘度 (4) (4)流体

11、力学学习要点流体力学学习要点 会熟练地运用数学知识及物理知识(特别是力学部分) 深切地理解物理概念及物理含义 重视实验环节，从实验现象的观察、分析加深对流体 力学的理解 12 连续介质假设连续介质假设 (1)连续性假设连续性假设 流体由不断运动的分子组成，宏观上，流体不连续流体由不断运动的分子组成，宏观上，流体不连续 1753年，年，Euler(Euler(欧拉欧拉) )首次提出连续介质概念，流体首次提出连续介质概念，流体 是由无数多是由无数多 流体质点流体质点 所构成的无间隙的连续介质。流所构成的无间隙的连续介质。流 体质点在空间是一个点。物理上是一个体积极小的流体体质点在空间是一个点。物理

12、上是一个体积极小的流体 团，其尺度与分子直径团，其尺度与分子直径d d及平均自由程及平均自由程相比大得多，流相比大得多，流 体质点包含足够多的流体分子。体质点包含足够多的流体分子。 空气在空气在0 0度度C C，1 1大气压下，大气压下，1 1立方毫米立方毫米内含有内含有2.69E16分分 子，液体子，液体1 1立方毫米立方毫米内含有内含有3.0E21分子分子 连续介质模型，便于用连续函数来描述，便于数学处连续介质模型，便于用连续函数来描述，便于数学处 理理，描写流体的物理量是时间、空间的连续可微函数，描写流体的物理量是时间、空间的连续可微函数， 便于使用强大的数学工具。稀薄气体便于使用强大的

13、数学工具。稀薄气体(极高层大气、高极高层大气、高真真 空气体除外）空气体除外） （2 2）连续介质中一点处的密度）连续介质中一点处的密度 在非均质流体（连续介质）中考察在非均质流体（连续介质）中考察P(x,y,z)点的密度点的密度 P(x,y,z) 分子效应分子效应 连续介质连续介质 在包围P点的微小体积v内取平均密度m/ vo，当微小体积趋于 某一vo时，此比值定义为一点处的密度 通常通常 = = (x,y,z,t) d (x,y,z,t) d =d =d (x,y,z,t)(x,y,z,t) 一点处的速度与靠近该点之分之瞬时速度无关，是vo内流体 质心运动速度 1 13 3 流体压缩性和热

14、膨胀性流体压缩性和热膨胀性 (1)流流体体压压缩缩性性，压压缩缩系系数数 压压强强升升高高，体体积积缩缩小小，定定义义压压缩缩性性系系数数 p V dV dPv dv dP d dP mN 111 2 / 式 式中中v为为比比容容，v1 温温度度不不变变，压压强强增增加加一一个个单单位位时时流流体体体体积积的的相相对对缩缩小小量量。 弹弹性性模模量量 E dP d N m 1 2 /,水 水的的弹弹性性模模量量为为E Pa21 10 9 . 气气体体用用状状态态方方程程P RT 或或 dP P ddT T 等等温温过过程程P dP d 因因此此 气气体体有有 p d dPP 11 空空气气的的

15、气气体体常常数数R=287.06N.m/kg.K 14流体的粘性流体的粘性 Viscosity( Viscosity(本章重点本章重点) ) (1)粘性是流体的固有属性，是流体在运动状态下抵粘性是流体的固有属性，是流体在运动状态下抵 抗剪切变形的能力抗剪切变形的能力 粘性是由分子间引力粘性是由分子间引力( (内聚力内聚力) )和流体层间动量和流体层间动量 交换造成的交换造成的 影响因素：温度影响因素：温度 T T，气体温度升高，分子无规则，气体温度升高，分子无规则 运动加剧，动量及质量交换加剧，使气体的粘性增运动加剧，动量及质量交换加剧，使气体的粘性增 加；液体温度升高，分子间内聚力减弱，粘性

16、减少加；液体温度升高，分子间内聚力减弱，粘性减少 V 剪切应力剪切应力 (2)牛顿内摩擦定理牛顿内摩擦定理(1686(1686 年年) ) 相邻两层流体作相对运动时产生摩擦力相邻两层流体作相对运动时产生摩擦力 F V h A() 速度线性分布速度线性分布 F dV dh A() 速度非线性分布速度非线性分布 式中式中 为动力粘度，单位 为动力粘度，单位 . /N s m2 或或 Pa.s 与物性有关与物性有关 或写成或写成 dV dy 著名的牛顿内摩擦定律，适用于层流流动著名的牛顿内摩擦定律，适用于层流流动 满足此定律的流体称为牛顿流体，其余称为非牛顿流体满足此定律的流体称为牛顿流体，其余称为

17、非牛顿流体 速度分布如图，剪切应力速度分布如图，剪切应力 分布如何？分布如何？ V V h h （3 3）粘性系数）粘性系数 动力粘度 单位单位 Pa.S 或或 N.S/m2 运动粘度 单位单位 m2/S dy dV 影响粘度的主要因素是温度影响粘度的主要因素是温度 （3 3）粘性系数）粘性系数 影响粘度的主要因素是温度影响粘度的主要因素是温度 温度温度T T升高升高, ,液体液体下降下降, ,分子内聚力减小分子内聚力减小, ,流动性增大流动性增大 温度温度T T上升上升, ,气体分子无规则运动加剧气体分子无规则运动加剧, ,阻滞气体流动阻滞气体流动, , 气体的粘性气体的粘性 增加增加 粘度

18、随气体温度变化而改变，粘度随气体温度变化而改变，著名的著名的SutherlandSutherland公式公式: : CT CT T T o o o 5 . 1 空气空气,T,T0 0=273.15, C=110.6K=273.15, C=110.6K (4)(4)理想流体和实际流体理想流体和实际流体 理想流体-不考虑粘性的流体 又称无粘流体 可以大大简化计算工作量 实际流体-有粘性的流体 又称真实流体 例例 题题 1 1 两平板,一动一静,间隙0.5mm, 平板以速度V=5m/s运动,维持 平板运动的力T=2 N/m2， 求流体的粘性系数 ThV)/( SPaXVTh.004. 025. 0/005. 02/ V h 解:由于间隙极小,可以认为 间隙内流体速度为线性分