流体力学B课件 第一章

1、流体力学流体力学 李李 旭旭 武汉理工大学 工程结构与力学系 2014年9月 流体力学 任课教师简介任课教师简介 李旭，讲师李旭，讲师 u教育背景：教育背景： 20002005，上海大学，土木工程系，本科，上海大学，土木工程系，本科 20052008，中国科学技术大学，近代力学系，硕士，中国科学技术大学，近代力学系，硕士 20082012，中国科学技术大学，近代力学系，博士，中国科学技术大学，近代力学系，博士 u工作经历：工作经历： 2012至今，武汉理工大学，工程结构与力学系至今，武汉理工大学，工程结构与力学系 u承担课程：承担课程：CAD建模、有限元分析、流体力学等建模、有限元分析、流体力

2、学等 u电话：电话Email： 流体力学 课程相关介绍课程相关介绍 成绩：成绩：平时平时15%+实验实验15%+考试考试70% Attendance, Exercise, Answer questions in class etc. 教材教材 丁祖荣，流体力学（第丁祖荣，流体力学（第2版），高等教育出版版），高等教育出版 社社 参考书参考书 吴望一，流体力学，北京大学出版社吴望一，流体力学，北京大学出版社 庄礼贤，流体力学，中国科学技术大学出版社庄礼贤，流体力学，中国科学技术大学出版社 流体力学 流体力学的研究任务流体力学的研究任务 流体的宏观平衡流体的宏观平衡 流体

3、力学流体力学 流体的运动规律流体的运动规律 力学力学 流体静力学流体静力学流体动力学流体动力学 流体力学 旋转球旋转球 生活中的流体力学生活中的流体力学 流体力学 生活中的流体力学生活中的流体力学 高尔夫球，表面光滑还是高尔夫球，表面光滑还是 粗糙？粗糙？ 流体力学 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，称为箱型箱型 车车，阻力系数很大，约为0.8。 实际上汽车阻力主要来自实际上汽车阻力主要来自 后部形成的尾流，后部形成的尾流， 称为形状阻力称为形状阻力 汽车的阻力汽车的阻力 工程中的流体力学工程中的流体力学 流体力学 工程中的流体力学工程中的流体力学

4、 汽车的阻力汽车的阻力 流体力学 工程中的流体力学工程中的流体力学 汽车的阻力汽车的阻力 流体力学 工程中的流体力学工程中的流体力学 汽车的阻力汽车的阻力 流体力学 工程中的流体力学工程中的流体力学 机翼升力机翼升力 s1 s2 Boeing 747 70.764.4 19.41 (m) 395 000kg 流体力学 医学中的流体力学医学中的流体力学 流体力学 传统工业中的流体力学传统工业中的流体力学 水水过热蒸汽过热蒸汽 推动汽轮机转子旋转推动汽轮机转子旋转 汽轮机带动发电机发电汽轮机带动发电机发电 流体力学 流体力学的应用流体力学的应用 流体力学流体力学 环境环境 气象气象能源能源 医学医

5、学 水利水利 交通交通航空航空 体育体育 海洋海洋 土建土建 流体力学 流体力学的发展历程流体力学的发展历程 古典流体力学古典流体力学 阿基米德（Archimedes, 287-212 B.C.希腊） 浮力定律浮力定律 流体力学 流体力学的发展历程流体力学的发展历程 古典流体力学古典流体力学 牛顿运动定理与微积分牛顿运动定理与微积分 流体力学 流体力学的发展历程流体力学的发展历程 古典流体力学古典流体力学 拉格朗日（J-L.Lagrange， 17361813，意大利) 欧拉（L.Euler, 1707-1783, 瑞士） 描述流体运动的方法描述流体运动的方法 流体力学 流体力学的发展历程流体

6、力学的发展历程 古典流体力学古典流体力学 伯努利方程伯努利方程 伯努利（D.Bernouli 17001782，瑞士） 流体力学 流体力学的发展历程流体力学的发展历程 古典流体力学古典流体力学 粘性流体运动方程粘性流体运动方程 纳维（L.Navier） 和 斯托克斯（G.Stokes） （17851836，法国）（18191903，英国） 流体力学 流体力学的发展历程流体力学的发展历程 古典流体力学古典流体力学 层流与湍流层流与湍流 雷诺（O.Reynolds， 18421912，爱尔兰） 流体力学 流体力学的发展历程流体力学的发展历程 现代流体力学现代流体力学 边界层理论边界层理论 普朗特（

7、L.Prandtl， 18751953，德国） 流体力学 流体力学的发展历程流体力学的发展历程 现代流体力学现代流体力学 卡门涡与泰勒涡卡门涡与泰勒涡 卡门（V.Karman， 18811963，美国） 泰勒（G.Taylor， 18861975，英国） 流体力学 流体力学的发展历程流体力学的发展历程 现代流体力学现代流体力学 湍流理论、气动力学湍流理论、气动力学 周培源（19021993）钱学森（19112009） 流体力学 流体力学的研究方法流体力学的研究方法 理论分析方法理论分析方法 建立模型建立模型推导方程推导方程 求解方程求解方程解释结果解释结果 流体力学 流体力学的研究方法流体力学

8、的研究方法 实验方法实验方法 相似理论相似理论模型试验模型试验 测量测量数据分析数据分析 流体力学 流体力学的研究方法流体力学的研究方法 数值模拟方法数值模拟方法 数学模型数学模型离散化离散化 编程计算编程计算检验结果检验结果 流体力学 流体力学的学习难点流体力学的学习难点 与固体力学（如弹性力学）的对比与固体力学（如弹性力学）的对比 流体的运动过程流体的运动过程 流动的形态变化流动的形态变化 较难观察较难观察 较难想象较难想象 流体力学 在任意微小剪切力持续作用下即可发生连在任意微小剪切力持续作用下即可发生连 续变形的物质称为流体。续变形的物质称为流体。 流体定义和特征流体定义和特征 固体固

9、体 液体液体 气体气体 形状形状体积体积压力压力拉力拉力剪切力剪切力 流体的定义流体的定义 流体力学 （1）剪切力作用下：固体发生）剪切力作用下：固体发生有限有限的变的变 形；流体发生形；流体发生持续持续的变形。的变形。 流体定义和特征流体定义和特征 流体的易变形性流体的易变形性 （2）撤销剪切力作用后：固体的变形）撤销剪切力作用后：固体的变形部部 分或完全恢复分或完全恢复；流体的变形；流体的变形无任何恢复无任何恢复。 （3）固体内的剪切应力由）固体内的剪切应力由剪切变形量剪切变形量决决 定；流体内的剪切应力由定；流体内的剪切应力由剪切变形率剪切变形率决定决定 。 流体力学 流体的连续介质模型

10、流体的连续介质模型 第一个问题：第一个问题： 流体是由大量作无规则热运动的分子组成的，研流体是由大量作无规则热运动的分子组成的，研 究流体运动，是否有必要以分子为基本考察对象？究流体运动，是否有必要以分子为基本考察对象？ 第二个问题：第二个问题： 如果不以离散分子为对象，那么应该以多大尺度如果不以离散分子为对象，那么应该以多大尺度 的流体物质为研究对象？的流体物质为研究对象？ 流体力学 流体的连续介质模型流体的连续介质模型 V m/ V V V P(x,y,z) M x y z 流体力学 流体的连续介质模型流体的连续介质模型 流体质点流体质点 微小特征体，包含大量分子，具有特定的微小特征体，包

11、含大量分子，具有特定的 宏观统计特性宏观统计特性 流体力学 流体的主要物理性质流体的主要物理性质 流体的主要物理性质流体的主要物理性质 流体的运动规律，一方面与外部因素（如边界的几何流体的运动规律，一方面与外部因素（如边界的几何 条件、受力状况等）有关，另一方面也取决于流体本条件、受力状况等）有关，另一方面也取决于流体本 身的物理性质。身的物理性质。 本节将讨论几个与流体运动有关的物理性质。本节将讨论几个与流体运动有关的物理性质。 流体力学 流体的惯性流体的惯性 密度密度 任意时刻流体任意时刻流体质量质量在空间的分布状态在空间的分布状态 dV dM V M V 0 lim 比容比容 1 重度重

12、度g 流体力学 流体的惯性流体的惯性 相对密度相对密度 w ww vm d mv 流体力学 流体的可压缩性流体的可压缩性 可压缩性的定义可压缩性的定义 压强变化引起流体体积或密度变化的属性压强变化引起流体体积或密度变化的属性 体积压缩系数体积压缩系数 p dV V dp 流体力学 流体的可压缩性流体的可压缩性 体积弹性模量体积弹性模量 1 V p dp E dV V V dp E d 流体力学 流体的可压缩性流体的可压缩性 液体的体积弹性模量很大，压缩性很小液体的体积弹性模量很大，压缩性很小 温度温度( C)0102050100 EV (N/m2)2.02 1092.1 1092.18 109

13、2.29 1092.07 109 流体力学 流体的可压缩性流体的可压缩性 不可压缩流体不可压缩流体 const EV 流体力学 流体的可压缩性流体的可压缩性 液体液体 不可压缩不可压缩 气体气体 可压缩可压缩 流体力学 流体的可压缩性流体的可压缩性例例1 V dp E dV V V p E V V 9 2.18 10 Pa V E 97 2.18100.012.18 10 (Pa)p 流体力学 流体的粘性流体的粘性 U U=0 h u C B x y F u+ u 流体抵抗剪切变形流体抵抗剪切变形(相对运动相对运动)的一种属性的一种属性 流体力学 流体的粘性流体的粘性 液体液体分子间内聚力分子

14、间内聚力 流体力学 流体的粘性流体的粘性 气体气体分子热运动分子热运动 流体力学 流体的粘性流体的粘性 h U h U A F U U=0 h u C B x y F u+ u udt y x o y d dy (u+du)dt u u+du 牛顿内摩擦定律牛顿内摩擦定律 du dy 流体力学 udt (u+du)dt dudt dy d d dt 牛顿内摩擦定律牛顿内摩擦定律 du dy 流体的粘性流体的粘性 流体力学 du dy 动力粘性系数动力粘性系数 动力粘性系数动力粘性系数 液体液体 气体气体 流体力学 运动粘性系数运动粘性系数 运动粘性系数运动粘性系数 水水 空气空气 动力粘性系数

15、动力粘性系数 运动粘性系数运动粘性系数 流体力学 牛顿流体与非牛顿流体牛顿流体与非牛顿流体 牛顿流与非牛顿流牛顿流与非牛顿流 是否符合牛顿内摩擦定律是否符合牛顿内摩擦定律 0 牙膏牙膏 0 0 油漆油漆 淀粉糊淀粉糊 水水 du/dy 流体力学 理想流体理想流体 理想流体理想流体 粘性系数为零的流体粘性系数为零的流体 0 流体力学 流体的粘性流体的粘性例例1 d L M, d d Ld dd dF d dM 222 dMM 流体力学 流体的粘性流体的粘性例例1 d d 流体力学 流体的粘性流体的粘性例例1 Ld d M 2 0 2 2 d d 60 dn 260 ddn MdL nLd M 23 120 dy du 流体力学 流体的粘性流体的粘性例例2 例题例题2: 一块可动平板与另外一块不动平板之间充满了某一块可动平板与另外一块不动平板之间充满了某 种液体种液体,两块板相互平行两块板相互平行,间距间距h=0.5m.若可动平板以若可动平板以 v=0.25m/s的水平速度向右运动的水平速度向右运动,且维持该速度需要单位且维持该速度需要单位 面积上的作用力为面积上的作用力为2N/m2.求平板间液体的动力粘度求平板间液体的动力粘度. v=0.25m/sv 流体力学 流体的粘性流体的粘性例例2 解：根据牛顿内摩