流体力学流力lecture

1、流体力学主讲：邹丽 副教授 博导船舶工程学院 船池311邮箱: (office) (mobile)课程设置学时安排讲课学时（48学时, 1-19周 ）考核平时作业+出勤（20%）考试（80%）考试不讲的不考难、很难、特别难大学是美好的、流体力学是无奈的2022/8/232教科书 其他参考书Fundamental Mechanics of Fluids, I. G. Curries, 3rd Edition, Marcel Dekker, Inc., 2003，New York流体力学，周光炯、 严宗毅、许世雄、章克本编著，高教出版社，2002，北京自编讲义流体力学 景思睿 张鸣远编著 西安交通

2、大学出版社 下册教学内容：1）绪论；2）流体静力学；3）流体运动学4）理想流体动力学;5）涡旋理论；6）势流理论；7）波浪理论；8）机翼理论；9）粘性流体动力学基础；10）粘性流体一元流动；11）相似理论；12）边界层理论。流体力学内容框架流、固体相互作用流动规律平衡规律绝对静止相对静止压力分布压力计算流体运动微团运动势流运动力与流动关系流体动力学流体运动学流体静力学能量方程动量方程绪论流体力学的研究对象和应用流体力学发展简史流体力学的研究方法连续介质假设流体的主要物理性质1-1流体力学的研究对象和应用流体：水、空气牛奶、油沥青、车流处于气态、液态的物质称为流体：fluid流体力学基本问题：鸟

3、为什么会飞：升力、阻力、推力鱼为什么会游泳：浮力、阻力、推力流体力学气象工业水利运输航空环境体育海洋建筑流体力学在实际工程中的应用流体特性: 流动性。流体F固体F液体、气体区别：液体有自由液面 & 气体没有自由液面 航空航天流体力学也是众多应用科学和工程技术的基础。由于空气动力学的发展，人类研制出3倍声速的战斗机。F-15依照马赫数的不同，流体分为几种流况：不可压缩流亚音速不可压缩流：M4000）层流（Re2000）过渡流（Re=20004000）十九世纪的流体力学找到了实验研究粘性流体流动规律的相似准则数雷诺数：提出了雷诺平均N-S方程，至今还是湍流计算中的主要数学模型。烟缕由层流转变为湍流

4、 核爆蘑菇云火山爆发四、二十世纪的流体力学二十世纪的流体力学1. 德国哥廷根学派的创立普朗特（Ludwig Prandtl，18751953），德国物理学家，哥廷根大学教授，近代力学奠基人之一；将19世纪末期的水力学和水动力学研究统一起来，被称为“现代流体力学之父”。 L. Prandtl (18751953) 1904年边界层理论 不可压缩流体二维边界层概述德国力学家。现代流体力学的创始人之一。边界层理论、风洞实验技术、机翼理论、紊流理论等方面都作出了重要的贡献，被称作空气动力学之父。 普朗特二十世纪的流体力学1904年，普朗特完成他最著名的一篇论文非常小摩擦下的流体流动。在这篇论文中，普朗

5、特首次描述了边界层及其在减阻和流线型设计中的应用，描述了边界层分离，并提出失速概念。 由此，创造了边界层理论。流体边界层 二十世纪的流体力学失速飞机的升力系数随飞机迎角的增加而增大。当迎角增加到某一数值后，升力系数不升反降，导致飞机升力迅速小于飞机重力，飞机便很快下坠，这种现象称为失速。 当失速时，飞机会产生失控的俯冲颠簸运动，发动机发生振动，驾驶员感到操纵异常。 二十世纪的流体力学避免边界层分离以及失速的方法超临界翼型；超临界翼型验证试飞中的TF8A 二十世纪的流体力学2. 美国的崛起冯卡门（ T.von Krmn，1881-1963），匈牙利犹太人。 提出“卡门涡街”理论、建立“湍流”概念

6、；我国著名科学家钱学森博士的导师；“全世界闻名的工程力学和航空技术权威” ；美国国家科学勋章的首位获得者。 T.von Krmn (1881-1963)二十世纪的流体力学发现著名的卡门涡街（von Krmn vortex street）1997年匈牙利发行一张冯卡门以卡门涡街为背景的纪念邮票 由计算机生成的图片展示出的冯卡门涡街（美国物理学会2009流体运动最佳图片之一 ） 1912年卡门涡街卡 门：美国著名空气动力学家 解释机翼张线的线鸣、水下螺旋桨的嗡鸣 二十世纪的流体力学卡门涡街由计算机模拟出的冯卡门涡街现象二十世纪的流体力学卡门涡街其他形状物体绕流引起的冯卡门涡街现象二十世纪的流体力学

7、“卡门涡街”引起的危害塔科玛（Takoma）桥风毁事故过程 1-3 流体力学研究方法理论分析方法、实验方法、数值方法相互配合，互为补充理论研究方法力学模型物理基本定律求解数学方程分析和揭示本质和规律实验方法相似理论模型实验装置数值方法计算机数值方法是现代分析手段中发展最快的方法之一理论分析理论研究方法力学模型物理基本定律求解数学方程分析和揭示本质和规律精确解、渐进分析（摄动法、非摄动方法、）实验流体力学测试仪器，拥有目前国际最先进的五光束三分量激光多普勒测速仪、IFA300四通道智能化热线热膜测速仪、计算机自动控制步进电机精密坐标架、六通道热线热膜测速仪，低速回流式风洞，直流式低湍流度风洞、中

8、型水槽等实验仪器和设备，满足开展流体力学实验教学和科研工作的需要。圆柱扰流后形成卡门涡街 汽车空气动力学风洞试验 飞机机翼的翼梢涡结构 木星云层红斑的多尺度涡结构计算流体力学Fluent软件，IBM上运行的PowerFLOW和Star_CD, FINE等CFD软件。 北京吉普的外气流计算北京吉普的外气流计算Fluent计算流体软件-4 连续介质模型一、流体的定义和特征任何一个微小的剪切力都能使流体发生连续变形固体的变形与受力的大小成正比 流体与固体的区别流体F固体F在静止时，不能承受剪切力液体与气体的区别 液体难于压缩；而气体易于压缩。 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

9、的容器，无一定的体积，不存 在自由液面。液体的分子距和分子的有效直径差不多是相等的气体分子距比分子平均直径约大十倍。液体有力求自身表面积收缩到最小的特性气体分子间的吸引力微小，分子热运动起决定性作用问题的引出：微观：分子间存有空隙，在空间是不连续的。宏观：一般工程中，所研究流体的空间尺度 要比分子距离大得多。 流体是由大量做无规则运动的分子组成的，分子之间存在空隙，但在标准状况下，1mm3液体中含有3.31019个左右的分子，相邻分子间的距离约为3.110-8cm。1mm3气体中含有2.71016个左右的分子，相邻分子间的距离约为3.210-7cm 定义：不考虑流体分子间的间隙，把流体视为由无 数连续分布的流体微团组成的连续介质。二、流体的连续介质假设必要性：连续介质假设后物理量在流体中连续分布可将流体的各物理量看作是空间坐标和时间的连续函数解析方法等数学工具来研究流体的平衡和运动规律流体连续介质物理量（密度、速度、加速度）连续合理性：流体分子的间隙极其微小可看做连续介质 避免了流体分子运动的复杂性，只需研究流体的宏观运动。可以利用数学工具来研究流体的平衡与运动规律。 优 点:1