流体力学概论2017课件

流体力学概论中国科学院力学研究所李家春内容流体介质的性质；流体运动中的基本现象；典型的流动模型；流体力学的研究前沿；一、流体介质的性质物质四态固体(solid)流体(fluid)液态(liquid)气态(gas)等离体(plasma)流体介质的特性无固定形状，甚至无固定体积在剪切作用下发生流动极光物态的转化及相图物态的转化凝固(solidification)和熔(融)化(melt)凝结(condensation)和蒸发(evaporation)电离(ionization)和中和(neutralization)物态转化时，吸收或释放能量相图是物态转化条件的具体反映临界曲线三相点状态方程（气体）理想气体非理想气体状态方程（液体）海水条件密度状态方程状态方程（等离体）流体的压力、密度、温度范围空气水密度(kg/m.m.m)0－1.251000压力（Mpa)0－0.10.1-40温度(k)－100-8000273-300流体的粘性动力粘度(pa.s)和运动粘度(m.m/s)粘度的温度依赖典型流体介质粘度系数温度k粘度系数运动粘性系数空气2730.01815.0水2731.01.0甘油27314941184汞2731.60.12流变学研究介质在外力、温度、湿度、辐射等因素下的流动和变形的材料时间效应现象的学科分支现实生活中的流变介质高分子材料：塑料、化纤、聚合物、活性剂生物材料：橡胶、树脂、体液、肌肉、骨骼建筑材料：水泥、沥青、玻璃、陶瓷、油漆食品：果冻、蛋青、蜂蜜、油脂、牛奶地质材料：石油、矿石、土、岩石、熔岩、冰川介质不能单纯用弹性、塑性、粘性描述，而是兼有粘性和弹性的行为应力松弛和蠕变是典型的流变现象非牛顿流体分类广义牛顿流体塑性流体拟塑性流体膨胀流体触变流体触稀流体震凝流体粘弹性介质非牛顿流体现象栓塞流动Weissenberg效应挤出膨胀效应开口虹吸现象高分子溶液减阻（Thomson效应）法罗伊斯，林奎斯特效应（血流成分、压降的管径影响）栓塞流动Weissenberg效应

挤出膨胀效应开口虹吸现象流体的压縮性等温压縮系数和体积弹性模量熱膨胀系数流体的表面张力产生原因液体表面张力系数～100达因/厘米，随温度升高降低；气体表面张力系数小表面张力的效应接触角浸润和亲和现象毛细现象对流现象浸润和亲和现象接触角的确定：毛细管现象宏观性质的微观解释（1）状态方程压力、温度的微观意义宏观性质的微观解释（2）粘性系数微观计算分子动理论结果实际系数应修正微1. 5粘性系数随气体物理性质的变化反比于分子量的平方根正比于温度的平方根与压力无关与实测一致基本常数阿佛加德鲁常数：布兹曼常数：气体常数：莫尔体积常数：二、流体运动中的基本现象对流现象扩散现象波动现象旋涡现象耗散现象湍流现象非平衡现象对流现象强迫对流（物体运动、静止物体置于流动中）自然对流（大气海洋环流，熱对流）重力对流毛细对流混合对流热盐环流大气对流边界层Boussinesq近似条件：Boussinesq近似主要相似参数粘性力为主：惯性力为主扩散现象三种扩散现象：动量扩散：粘性能量扩散：传热质量扩散：传质三者的异同：动量扩散：非线性；能量、质量扩散：线性雷诺比拟动量、熱、质量扩散边界层三种扩散现象的比较波动现象连续介质中振动的传播，必须有恢复力存在频散与非频散波线性与非线性波声波激波水跃孤立波Lamda激波激波钱塘江大潮孤立波旋涡现象旋涡是流体运动的肌腱无粘流体中的守恒性粘性流体中的耗散机制湍流中的能量传递的基本单元常见的旋涡运动热带气旋龙卷风分离涡（卡门涡街、三角翼脱落涡）云娜台风（0415）龙卷风卡门涡街耗散现象机械能转变为热能的过程热力学定律de=Tds+pdvds>0无粘性旋涡运动是粘性较小的理想情况，实际上旋涡扩散是粘性引起，必定伴随着能量耗散压缩性也可产生内能，激波是非等熵过程能量守恒（无耗散过程）伯努里方程不可压縮可压縮能量方程（有耗散过程）机械能方程能量方程（有耗散过程）内能（焓）方程总能量方程以总焓表示以熵表示（非等熵）有传热情况有扩散情况湍流现象流动不稳定是产生湍流的原因流动不稳定到湍流的转变途径经历如干中间状态(超临界）直接转变（亚临界）湍流的双重特性统计行为相干结构应用：流动控制层流各向同性湍流结构自由湍流湍流斑非平衡现象平动、转动非平衡振动非平衡分离和复合化学反应电离和中和振动松弛方程化学反应速率方程无量纲数准则：小Damkohler数时，冻结；中等Damkohler数时，非平衡；大Damkohler数时，平衡；三、典型的流动模型流体运动的模型连续介质模型不可压缩流动模型理想流动模型势流模型无粘有旋流动黏性流动模型可压縮流动模型（同上）旋转、分层流动连续介质假定无量纲参数Knudsen数流动范围划分：自由分子流Kn>10，130km以上过渡区0.1<Kn<10，100－130km滑流区0.01<Kn<0.1,80-100km连续介质流Kn<0.01,80km以下存在一个中间尺度，小于宏观尺度，大于微观尺度。大小尺度应相差3－4个量级稀薄气体流动布兹曼方程BGK近似DSMC和MDN-S方程＋滑移、温度跳跃条件N-S方程应用：航天、真空技术、星系动力学、微机械、气体渗流（klinkenberg效应）,气溶胶理想流体运动用理想流体运动替代的条件雷诺数充分大，保持层流不计算粘性阻力无分离波浪的大尺度绕流理想流体运动分类有势流动：势流方程无粘有旋流动：欧拉方程、涡度流函数方程无粘流中的涡运动Kelvin环量保持定理Lagrange涡保持定理Helmholz涡管、涡面保持定理Helmhotz涡管强度保持定理毕奥萨瓦定理－涡诱导的速度场涡方法奇点法涡度流函数方法CD/CS方法旋涡的发生、扩散和衰减旋涡的拉伸扭曲；旋涡的产生：体积压縮。非有势力，斜压旋涡的扩散与衰减（直涡线）黏性流动纳维－斯托克斯方程圣维南方程达西定理黏性流动近似解小雷诺数流动Stokes近似；Oseen近似；完全渐近展开；流体动力学干扰；大雷诺数流动边界层近似排移厚度修正高阶近似不可压縮流动无量纲参数：马赫数引起密度显著变化的诸因素：高速流动非等熵流动非定常流动等截面管道中的可压縮流摩擦引起的速度、密度变化外部热源引起的速度、密度变化可压縮流动的特征密度有显著变化（高亚声速）有激波出现（跨声速）下临界马赫数上临界马赫数内能显著变化（超声速）激发内自由度（高超声速）平衡流非平衡流对航空、航天的挑战声障出现激波恶化气动特性熱障蒙皮温度升高防热层破坏黑障等离子体鞘套通讯中断旋转与分层流动无量纲参数：罗斯贝数内佛鲁德数埃克曼数旋转、分层流动的特征地转流西部强化埃克曼效应二维化（阻塞现象，横向、纵向泰勒柱）旋转、分层流动中的波梯度风：气旋与反气旋地转风旋衡风西部强化黑潮和湾流宽：100－150km厚：3－4km流速：2－2.5m/s流量：1亿立方米/秒墨西哥湾流埃克曼螺线旋转、分层流中的波有不同的恢复力离心力科氏力约化重力波动惯性波罗斯贝波内波安达曼海的内波卫星图像稳定大气边界层四、流体力学的研究前沿现代流体力学的前沿特征：多相、多尺度、多过程复杂真实介质行为学科交叉成为主导宏微观结合普遍运用高新技术于实验和计算众多重大工程问题需求流动稳定性线性稳定性理论成熟（除圆管流动）非线性稳定性弱非线性稳定性理论进一步完善转捩全过程与Bypass失稳的研究加强界面不稳定的研究RT,RM不稳定晶体生长Saffman不稳定射流雾化水表面波B-F不稳定湍流湍流理论的成绩湍流的理论统计理论,相干结构均匀各向同性湍流大小尺度相互作用规律湍流的模拟RANS、LES、DNS（特别是壁湍流）三维流场和被动标量测量数据库建立湍流研究的工业应用（多相、燃烧、噪声等）空气动力学天地间运输系统新概念设计临近空间飞行器商用飞机设计中的空气动力学高速列车空气动力学风力发电相关空气动力学水动力学复杂水系的水流运动流体与结构、地基的相互作用粘性波浪理论流体中的泥沙运动空泡的理论和应用水声物理化学流体力学多相介质的流态气溶胶、悬浮液的流动电流变、磁流变力学毛细运动渗流非常规油气田的开采天然气水合物水资源（节水农业、地下水利用）水灾害环境流体力学自然界的复杂介质极端自然灾害重大环境污染地球界面过程与气候变化生物流体力学血液动力学、呼吸系统等宏观流体力学及其与介入治疗的结合分子、细胞层次的生物力学与组织工程仿生流体力学体育运动力学计算流体力学离散化方法、网格自动生成、数值算法的进展