流体力学-第1章引言和流体性质

流体力学

主讲：田晓峰成都理工大学核工系2023/2/4流体力学2计划学时：40周学时：4课程性质：必修考试（考查）方式：考试课程安排2023/2/4流体力学3参考教材：

许贤良主编《流体力学》，国防工业出版社刘鹤年主编《流体力学》，中国建筑工业出版社张也影主编《流体力学》，高等教育出版社吴望一主编《流体力学》，北京大学出版社参考教材2023/2/4流体力学4本课程的内容第1章绪论第2章流体静力学第3章流体运动学第4章流体动力学基础第5章相似原理和量纲分析第7章管内流体和水力计算、流出计算第6章理想不可压缩流体的定常流动第8章粘性流体多维流动基础第9章气体的一维定常流动（二维流动）2023/2/4流体力学5高尔夫球表面为什么有很多小凹坑？最早的高尔夫球现在的高尔夫球2023/2/4流体力学6高尔夫球表面为什么有很多小凹坑？高尔夫球表面之所以设计有许多小凹坑，其目的是让高尔夫球飞得更远。高尔夫球表面的小凹坑可以减少空气的阻力，增加球的升力。通常说来，尾流范围越小，球体后方的压力就越大，空气对球的阻力就越小。高尔夫球的自旋大约提供了一半的升力，另外一半则是来自小凹坑。2023/2/4流体力学7汽车阻力来自前部还是后部？汽车发明于19世纪末，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，称为箱型车，阻力系数CD很大，约为0.8。2023/2/4流体力学8汽车阻力来自前部还是后部？实际上汽车阻力主要来自后部形成的尾流，称为形状阻力。2023/2/4流体力学9汽车阻力来自前部还是后部？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。2023/2/4流体力学10汽车阻力来自前部还是后部？20世纪50－60年代改进为船型，阻力系数为0.45。2023/2/4流体力学11汽车阻力来自前部还是后部？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。2023/2/4流体力学12汽车阻力来自前部还是后部？以后进一步改进为楔型，阻力系数为0.2。2023/2/4流体力学13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。2023/2/4流体力学14汽车阻力来自前部还是后部？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。2023/2/4流体力学15机翼升力来至下部还是上部？2023/2/4流体力学16本章内容1.1流体力学发展史简述1.2流体力学的研究内容、研究方法和应用1.3流体的定义和特征连续介质模型1.4作用在流体上的力1.5流体的主要物理性质第1章绪论2023/2/4流体力学171.1流体力学发展史简述2023/2/4流体力学18流体力学中外发展实例2023/2/4流体力学19古罗马的供水系统2023/2/4流体力学20公元前3世纪，阿基米德浮力定律2023/2/4流体力学21李冰（公元前302-235）公元前3世纪，中国四川都江堰水利工程2023/2/4流体力学22流体力学的发展历史

流体力学的萌芽，是自距今约2200年以前，西西里岛的希腊学者阿基米德写的“论浮体”一文开始的。他对静止时的液体力学性质作了第一次科学总结。

流体力学的主要发展是从牛顿时代开始的，1687年牛顿在名著《自然哲学的数学原理》中讨论了流体的阻力、波浪运动，等内容，使流体力学开始成为力学中的一个独立分支。2023/2/4流体力学23此后，流体力学的发展主要经历了三个阶段：１.伯努利所提出的液体运动的能量估计及欧拉所提出的液体运动的解析方法，为研究液体运动的规律奠定了理论基础，从而在此基础上形成了一门属于数学的古典“水动力学”（或古典“流体力学”）。2.在古典“水动力学”的基础上纳维和斯托克斯提出了著名的实际粘性流体的基本运动方程——纳维-斯托克思方程(N-S方程)。从而为流体力学的长远发展奠定了理论基础。但由于其所用数学的复杂性和理想流体模模型的局限性，不能满意地解决工程问题，故形成了以实验方法来制定经验公式的“实验流体力学”。但由于有些经验公式缺乏理论基础，使其应用范围狭窄，且无法继续发展。2023/2/4流体力学243.从19世纪末起，人们将理论分析方法和实验分析方法相结合，以解决实际问题，同时古典流体力学和实验流体力学的内容也不断更新变化，如提出了相似理论和量纲分析，边界层理论和紊流理论等，在此基础上，最终形成了理论与实践并重的研究实际流体模型的现代流体力学。在20世纪60年代以后，由于计算机的发展与普及，流体力学的应用更是日益广泛。2023/2/4流体力学25

流体力学已派生出很多新的分支电磁流体力学生物流体力学化学流体力学地球流体力学高温气体动力学非牛顿流体力学爆炸力学流变学计算流体力学2023/2/4流体力学261.2流体力学的研究内容、研究方法和应用2023/2/4流体力学27流体力学是研究流体平衡和宏观运动规律的科学研究流体平衡的条件及其压强分布规律研究流体运动的基本规律研究流体绕流某物体或流过某流道时速度分布、压强分布、能量损失研究流体与固体间的相互作用2023/2/4流体力学28流体力学的研究方法理论分析方法实验研究方法数值计算方法2023/2/4流体力学29流体力学的研究方法——理论分析方法建立理论模型——流体力学模型；对模型建立描写流体运动规律的封闭方程组以及与之相应的边界条件和初始条件；求解方程组；将结果与实际流动相比较，以确定解的精确度。2023/2/4流体力学30流体力学的研究方法——理论分析方法推导严紧，答案精确；只局限于比较简单的理论模型；忽略流动的次要影响因素，需要用实验的方法对结果进行修正；不能解决复杂的流体力学问题。2023/2/4流体力学31流体力学的研究方法——实验研究方法根据相似原理建立实验模型；通过实验测定有关相似准则中的物理量；将实验数据整理成相似准则数，并通过对实验数据的拟合找出准则方程式。2023/2/4流体力学32流体力学的研究方法——实验研究方法该方法更加接近实际，只要实验模型设计合理，测量无误，准则方程的拟合精度高，实验结果是可靠的；设计模型时只能使主要相似准则数相等，实验结果只是近似的；有些流体力学问题，无法在实验室内进行研究。2023/2/4流体力学33流体力学的研究方法——数值计算方法建立数学模型；合理选用计算方法；编制计算程序；上机计算，分析结果，以确定是否满足要求。2023/2/4流体力学34流体力学的研究方法——数值计算方法能解决许多用数学方法难以求解的问题，从一定意义上讲，这种方法是理论分析方法的延伸和拓宽；在计算机上用数值计算的方法可以很好地模拟流体力学实验，节省研究时间和经费；数学模型的建立必须以理论分析和实验研究为基础，而且往往难以包括实际流动的所有物理特性。2023/2/4流体力学35实验研究方法水池实验：船模拖曳实验

2023/2/4流体力学36数值计算方法如飞行器、汽车、河道、桥梁、涡轮机流场计算；湍流、流动稳定性、非线性流动中的数值模拟；大型工程计算软件是研究工程流动问题的有力武器。2023/2/4流体力学37流体力学的研究方法理论分析、实验研究和数值计算这三种方法各有利弊，相辅相成理论指导实验研究和数值计算；实验用来检验理论分析和数值计算结果的正确性；数值计算可以弥补理论分析和实验研究的不足，对复杂的流体力学问题进行既快又省的计算分析。2023/2/4流体力学38流体力学在许多工业技术中有着广泛的应用采矿工业化学工业石油工业土木建筑工程人体循环水利工程造船工业电力工业机械工业冶金工业2023/2/4流体力学39流体力学在工程中的应用由于空气动力学的发展，人类研制出3倍声速的战斗机。幻影2000F-152023/2/4流体力学40流体力学在工程中的应用使重量超过3百吨，面积达半个足球场的大型民航客机，靠空气的支托象鸟一样飞行成为可能，创造了人类技术史上的奇迹。2023/2/4流体力学41流体力学在工程中的应用利用超高速气体动力学，物理化学流体力学和稀薄气体力学的研究成果，人类制造出航天飞机，建立太空站，实现了人类登月的梦想。2023/2/4流体力学42流体力学在工程中的应用单价超过10亿美元，能抵御大风浪的海上采油平台2023/2/4流体力学43流体力学在工程中的应用排水量达50万吨以上的超大型运输船2023/2/4流体力学44流体力学在工程中的应用航速达30节，深潜达数百米的核动力潜艇2023/2/4流体力学45流体力学在工程中的应用时速达200公里的新型地效艇等，它们的设计都建立在水动力学，船舶流体力学的基础之上。2023/2/4流体力学46流体力学在工程中的应用用翼栅及高温，化学，多相流动理论设计制造成功大型气轮机，水轮机，涡喷发动机等动力机械，为人类提供单机达百万千瓦的强大动力。2023/2/4流体力学47流体力学在工程中的应用大型水利枢纽工程，超高层建筑，大跨度桥梁等的设计和建造离不开水力学和风工程。2023/2/4流体力学48流体力学在工程中的应用大型水利枢纽工程，超高层建筑，大跨度桥梁等的设计和建造离不开水力学和风工程。2023/2/4流体力学49流体力学在工程中的应用大型水利枢纽工程，超高层建筑，大跨度桥梁等的设计和建造离不开水力学和风工程。2023/2/4流体力学50流体力学在工程中的应用21世纪人类面临许多重大问题的解决，需要流体力学的进一步发展，它们涉及人类的生存和生活质量的提高。全球气象预报（卫星云图）2023/2/4流体力学51流体力学在工程中的应用环境与生态控制2023/2/4流体力学52流体力学在工程中的应用灾害预报与控制龙卷风太平洋暴云2023/2/4流体力学53流体力学在工程中的应用火山与地震预报2023/2/4流体力学54流体力学在工程中的应用发展更快更安全更舒适的交通工具2023/2/4流体力学55流体力学在工程中的应用各种工业装置的优化设计，降低能耗，减少污染等等。2023/2/4流体力学56流体力学在工程中的应用流体力学需要与其他学科交叉，如工程学，地学，天文学，物理学，材料科学，生命科学等，在学科交叉中开拓新领域，建立新理论，创造新方法。星云2023/2/4流体力学57流体力学在工程中的应用流体力学需要与其他学科交叉，如工程学，地学，天文学，物理学，材料科学，生命科学等，在学科交叉中开拓新领域，建立新理论，创造新方法。毛细血管流动2023/2/4流体力学58流体力学在工程中的应用生物仿生学信天翁滑翔

2023/2/4流体力学59流体力学在工程中的应用流体力学需要与其他学科交叉，如工程学，地学，天文学，物理学，材料科学，生命科学等，在学科交叉中开拓新领域，建立新理论，创造新方法。工程学材料学气象学2023/2/4流体力学60流体力学在工程中的应用2023/2/4流体力学611.3流体的定义、特征、连续介质模型2023/2/4流体力学62流体的定义能够流动的物质称为流体在任何微小切力的作用下都能够发生连续变形的物质液体、气体统称为流体2023/2/4流体力学63固体和流体具有不同的特征流体具有流动的特征。在给定的切力作用下，固体只产生一定量的变形，而流体将产生连续变形；当切力停止作用时，在弹性极限内固体可以恢复原来的形状，而流体只是停止变形。在静止状态下，固体能够同时承受法向应力和切向应力，而流体仅能够承受法向应力，只有在运动状态下才能够同时承受法向应力和切向应力。固体有一定的形状，而流体则取其容器的形状。2023/2/4流体力学64固体和流体具有不同的特征固体内的切应力由剪切变形量（位移）决定，而流体内的切应力与变形量无关，由变形速度（切变率）决定。任意改变均质流体微元排列次序，不影响它的宏观物理性质；任意改变固体微元的排列无疑将它彻底破坏。固体表面之间的摩擦是滑动摩擦，摩擦力与固体表面状况有关；流体与固体表面可实现分子量级的接触，达到表面不滑移。2023/2/4流体力学65液体和气体具有不同的特征气体易压缩液体的流动性不如气体一定质量的液体有一定的体积，气体能够充满所能到达的全部空间。2023/2/4流体力学66流体质点流体力学中研究流体运动时所取的最小流体微元体积无穷小而又包含大量分子的流体微团从宏观上看，和流动所涉及的物体的特征长度相比，该微团的尺度无穷小，小到在数学上可以作为一个点来处理。从微观上看，和分子的平均自由行程相比，该微团的尺度又充分大，包含足够多的分子，使得这些分子的共同物理属性的统计平均值有意义。2023/2/4流体力学67连续介质模型——1755年欧拉提出

不必去研究流体的微观分子运动，而只研究描述流体运动的宏观物理属性（如密度、压强、速度、温度、粘度、热力学能）。可以不考虑分子间存在的间隙，而把流体视为有无数连续分布的流体微团组成的连续介质。根据连续介质模型，流体的密度、压强、速度、温度等物理量一般在空间和时间上都是连续分布的，都应该是空间坐标和时间的单值连续可微函数，便可用解析函数的诸多数学工具去研究流体的平衡和运动规律，为流体连续的研究提供了很大的方便。2023/2/4流体力学68流体质点：含有大量分子而体积足够小的流体团。是能给出流体稳定平均值的最小体积单位。1.3.1流体的连续介质假设

连续介质假设的涵义：空间任意点上的物理量就是指位于该点的流体质点的物理量，而且是连续可微函数。连续介质假设：流体是由连续分布的流体质点所组成。流体密度：物理上小体积数学上：几何点2023/2/4流体力学691.3.2流体的物理性质

惯性

1.密度（density）比容(specificvolume)：2.重度(gravity)ΔＶΔm2023/2/4流体力学70

库仑把一块薄圆板用细金属丝平吊在液体中，将圆板绕中心转过一角度后放开，靠金属丝的扭转作用，圆板开始往返摆动，由于液体的粘性作用，圆板摆动幅度逐渐衰减，直至静止。库仑分别测量了普通板、涂腊板和细沙板，三种圆板的衰减时间。流体的粘性牛顿粘性应力公式2023/2/4流体力学71

流体的粘性牛顿粘性应力公式三种圆板的衰减时间均相等。库仑得出结论:衰减的原因，不是圆板与液体之间的相互摩擦，而是液体内部的摩擦。2023/2/4流体力学72流体中水平运动平板的受力牛顿平板实验实验表明：与上平板接触的流体以U的速度运动速度；与下平板接触的流体静止不动；中间流体速度均匀变化，各流体层之间有相对运动。流体的粘性牛顿粘性应力公式yhFAU2023/2/4流体力学73

流体的粘性1.牛顿内摩擦定律——Newton’s实验：发现粘附现象（内摩擦力）；发现内摩擦（剪应）力和变形速率呈线性yhFAU层流间内摩擦力内摩擦力产生原因：分子引力；分子动量交换。剪切应力比例系数称动力粘性系数，简称粘度单位(Pa.s)2023/2/4流体力学74各流层间的切向应力和速度梯度成正比；速度梯度越大，切向应力越大，能量损失也越大；静止流体或流体以相同速度流动，速度梯度等于零，粘性表现不出来。牛顿粘性应力公式

流体的粘性2023/2/4流体力学75

粘性产生的原因(1)液体之间的粘性力主要由分子内聚力形成温度升高，粘性减小(2)气体之间的粘性力主要由分子动量交换形成温度升高，粘性增大压强的变化对气体和液体的粘性影响不大。2023/2/4流体力学76粘性(viscosity)3.牛顿流体和非牛顿流体

牛顿流体:

的流体。剪应力和变形速率满足线性关系。

非牛顿流体：的流体。剪切应力和变形速率不满足线性关系。

m<1m=1m>1牛顿流体和非牛顿流体O2.理想流体与粘性流体

理想流体：的流体（无粘性流体）

粘性流体：的流体（真实流体）拟塑性体胀流型流体2023/2/4流体力学77体积压缩率：在一定温度下单位压强增量引起的体积变化率也称为压缩性系数负号是由于和异号单位：Pa-1或m2/Nk值大的流体容易压缩流体的压缩性2023/2/4流体力学78不可压缩流体：

液体和低速流动的气体（Ｕ<70m／s）可作为不可压缩流体处理。但水中爆炸、击水或研究水声的传播等问题中，必须考虑液体的压缩性。压缩性：流体的密度或容积随压力或温度变化的性质。流体都是可压缩的。压缩性（compressibility）

(bulkmodulus)2023/2/4流体力学79体膨胀系数：在一定压强下单位温升引起的体积变化率单位：1/℃或1/K

值大的流体容易压缩一般需要同时考虑温度和压强对气体体积和密度的影响

流体的膨胀性2023/2/4流体力学801.4流体的界面现象和性质1.互不掺混流体界面上存在表面张力（surfacetension）2.流体与固壁界面表面张力

毛细现象：气、液、固三种界面之间的浸润作用。3.流-固界面上速度的连续性粘性流体：界面上流体速度和固体运动速度相等。（无滑移条件）理想流体：界面上允许流体切向滑移，但不能穿透，即界面上流-固速度的法向投影相等（不可穿透条件）2023/2/4流体力学81自由液面附近的液体分子分别受到周围气体和液体分子的引力作用。液体分子引力大于气体分子引力。液体分子间引力作用范围在影响球内。表面张力具有表面张力的条件：2023/2/4流体力学82距离液面大于影响球半径r的范围内，液体分子引力相互平衡。

距离液面小于影响球半径r的范围内，液体分子引力不能平衡，合成一个拉向液体内部的合力，合力作用的结果是使液体自由