流体力学泵与风机-第1章 绪论

主讲人:刘长鸣

办公室：机电楼209室电话：58290043－84413203238424流体力学

一个人要是随便地浏览一下周围环境，看到的东西，几乎都是固体。但当他想起海洋、大气及外层空间时，就会清醒地认识到：地球表面和整个宇宙的大部分都处于流体状态。

除去科学家关心的人类赖以生存的流体（空气和水）之外，工程师们所服务于人类的设备，都离不开流体。事实上，无法想像机器、设备和工具是不含流体的也不需用流体力学的原理来设计的；泵、风机、压缩机、燃气轮机、发动机、火箭等就是流体机械；飞机和船舶在流体中运动；大气和气象受流体力学规律的控制；所有机器都需要润滑，而润滑剂就是流体。为此，不管多么复杂或高深的设备，总要用到流体力学的基本概念。

流体力学在现代科学工程中具有重要的位置，它是机械工程、液压传动、航空航天、气象、海洋工程、民用工程（如交通运输、水利工程、港口水运、采暖通风、空调工程、给排水工程等）和生物工程的基础之一。甚至传热学、燃烧学也离不开流体力学。事实上，它是现今所有科学和工程技术的基础。第一部分流体力学第一章绪论第二章流体静力学第三章一元流体动力学基础第四章流动阻力和能量损失第五章孔口管嘴管路流动第六章气体射流第七章不可压缩流体动力学基础第八章绕流运动第九章一元气体动力学基础第十章相似性原理和因次分析第一章绪论§1.1认识流体力学§1.2

作用在流体上的力§1.3

流体的主要力学性质§1.4流体的力学模型§1.1

认识流体力学一、定义：研究流体在静止与运动状态下的力学规律及其工程应用的学科（研究对象、内容及目的）历史上

流体力学分理论流体力学（偏重数理分析，属于基础学科范畴）工程流体力学（着眼于工程应用，属于应用学科范畴）二、流体的定义：

具有流动性的物体是流体（即能够流动的物体）。自然界物质存在的主要形态：固态、液态和气态

液体和气体是流体流体与固体的区别固体静止时既能承受压力，也能承受拉力与剪切力；流体只能承受压力，一般不能承受拉力，任何一个微小的剪切力都能使流体发生连续的变形。液体与气体的区别：

液体的流动性小于气体；

液体具有一定的体积，并取容器的形状，存在一个自由液面；气体充满任何容器，而无一定体积，不存在自由液面。液体与气体的共同点：

两者均具有易流动性，即在任何微小切应力作用下都会发生连续变形或流动，故二者统称为流体。三、流体的特征流动性----在任意微小剪切力作用下会发生连续变形的特性流动性是区别流体和固体的基本力学特征，是便于用管道、渠道进行输送，适宜作供热、供冷等工作介质的主要原因。气体易于压缩；而液体难于压缩；四、生活中的流体力学：

水往低处流——司马光砸缸；风平浪静，无风不起浪；微风吹拂，微波荡漾；大风大浪；狂风大作，波浪滔天；

高尔夫球的粗糙表面；风案、船案-----“流体力学”断案。认识的形象化、具体化学以致用，善于利用，趋利避害。汽车的形状进化；1．高尔夫球：表面光滑还是粗糙？高尔夫球运动起源于15世纪的苏格兰，当时人们认为表面光滑的球飞行阻力小，因此用皮革制球。

最早的高尔夫球（皮革已龟裂)

后来发现表面有很多划痕的旧球反而飞得更远，这个谜直到20世纪建立流体力学边界层理论后才解开。

(请注意球表面)

现在的高尔夫球表面有很多窝坑，在同样大小和重量下，飞行距离为光滑球的5倍。

2．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。

实际上汽车阻力主要来自后部形成的尾流，称为形状阻力

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。

20世纪50－60年代改进为船型，阻力系数为0.45。

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，

以后进一步改进为楔型，阻力系数为0.2。

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。

汽车阻力系数动画3、风案、船案-----“流体力学”断案。

事情发生在1982年的美国纽约。一位叫玛莎的女经济学家刚从一座高楼的大门走出，就被突然而来的一阵狂风吹倒而摔伤了肩膀。一气之下，她向纽约市法院提出诉讼，状告这座大楼的建筑承包商和业主。大多数人以为玛莎的这一举动是无理取闹，肯定要被法院驳回。

谁知流体力学帮了这位经济学家的忙，玛莎最终获得了胜利，这便是著名的“风案”。

历史上还发生过三起著名的“船案”。不幸的是三位无辜的船长均被错误地判了重刑。一次是在本世纪初，法国舰队在地中海演习时，排水量为11395吨的“勃林奴斯”号装甲旗舰用旗语召呼一艘驱逐舰前来。当这艘驱逐舰高速开来在接近“勃林奴斯”号右侧不远的地方，突然改变方向，一个急转弯撞在装甲旗舰的船头上，前者当即被后者劈成两半而沉没了。

另一次发生于1942年10月。一艘排水量为81000吨，长314米的“玛丽皇后”号运兵船，满载着15000名美国兵，由巡洋舰“寇拉沙阿”号和另外6艘驱逐舰护航。在它们并列航行中，“寇拉沙阿”号突然急转弯，与运兵船的船头相撞，“寇拉沙阿”号被劈为两半。5、风案、船案-----“流体力学”断案。

第三次撞船事故发生在1912年秋天。当时世界上最大的邮轮“奥林匹克”号，在大海航行中与一艘比它小得多的铁甲巡洋舰“哈克”号平行地疾驶着。突然，小船似乎“服从着一种不可见的力量”，竟扭转船头对准大船冲来，结果与邮轮的右舷相撞，两条船都受了重伤。与另两起海上事故一样，这起“撞船官司”也是由当时的海事法庭审理。法院的判决书说，“奥林匹克”号的船长犯了严重过失，因为他没有向其部下发布任何命令，给横冲过来的“哈克”号让路。按照流体力学的观点，这样的判决纯属无理。当然，我们也不能责怪法官，因为在当时，船在大海里平行前进会发生互相吸引而产生碰撞事故，尚未引起科学家的重视。五、流体力学的研究方法1.理论方法理论分析的一般过程是：建立力学模型，用物理学基本定律推导流体力学数学方程，用数学方法求解方程，检验和解释求解结果。

理论分析结果能揭示流动的内在规律，具有普遍适用性，但分析范围有限。

理论基础：1、质量守恒原理2、能量守恒原理

3、动量定理

4、牛顿三大定律2.实验方法

实验研究的一般过程是：在相似理论的指导下建立模拟实验系统，用流体测量技术测量流动参数，处理和分析实验数据。

典型的流体力学实验有：风洞实验、水洞实验、水池实验等。测量技术有：热线、激光测速；粒子图像、迹线测速；高速摄影；全息照相；压力、密度测量等。现代测量技术在计算机、光学和图像技术配合下，在提高空间分辨率和实时测量方面已取得长足进步。实验结果能反映工程中的实际流动规律，发现新现象，检验理论结果等，但结果的普适性较差。

数值研究的一般过程是：对流体力学数学方程作简化和数值离散化，编制程序作数值计算，将计算结果与实验结果比较。

常用的方法有：有限差分法、有限元法、有限体积法、边界元法、谱分析法等。计算的内容包括：飞机、汽车、河道、桥梁、涡轮机等流场计算；湍流、流动稳定性、非线性流动等数值模拟。大型工程计算软件已成为研究工程流动问题的有力武器。

数值方法的优点是能计算理论分析方法无法求解的数学方程，比实验方法省时省钱，但毕竟是一种近似解方法，适用范围受数学模型的正确性和计算机的性能所限制。l

三种方法各有优缺点，应取长补短，互为补充。

3.数值方法六、流体力学的学习方法—参考建议1.认真听懂深化理解2.课堂作业3.笔记§1.2

作用在流体上的力一、质量力质量力是作用于流体的每一个质点上且与质量成正比的力对于均质流体，质量力与体积成正比，又称体积力或超距力质量力包括重力和惯性力单位质量所受到的质量力称为单位质量力，用f表示对于均质流体

单位质量重力（X，Y，Z）=（0，0，g)

单位质量惯性力二、表面力表面力是作用在流体表面或截面上且与作用面的面积成正比的力，表面力又称面积力或接触力表面力包括压力和切力作用于单位面积上的压力称为压强，以p表示

作用于单位面积上的切力称为切应力，以τ表示

压强和切应力的单位：N/m2（Pa），kN/m2（kPa）§1.2

作用在流体上的力§1.3

流体的主要力学性质一、惯性惯性是物体保持其原有运动状态的一种性质表示惯性大小的物理量是质量，质量的单位为g或kg单位体积的质量是密度，密度的单位为g/cm3或kg/m3水的密度ρ=1000㎏/m3水银的密度ρ=13.6×1000㎏/m3均质流体的密度非均质流体的密度水和空气的密度（一个标准大气压下）温度T(℃)水ρ（㎏/m3）空气ρ（㎏/m3）0510152025303540999.91000.0999.7999.1998.2997.1995.7994.1992.21.2931.2701.2481.2261.2051.1851.1651.1461.128物体反抗改变原有运动状态而作用于其他物体上的反作用力称为惯性力二、重力特性地球对地球表面附近物体的引力称为重力。用G表示。重力的大小称为重量G=mg重量的单位为N，kN1N=1㎏·m/s2单位体积的重量是容重γ=ρg三、粘滞性流体具有流动性流动性是流体受切力作用发生连续变形的性质这种变形亦称为剪切变形流体在流动状态下抵抗剪切变形的性质称为流体的粘（滞）性

或者说流体内部质点间或流层间因相对运动而产生内摩擦力（内力）以反抗相对运动的性质称为流体的粘（滞）性牛顿内摩擦定律液体在作层流运动时，相邻流层之间的切应力与切应变率成线性关系

动力粘滞系数m：又称绝对粘度、动力粘度、粘度，是反映流体粘滞性大小的系数，单位：N•s/m2。运动粘滞系数ν：又称相对粘度，运动粘度，单位：为m2/s

流体的运动粘度和动力粘度平板动画圆管流粘性表象平板间流动圆管内流动

粘度的影响因素

1）流体种类。一般地，相同条件下，液体的粘度大于气体的粘度。2）压强。对常见的流体，如水、气体等，m值随压强的变化不大，一般可忽略不计。

3）温度。是影响粘度的主要因素。当温度升高时，液体的粘度减小，气体的粘度增加。说明:

a.液体：内聚力是产生粘度的主要因素，当温度升高，分子间距离增大，吸引力减小，因而使剪切变形速度所产生的切应力减小，所以m值减小。

b.气体：气体分子间距离大，内聚力很小，所以粘度主要是由气体分子运动动量交换的结果所引起的。温度升高，分子运动加快，动量交换频繁，所以m值增加。水和空气的粘滞系数温度T(℃)水的动力粘度μ（10-3N·s/m2）水的运动粘度ν（10-6m2/s）空气的动力粘度μ（10-3N·s/m2）空气的运动粘度ν（10-6m2/s）05101520253035401.7921.5191.3081.1001.0050.8940.8010.7230.6561.7921.5191.3081.1411.0070.8970.8040.7270.6610.01720.01780.01830.01870.019213.714.715.716.617.6流速梯度可以表示为流体的切应变率或角变形率

凡是满足牛顿内摩擦定律的流体，称为牛顿流体；反之为非牛顿流体例题例1-1两平行平板间隙δ=1cm，水温为20℃，下板固定不动，上板以u=2m/s的速度向右运动。设流速沿间隙δ按线性分布。试求：（1）切应力τ沿间隙的分布（2）薄板的面积为2m2，薄板的拖曳力。解：（1）查表得μ=1.005×10-3N·s/m2，

（2）F=T=τ·A=0.201×2=0.402N例1-2气缸内壁的直径D=12cm，活塞的直径d=11.96cm，活塞的长度l=14cm，活塞往复运动的速度为1m/s，润滑油液的μ=1P(1P=0.1Pas)，试问作用在活塞上的粘滞力为多少？解：四、压缩性和热膨胀性压缩性：T不变时，P增大，