流体力学泵与风机

流体力学泵与风机2第一章绪论§1、1认识流体力学§1、2

作用在流体上得力§1、3

流体得主要力学性质§1、4流体得力学模型3§1、1

认识流体力学自然界物质存在得主要形态:固态、液态和气态二、流体得定义:流体与固体得区别

具有流动性得物体就是流体(即能够流动得物体)。

液体和气体就是流体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,任何一个微小得剪切力都能使流体发生连续得变形。一、流体力学得定义:研究流体在静止与运动状态下得力学规律及其工程应用得学科(研究对象、内容及目得)液体与气体得区别:

液体得流动性小于气体;气体易于压缩;而液体难于压缩;液体具有一定得体积,并取决于容器得形状,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。液体与气体得共同点:

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、流体得特征流动性----在任意微小剪切力作用下会发生连续变形得特性流动性就是区别流体和固体得基本力学特征,就是便于用管道、渠道进行输送,适宜作供热、供冷等工作介质得主要原因。4四、流体得分类流体分为牛顿流体和非牛顿流体牛顿流体:指在受力后极易变形,且切应力与变形速率成正比得低粘性流体。非牛顿流体:就是指不满足牛顿黏性实验定律得流体,即其剪应力与剪切应变率之间不就是线性关系得流体。水、酒精等大多数纯液体、轻质油、低分子化合物溶液以及低速流动得气体等均为牛顿流体。非牛顿流体广泛存在于生活、生产和大自然之中。绝大多数生物流体都属于现在所定义得非牛顿流体。人身上血液、淋巴液、囊液等多种体液,以及像红细胞那样得“半流体”都属于非牛顿流体。本课程讲述得就是牛顿流体5五、生活中得流体力学

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;

高尔夫球得粗糙表面;足球得弧圈球,乒乓球得旋球技术;

飞机之所以能起飞;两张纸相吸得实验;风案、船案-----“流体力学”断案。认识得形象化、具体化学以致用,善于利用,趋利避害。汽车得形状进化;61、高尔夫球:表面光滑还就是粗糙？高尔夫球运动起源于15世纪得苏格兰,当时人们认为表面光滑得球飞行阻力小,因此用皮革制球。

最早得高尔夫球(皮革已龟裂)7

后来发现表面有很多划痕得旧球反而飞得更远,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)

现在得高尔夫球表面有很多窝坑,在同样大小和重量下,飞行距离为光滑球得5倍。

82、汽车阻力:来自前部还就是后部？汽车发明于19世纪末,当时人们认为汽车得阻力主要来自前部对空气得撞击,因此早期得汽车后部就是陡峭得,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得尾流,称为形状阻力

920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。

1011大家应该也有点累了，稍作休息大家有疑问的，可以询问和交流

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年得研究改进,汽车阻力系数从0、8降至0、137,阻力减小为原来得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,合理得外形使汽车具有更好得动力学性能和更低得耗油率。

123、足球得香蕉球现象足球得香蕉球现象可帮助理解环量理论。旋转得球带动空气形成环流,一侧气体加速,另一侧减速,形成压差力,使足球拐弯,称为马格努斯效应。伯努利原理134、机翼升力:来自下部还就是上部？

人们得直观印象就是空气从下面冲击着鸟得翅膀,把鸟托在空中。

19世纪初建立得流体力学环量理论彻底改变了人们得传统观念。机翼得特殊形状使她不用旋转就能产生环量,上部流速加快形成吸力,下部流速减慢形成压力,两者合成形成升力。

14测量和计算表明,上部吸力得贡献远比下部要大。

155、风案、船案-----“流体力学”断案。

事情发生在1982年得美国纽约。一位叫玛莎得女经济学家刚从一座高楼得大门走出,就被突然而来得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,状告这座大楼得建筑承包商和业主。大多数人以为玛莎得这一举动就是无理取闹,肯定要被法院驳回。

谁知流体力学帮了这位经济学家得忙,玛莎最终获得了胜利,这便就是著名得“风案”。

历史上还发生过三起著名得“船案”。不幸得就是三位无辜得船长均被错误地判了重刑。一次就是在本世纪初,法国舰队在地中海演习时,排水量为11395吨得“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”号右侧不远得地方,突然改变方向,一个急转弯撞在装甲旗舰得船头上,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米得“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。在她们并列航行中,“寇拉沙阿”号突然急转弯,与运兵船得船头相撞,“寇拉沙阿”号被劈为两半。165、风案、船案-----“流体力学”断案。

第三次撞船事故发生在1912年秋天。当时世界上最大得邮轮“奥林匹克”号,在大海航行中与一艘比她小得多得铁甲巡洋舰“哈克”号平行地疾驶着。突然,小船似乎“服从着一种不可见得力量”,竟扭转船头对准大船冲来,结果与邮轮得右舷相撞,两条船都受了重伤。与另两起海上事故一样,这起“撞船官司”也就是由当时得海事法庭审理。法院得判决书说,“奥林匹克”号得船长犯了严重过失,因为她没有向其部下发布任何命令,给横冲过来得“哈克”号让路。按照流体力学得观点,这样得判决纯属无理。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,尚未引起科学家得重视。17五、流体力学得研究方法1、理论方法

理论分析得一般过程就是: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得内在规律,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182、实验方法

实验研究得一般过程就是:在相似理论得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。

典型得流体力学实验有: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得实际流动规律,发现新现象,检验理论结果等,但结果得普适性较差。

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数值研究得一般过程就是: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。

常用得方法有:有限差分法、有限元法、有限体积法、边界元法、谱分析法等。计算得内容包括: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得有力武器。数值方法得优点就是能计算理论分析方法无法求解得数学方程,比实验方法省时省钱,但毕竟就是一种近似解方法,适用范围受数学模型得正确性和计算机得性能所限制。l

三种方法各有优缺点,应取长补短,互为补充。

3、数值方法2021§1、2

作用在流体上得力一、质量力质量力就是作用于流体得每一个质点上得力对于均质流体,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得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§1、2

作用在流体上得力二、表面力表面力就是作用在流体表面或截面上且与作用面得面积成正比得力,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得压力称为压强,以p表示作用于单位面积上得切力称为切应力,以τ表示压强和切应力得单位:N/m2(Pa),kN/m2(kPa)2223§1、3

流体得主要力学性质一、惯性惯性就是物体保持其原有运动状态得一种性质表示惯性大小得物理量就是质量,质量得单位为g或kg水得密度ρ=1000㎏/m3水银得密度ρ=13、6×1000㎏/m3均质流体得密度非均质流体得密度物体反抗改变原有运动状态而作用于其她物体上得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得引力称为重力。用G表示,重力得大小称为重量G=mg重量得单位为N,kN1N=1㎏·m/s2单位体积得重量就是容重γ=ρg24三、粘滞性流体具有流动性流动性就是流体受切力作用发生连续变形得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得性质称为流体得粘(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)以反抗相对运动得性质称为流体得粘(滞)性2526牛顿内摩擦定律实验证明内摩擦力T与两流层间速度差du和流层得接触面积A成正比,与流层间距离dy成反比,与流体得种类有关,与流体得压力大小无关动力粘滞系数m,单位:N•s/m2。运动粘滞系数ν,单位:为m2/s

流体得运动粘度和动力粘度圆管流

粘性表象平板间流动圆管内流动27速度梯度就是速度沿垂直于速度方向y得变化率,单位s-1、28可以看出,速度梯度就就是直角变形速度,这个直角变形速度就是在切应力得作用下发生得,所以,也称剪切变形速度。

粘度得影响因素

1)流体种类。一般地,相同条件下,液体得粘度大于气体得粘度。2)压强。对常见得流体,如水、气体等,m值随压强得变化不大,一般可忽略不计。

3)温度。就是影响粘度得主要因素。当温度升高时,液体得粘度减小,气体得粘度增加。a、液体:内聚力就是产生粘度得主要因素,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得切应力减小,所以m值减小。

b、气体:气体分子间距离大,内聚力很小,所以粘度主要就是由气体分子运动动量交换得结果所引起得。温度升高,分子运动加快,动量交换频繁,所以m值增加。29粘滞性产生得原因:水和空气得粘滞系数30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）05101520253035401.7921.5191.3081.1001.0050.8940.8010.7230.6561.7921.5191.3081.1411.0070.8970.8040.7270.6610.01720.01780.01830.01870.019213.714.715.716.617.631水得运动粘度与温度得关系32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得速度向右运动。设流速沿间隙δ按线性分布。试求:(1)切应力τ(2)薄板得面积为2m2,薄板得拖曳力。(1)查表得μ=1、005×10-3N·s/m2

(2)F=T=τ·A=0、201×2=0、402N33解:例1-2气缸内壁得直径D=12cm,活塞得直径d=11、96cm,活塞得长度l=14cm,活塞往复运动得速度为1m/s,润滑油液得μ=1P(1P=0、1Pas),试问作用在活塞上得粘滞力为多少？解:34四、压缩性和热胀性压缩性:T不变时,P增大,V随之减小得性质。热胀性:P不变,T升高时,V增大得性质。

1、液体得压缩性和热胀性体积压缩系数E得单位为N/m2液体得压缩性很小,一般可将水作为不可压缩液体处理

β得单位为m2/N

体积弹性模量35液体得热胀系数2、气体得压缩性和热胀性气体具有显著得压缩性和热胀性

当气体运动速度小于一定得数值时,可