哈尔滨工业大学课程流体力学课件

哈尔滨工业大学精品课程——流体力学本课程由哈尔滨工业大学教授主讲，涵盖了流体力学的基本理论和应用。课程内容包括流体静力学、流体动力学、边界层理论、湍流等。课程概述课程目标掌握流体力学基本理论和方法培养解决实际工程问题的能力课程内容流体静力学，流体动力学，边界层理论，湍流模型，气体动力学计算流体力学，流固耦合学习方式课堂讲授，实验教学，课后练习积极参与讨论，注重实践应用流体力学的基本概念流体流体是能够流动并改变形状的物质。液体和气体都是流体。黏性黏性是流体抵抗流动的性质，即流体内部各层之间存在摩擦力，会使能量损失。密度密度是单位体积流体的质量。密度决定流体的压缩性，密度大的流体不易压缩。压力压力是流体作用在物体表面上的力与物体表面的面积之比，是流体静力学的重要概念。流体静力学静止流体流体静力学研究的是静止或处于平衡状态的流体的性质和规律。压力静止流体中，由于自身重力作用而产生的压力称为静压，其大小与深度成正比。浮力浸没在流体中的物体受到一个向上托举的力，称为浮力，其大小等于物体所排开流体的重量。阿基米德原理浮力大小等于物体排开流体的重量，这是流体静力学中的一个重要定律。压力公式压力是流体对物体表面产生的作用力，其公式如下：P压力单位：帕斯卡(Pa)F力单位：牛顿(N)A面积单位：平方米(m2)压力公式是流体力学中的基本公式，它描述了流体压力与作用力、作用面积之间的关系。浮力与阿基米德原理浮力的概念物体在流体中受到向上的力，称为浮力。浮力的大小等于物体排开流体的重量。阿基米德原理物体在流体中所受的浮力，大小等于物体排开流体的重量。浮力应用浮力原理在日常生活和工程领域有广泛应用，例如船舶、气球、潜水艇等。流体动力学1运动流体研究流体的运动规律，描述流体在各种力的作用下的运动状态。2连续性方程质量守恒定律的应用，描述流体运动中流量与流速之间的关系。3伯努利方程能量守恒定律在流体中的应用，描述流体压力、速度和高度之间的关系。4粘性流动研究流体内部摩擦力的影响，解释流体流动中的能量损失现象。连续性方程连续性方程是流体力学中的一个基本定理，描述了流体在运动过程中质量守恒的规律。它基于质量守恒原理，表明在稳定流场中，流过任何控制面的质量流量保持不变。公式：ρ₁A₁v₁=ρ₂A₂v₂ρ：流体密度A：横截面积v：流体速度伯努利方程伯努利方程描述了流体在流动过程中，压力、速度和高度之间的关系。伯努利方程可以应用于各种工程问题，如管道流动、喷嘴设计和机翼升力分析。流速测量11.流速测量仪器常用的流速测量仪器包括皮托管、超声波流量计、涡轮流量计、电磁流量计等。22.测量原理不同的流速测量仪器采用不同的测量原理，例如皮托管利用伯努利原理测量流速，超声波流量计利用声波在流体中的传播速度测量流速。33.应用场景流速测量广泛应用于管道流体、风机气流、水力发电、水资源管理等领域。44.误差分析流速测量存在误差，需要分析误差来源并采取措施降低误差。管道流动层流层流是指流体流动时各层流体平行流动，没有相互混合，速度分布均匀.在层流状态下，流体流动阻力较小，传热效率较高.湍流湍流是指流体流动时各层流体相互混合，速度分布不均匀.湍流状态下，流体流动阻力较大，传热效率较低，但混合效率更高.管道压力损失管道压力损失是指流体在管道中流动时，由于摩擦力等因素造成的压力降低。管道压力损失主要分为沿程压力损失和局部压力损失。沿程压力损失是由于流体与管道壁面之间的摩擦引起的，其大小与流体的粘度、流速、管道长度和直径有关。局部压力损失是由于管道中存在的弯头、阀门、突然扩大或缩小等局部阻力造成的。计算管道压力损失，可以帮助工程师们设计管道系统，例如选择合适的管径、材质和长度，以满足流量和压力要求。管网设计管网布局优化管网设计是根据实际需求，合理规划管道的布局，连接各个节点，以满足供水、供气或其他流体输送需求。管径尺寸选择选择合适的管径，确保流量需求，同时考虑成本效益和经济性，避免过度投资或造成流量不足。水泵选型及配置根据管网的长度、流量需求，选择合适的水泵类型和功率，以保证足够的压头和流量，满足管网的运行需求。阀门和流量计配置选择合适的阀门和流量计，对管网进行控制和监控，保证系统正常运行，并实现流量的精确测量和控制。流量测量流量测量是流体力学研究中重要的环节，通过测量流体在单位时间内通过特定截面的体积，可以获得流速、流量等重要参数。1文丘里管通过测量文丘里管前后压差，计算流量。2涡轮流量计利用旋转叶片感知流体速度，计算流量。3电磁流量计利用电磁感应原理，测量导电流体的流量。4超声波流量计利用超声波在流体中的传播时间，计算流量。不同类型的流量计适用于不同的流体和测量范围，需要根据实际情况选择合适的流量计。流场分析流场分析是流体力学研究中的重要环节，通过对流场中速度、压力、温度等物理量的分布进行分析，可以更深入地理解流体运动规律。实验测量、数值模拟和理论分析是常用的流场分析方法，根据具体问题选择合适的分析方法，可以有效地解决工程实际问题。流固耦合结构力学流体动力学模型将流体压力和剪切力作为边界条件应用于结构模型。流体力学结构变形和运动会改变周围流体的流动状态。耦合分析流体和结构之间的相互作用和反馈是复杂的非线性问题。边界层理论粘性影响边界层是指流体与固体表面之间的一层薄薄的流体层，流体在该层内受到粘性力的影响。速度梯度边界层内流体速度从固体表面的零速度逐渐增加到主流速度，形成速度梯度。层流与湍流边界层可以分为层流边界层和湍流边界层，层流边界层内流体流动平稳有序，而湍流边界层内流体流动混乱无序。重要性边界层理论对理解流体与固体之间的相互作用，以及分析和解决流体流动问题至关重要。黏性流动黏性流体黏性流体是指具有内部摩擦力的流体。常见的黏性流体包括水、油、空气等。黏性流动是流体运动的一种基本形式，它在许多工程应用中发挥着重要作用，例如管道流动、飞行器设计和气象预报等。黏性系数黏性系数是流体黏性的量度，它表示流体抵抗剪切变形的能力。黏性系数越大，流体越难流动。温度和压力会影响流体的黏性系数。一般而言，温度越高，黏性系数越低；压力越高，黏性系数越高。湍流模型湍流特征湍流是流体运动的一种复杂形式，具有随机性、无序性和不可预测性。数学模型建立湍流模型是为了用数学方法描述湍流现象，并进行数值模拟。应用领域湍流模型广泛应用于航空航天、能源、环境等领域，解决复杂流体问题。模型分类常见的湍流模型包括雷诺平均模型、大涡模拟模型、直接数值模拟模型等。气体动力学高速流动气体动力学研究高速流动现象，例如飞机飞行。可压缩性气体可压缩性在高速流动中变得显著，影响流动特性。热力学效应高速流动会产生显著的热量，需要考虑热力学效应。工程应用气体动力学原理应用于航空航天、涡轮机等领域。压缩性流动1速度效应流体速度接近或超过声速时，其密度发生显著变化，导致流动性质显著改变。2气体可压缩性可压缩性流动主要发生在气体中，因为气体密度更容易受到压力和温度的影响。3马赫数马赫数是流体速度与声速的比值，用于描述流体的可压缩性程度。4应用领域航空航天、高速铁路、燃气轮机等领域涉及可压缩流动，对其进行深入研究具有重要意义。气动力问题升力与阻力气动力是流体作用在物体上的力，包括升力、阻力、侧向力等，它们直接影响飞行器的飞行状态和效率。机翼设计机翼形状和角度影响升力和阻力，工程师设计机翼形状以优化飞机的升力系数和阻力系数。空气动力学空气动力学研究气体流动产生的力，例如飞行器的升力、阻力和推力，以及它们之间的相互作用。流动可视化技术流动可视化技术通过各种方法将流体运动呈现出来，直观地展示流体的速度、压力、温度等信息，帮助人们理解流体现象，设计更优化的流体系统，提高效率，降低成本，并进行安全评估。常见的流动可视化技术包括粒子图像测速(PIV)、激光诱导荧光(LIF)、阴影摄影、油墨流线法等。每种技术都有其独特的优势和适用范围，为研究人员提供了强大的工具，用于深入研究流体现象。计算流体力学定义计算流体力学（CFD）是一种使用数值方法来模拟流体流动行为的学科。CFD利用计算机程序解决流体力学问题，例如流体动力学，热传递和质量传递。CFD建模步骤1几何建模构建研究对象的几何模型，包括三维形状、边界条件和初始条件。2网格划分将连续的几何空间离散化为有限个网格单元，用于数值计算。3求解器设置选择合适的数值方法和求解器，并设置控制参数，如时间步长、收敛准则等。4边界条件定义模型边界上的流体性质和边界条件，如速度、压力、温度等。5求解计算根据所选择的数值方法和边界条件，进行数值计算，得到流场结果。6后处理分析对计算结果进行分析和可视化，提取关键信息，并进行验证和评估。数值求解方法有限差分法将连续的微分方程离散化为差分方程，用差分代替微分，求解流体力学问题。有限元法将流场划分为有限个单元，利用单元节点上的值进行插值，求解流体力学方程。有限体积法将流场划分成有限个控制体积，对控制体积进行积分，求解流体力学方程。谱方法采用正交函数展开流场变量，求解流体力学方程，适用于求解周期性问题。物理模型验证与应用实验验证将计算结果与实际实验结果进行比较，验证模型的准确性和可靠性。通过比较数值模拟结果和实验数据，可以评估模型的误差，并对模型进行修正或改进。工程应用将CFD模型应用于实际工程问题，进行设计优化、性能预测和故障诊断。例如，利用CFD技术进行水利工程、航空航天、汽车设计等方面的模拟分析，指导实际工程的建设和运行。案例分析通过分析具体工程项目的案例，展现CFD模型在解决实际问题中的应用效果。例如，可以介绍利用CFD技术对桥梁风荷载、飞机气动特性、管道流动等问题的研究和分析。相关实验设备风洞用于模拟飞行器在不同气流条件下的流动状态。水箱用于研究流体在水中的流动规律，例如船舶的阻力，水轮机的工作原理等。压力传感器用于测量流体的压力，进而研究流体的流动特性。其他设备速度传感器流量计数据采集系统创新实践与工程应用11.项目案例将课程知识应用于实际工程项目，例如桥梁设计、水利工程、航空航天等领域。22.仿真模拟利用CFD软件进行流体力学问题的数值模拟，验证理论分析结果。33.实验验证通过实验验证理论模型和仿真结果的准确性，提升对流体力学现象的理解。44.创新设计基于流体力学原理，设计新型的流体机械或装置，解决工程实际问题。课程资源与学习方法丰富课程资源本课程提供优质的教学课件、视频资源、习题库等，帮助学生深入理解流体力学原理。多维学习方法鼓励学生积极参与课堂互动、课后练习、实验操作，并充分利用图书馆资源进行深入学习。实践与理论结合通过实验课程和课题研究，将理论知识与实际应用相结合，提升学生解决实际工程问题的能力。在线