山东大学工程流体力学课件

第一章第一章 绪绪 论论 课程安排 教 材： 杜广生工程流体力学中国电力出版社2005.1 参考书：孔 珑流体力学高等教育出版社 2003.9 孔 珑流体力学高等教育出版社 2003.9 陈卓如工程流体力学第二版 高等教育出版社 2004.1 丁祖荣流体力学上册高等教育出版社2003.12 丁祖荣流体力学上册高等教育出版社2003.12 学时数：6458（理论课）6（实验课） 课程性质：技术基础课 引引 言言 (INTRODUCTION)(INTRODUCTION) 流体力学流体力学： 宏观力学。宏观力学。 Fluid Mechanics, Fluid Hydrodynamics， Hydrodynamics 研究对象研究对象：流体流体(Fluid)(Fluid)。包括。包括液体液体和和气体气体。 液体液体无形状，有一定的体积；不易压缩，存在自由（液）面。无形状，有一定的体积；不易压缩，存在自由（液）面。 气体气体既无形状，也无体积，易于压缩。既无形状，也无体积，易于压缩。 研究任务研究任务： 研究流体所遵循的宏观研究流体所遵循的宏观运动规律运动规律以及流体和周围物体之间以及流体和周围物体之间 的的相互作用相互作用。 研究方法 v理论分析: 根据实际问题建立理论模型 涉及微分体 积法 速度势法 保角变换法 v实验研究方法: 根据实际问题利用相似理论建立实 验模型 选择流动介质 设备包括风洞、水槽、水洞 、激波管、测试管系等 v数值计算方法 ：根据理论分析的方法建立数学模型 ，选择合适的计算方法，包括有限差分法、有限元 法、特征线法、边界元法等，利用商业软件和自编 程序计算，得出结果，用实验方法加以验证。 流体力学的发展简史 流体力学在中国 大禹治水 4000多年前的大禹治水，说明我国古代已有大规模的治河工程。 (公元前256210年) 秦代，在公元前256-前210年间便修建了都江堰、郑国渠、灵渠三大 水利工程，说明当时对明槽水流和堰流流动规律的认识已经达到相当水 平。 龙首渠（公元前156-前87） 西汉武帝时期，为引洛水灌溉农田，在黄土高原上修建了龙首渠，创 造性地采用了井渠法，即用竖井沟通长十余里的穿山隧洞，有效地防止 了黄土的塌方。 水利风力机械 在古代，以水为动力的简单机械也有了长足的发展，例如用水轮提水， 或通过简单的机械传动去碾米、磨面等。东汉杜诗任南阳太守时（公元 37年）曾创造水排（水力鼓风机），利用水力，通过传动机械，使皮制 鼓风囊连续开合，将空气送入冶金炉，较西欧约早了一千一百年。 流体力学在中国 真州船闸 北宋（960-1126）时期，在运河上修建的真州船闸与十 四世纪末荷兰的同类船闸相比，约早三百多年。 潘季顺 明朝的水利家潘季顺（1521-1595）提出了“筑堤防溢， 建坝减水，以堤束水，以水攻沙”和“借清刷黄”的治黄 原则，并著有两河管见、两河经略和河防一揽 。 流 量 清朝雍正年间，何梦瑶在算迪一书中提出流量等于 过水断面面积乘以断面平均流速的计算方法。 流体力学在中国 钱学森 钱学森（1911）浙江省杭州市人， 他在火箭、导弹、航 天器的总体、动力、制导、气动力、结构、材料、计算机 、质量控制和科技管理等领域的丰富知识，为中国火箭导 弹和航天事业的创建与发展作出了杰出的贡献。1957年获 中国科学院自然科学一等奖，1979年获美国加州理工学院 杰出校友奖，1985年获国家科技进步奖特等奖。1989年获小 罗克维尔奖章和世界级科学与工程名人称号，1991年被国 务院、中央军委授予“国家杰出贡献科学家”荣誉称号和 一级英模奖章。 流体力学在中国 周培源（ 19021993)。 1902年8月28日出生，江苏宜兴人。理论学 家、流体力学家主要从事物理学的基础理论中 难度最大的两个方面即爱因斯坦广义相对论引 力论和流体力学中的湍流理论的研究与教学并 取得出色成果。 吴仲华（Wu Zhonghua）在1952年发表的 在轴流式、 径流式和混流式亚声速和超声速 叶轮机械中的三元流普遍理论和在1975年发 表的使用非正交曲线坐标的叶轮机械三元流动 的基本方程及其解法两篇论文中所建立的叶轮 机械三元流理论，至今仍是国内外许多优良叶轮 机械设计计算的主要依据。 流体力学的西方史 阿基米德（Archimedes，公元前287212） 欧美诸国历史上有记载的最早从事流体力学 现象研究的是古希腊学者阿基米德在公元前 250年发表学术论文论浮体，第一个阐明 了相对密度的概念，发现了物体在流体中所 受浮力的基本原理阿基米德原理。 流体力学的西方史 列奥纳德.达.芬奇 （Leonardo.da.Vinci,14521519） 著名物理学家和艺术家 设计建造了一小型水渠， 系统地研究了物体的沉浮、孔口出流、物体的运 动阻力以及管道、明渠中水流等问题。 斯蒂文（S.Stevin,1548-1620） 将用于研究固体平衡的凝结原理转用到流体上。 伽利略（Galileo,1564-1642） 在流体静力学中应用了虚位移原理，并首先提出，运动物 体的阻力随着流体介质密度的增大和速度的提高而增大。 托里析利（E.Torricelli,1608-1647） 论证了孔口出流的基本规律。 流体力学的西方史 帕斯卡（B.Pascal,1623-1662） 提出了密闭流体能传递压强的原理-帕斯卡原 理。 牛 顿 是英国伟大的数学家、物理学家、天文学家 和自然哲学家。1642年12月25日生于英格兰 林肯郡格兰瑟姆附近的沃 尔索普村，1727年3月20日在伦敦病逝。牛顿 在科学上最卓越的贡献是微积分和经典力学 的创建。牛顿的成就，恩格斯在英国状况 十八世纪中概括得最为完整：“牛顿由于发 明了万有引力定律而创立了科学的天文学， 由于进行了光的分解而创立了科学的光学， 由于创立了二项式定理和无限理论而创立了 科学的数学，由于认识了力的本性而创立了 科学的力学“。 伯努利（D.Bernoulli，1700 1782）瑞士科学家 在1738年出版的名著 流体动力学中，建立了流 体位势能、压强势能和动能 之间的能量转换关系伯 努利方程。在此历史阶段， 诸学者的工作奠定了流体静 力学的基础，促进了流体动 力学的发展。 流体力学的西方史 流体力学的西方史 欧 拉（L.Euler，17071783） 是经典流体力学的奠基人，1755 年发表流体运动的一般原理，提 出了流体的连续介质模型，建立了连 续性微分方程和理想流体的运动微分 方程，给出了不可压缩理想流体运动 的一般解析方法。他提出了研究流体 运动的两种不同方法及速度势的概念 ，并论证了速度势应当满足的运动条 件和方程。 流体力学的西方史 达朗伯（J.le R.dAlembert,17171783） 1744年提出了达朗伯疑题（又称达朗伯佯谬），即在理想 流体中运动的物体既没有升力也没有阻力。从反面说明了 理想流体假定的局限性。 拉格朗日（J.-L.Lagrange,1736 1813） 提出了新的流体动力学微分方程， 使流体动力学的解析方法有了进一 步发展。严格地论证了速度势的存 在，并提出了流函数的概念，为应 用复变函数去解析流体定常的和非 定常的平面无旋运动开辟了道路。 流体力学的西方史 弗劳德（W.Froude，1810-1879）对船舶阻力和摇摆的 研究颇有贡献，他提出了船模试验的相似准则数-弗劳德数 ，建立了现代船模试验技术的基础。 亥姆霍兹（H.von Helmholtz,1821-1894）和基尔霍夫（ G.R.Kirchhoff,1824-1887）对旋涡运动和分离流动进行了 大量的理论分析和实验研究，提出了表征旋涡基本性质的 旋涡定理、带射流的物体绕流阻力等学术成就。 流体力学的西方史 纳维（C.-L.-M.-H.Navier）首先提出了不可压缩粘性流体 的运动微分方程组。斯托克斯（G.G.Stokes）严格地导出 了这些方程，并把流体质点的运动分解为平动、转动、均 匀膨胀或压缩及由剪切所引起的变形运动。后来引用时， 便统称该方程为纳维-斯托克斯方程。 纳维（L.Navier， 17851836，法国） 斯托克斯（G.Stokes， 18191903，英国） 流体力学的西方史 谢 才（A.de Chzy法国 ）在 1755年便总结出明渠均匀流公式- 谢才公式，一直沿用至今。 雷 诺（O.Reynolds，1842-1912 ）1883年用实验证实了粘性流体 的两种流动状态层流和紊流的 客观存在，找到了实验研究粘性流 体流动规律的相似准则数雷诺 数，以及判别层流和紊流的临界雷 诺数，为流动阻力的研究奠定了基 础。 流体力学的西方史 瑞 利（L.J.W.Reyleigh，1842-1919英国）在相似原 理的基础上，提出了实验研究的量纲分析法中的一种 方法-瑞利法。 库 塔（M.W.Kutta，18671944）1902年就曾提出 过绕流物体上的升力理论，但没有在通行的刊物上发 表。 儒科夫斯基（.,18471921 ）从1906年起，发表了论依附涡流等论文，找到 了翼型升力和绕翼型的环流之间的关系，建立了二维 升力理论的数学基础。他还研究过螺旋桨的涡流理论 以及低速翼型和螺旋桨桨叶剖面等。他的研究成果， 对空气动力学的理论和实验研究都有重要贡献，为近 代高效能飞机设计奠定了基础。 流体力学的西方史 普朗特（L.Prandtl，18751953） 建立了边界层理论，解释了阻力产生的机制。 以后又针对航空技术和其他工程技术中出现的 紊流边界层，提出混合长度理论。1918-1919 年间，论述了大展弦比的有限翼展机翼理论， 对现代航空工业的发展作出了重要的贡献。 卡 门（T.von Krmn，1881-1963）在1911- 1912年连续发表的论文中，提出了分析带旋涡 尾流及其所产生的阻力的理论，人们称这种尾 涡的排列为卡门涡街。在1930年的论文中，提 出了计算紊流粗糙管阻力系数的理论公式。嗣 后，在紊流边界层理论、超声速空气动力学、 火箭及喷气技术等方面都有不少贡献 流体力学的西方史 布拉休斯（H.Blasius）在1913年发表的论文中，提出了 计算紊流光滑管阻力系数的经验公式。 伯金汉（E.Buckingham）在1914年发表的在物理的 相似系统中量纲方程应用的说明论文中，提出了著名的 定理，进一步完善了量纲分析法。 尼古拉兹（J.Nikuradze）在1933年发表的论文中，公布 了他对砂粒粗糙管内水流阻力系数的实测结果-尼古拉兹 曲线，据此他还给紊流光滑管和紊流粗糙管的理论公式选 定了应有的系数。 流体力学的西方史 科勒布茹克（C.F.Colebrook）在1939年发表的论 文中，提出了把紊流光滑管区和紊流粗糙管区联系 在一起的过渡区阻力系数计算公式。 莫迪（L.F.Moody）在1944年发表的论文中，给出 了他绘制的实用管道的当量糙粒阻力系数图-莫迪 图。至此，有压管流的水力计算已渐趋成熟。 流体力学在工程中的应用 航空航天航海 船舶运动 地效翼艇 （WIG） 浮标 海洋平台 潜器 流体力学在工程中的应用 能源动力 发动机 四冲程 Wind TurbineWind Turbine 能源动力 飞机发动机 蒸汽机车 建筑与环境 杨浦大桥 节能型建筑 气象科学 气象云图 龙卷风 环境控制 污水净化设备模型 电厂冷却塔 生物仿生学 信天翁滑翔信天翁滑翔 应用广泛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、计算流体力学等 流体 能够流动的物质叫流体 在任何微小的剪切力的作用下都能够发生连续变形 的物质称为流体。包括气体、液体 气体无一定形状和体积。 第三节第三节 流体的定义及特征流体的定义及特征 就易变形性而言，液体与气体属于同类。 流体的易变形性 在受到剪切力持续作用时，固体的变形一般 是微小的(如金属)或有限的(如塑料)，但流 体却能产生很大的甚至无限大(只作用时间 无限长)的变形； 当剪切力停止作用后，固体变形能恢复或部分恢复，流体 则不作任何恢复。 第三节 流体的定义及特征 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。 第三节 流体的定义及特征 n 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。 第四节 流体连续介质模型 连续介质模型 将流体作为由无穷多稠密、没有间隙的流体质点构成的连 续介质，这就是1755年欧拉提出的“连续介质模型”。 在连续性假设之下，表征流体状态的宏观物理量如速度 、压强、密度、温度等在空间和时间上都是连续分布的， 都 可以作为空间和时间的连续函数。 流体质点： 包含有足够多流体分子的微团，在宏观上流体 微团的 尺 度和流动所涉及的物体的特征长度相比充分的小，小到 在数学上可以作为一个点来处理。而在微观上，微团的尺 度和分子的平均自由行程相比又要足够大。 第五节 流体的密度 相对密度 比容 密度密度 ： ( ) 均质流体 比容 密度的倒数 相对密度 式中 流体的密度（kg/m ）； 4时水的密度（kg/m ）。 密度 单位体内流体所具有的质量，表征流体在空间的密集程度 第六节 流体的压缩性和膨胀性 v流体的压缩性 在一定的温度下，单位压强增量引起的体积变化率定义为流 体的压缩性系数，其值越大，流体越容易压缩，反之，不容 易压缩。 定义式： 体积弹性模量 其值越大，流体越不容易压缩，反之，就容易压缩。 一定温度下水的体积弹性模量示于教材表13 第六节 流体的压缩性和膨胀性 v流体的膨胀性 当压强一定时，流体温度变化体积改变的性质称为流体的膨 胀性，膨胀性的大小用温度膨胀系数来表示。 膨胀性系数 式中 或 为温度增量； 为相应的体积变化率。由于温 度升高体积膨胀，故二者同号。 的单位为1/K或1/。 水在不同温度下的膨胀系数如表14所示。 可压缩流体和不可压缩流体 气体和液体都是可压缩的，通常将气体时为可压 缩流体，液体视为不可压缩流体。 水下爆炸：水也要时为可压缩流体；当气体流速 比较低时也可以视为不可压缩流体。 v流体的粘性 流体流动时产生内摩擦力的性质程为流体的黏性。流 体内摩擦的概念最早由牛顿（I.Newton,1687，）提 出。由库仑（CACoulomb,1784，）用实验得到 证实。 第七节 流体的粘性 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。 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 。 牛顿内摩擦定律 牛顿在自然哲学的数学原理中假设：“流体两部分由于缺乏 润滑而引起的阻力速度梯度成正比”。 上式称为牛顿粘性定律，它表明： 粘性切应力与速度梯度成正比； 粘性切应力与角变形速率成正比； 比例系数称动力粘度，简称粘度。 牛顿粘性定律已获 得大量实验证实。 与固体的虎克定律作对比： 粘性切应力由相邻两层流体之间的速度梯度决定,而 不是由速度决定 . 粘性切应力由流体元的角变形速率决定，而不是由变 形量决定. 牛顿粘性定律指出 ： 流体粘性只能影响流动的快慢，却不能停止流动。 牛顿内摩擦定律 粘 度 v的全称为动力粘度,根据牛顿粘性定律可得. 粘度的单位在SI制中是帕秒（ Pas), 工程中常常用到运动年度用下式表示 单位:(m2/s) 一般仅随温度变化，液体温度升高粘度增大，气体温度 升高粘度减小。 流体粘性成因 流体内摩擦是两层流体间分 子内聚力和分子动量交换的宏 观表现。 当两层液体作相对 运动时，两层液体分 子的平均距离加大， 吸引力随之增大，这 就是分子内聚力。 流体粘性的成因 气体分子的随机运 动范围大，流层之间 的分子交换频繁。 两层之间的分子动量 交换表现为力的作用， 称为表观切应力。气体 内摩擦力即以表观切应 力为主。 一般认为：液体粘性主要取决于分子间的引力， 气体的黏性主要取决于分子的热运动。 壁面不滑移假设 由于流体的易变形性，流体 与固壁可实现分子量级的粘附 作用。通过分子内聚力使粘附 在固壁上的流体质点与固壁一 起运动。 壁面无滑移 库仑实验间接地验证了壁面不滑移假设； 壁面不滑移假设已获得大量实验证实，被称为 壁面不滑移条件。 常温常压下水的粘度是空气的55.4倍 常温常压下空气的运动粘度是水的15倍 水 空气 水 空气 粘性流体和理想流体 v实际流体（粘性流体） 实际中的流体都具有粘性，因为都是由分子组成，都存在分子间的 引力和分子的热运动，故都具有粘性，所以，粘性流体也称实际流 体。 v理想流体 假想没有黏性的流体。 具有实际意义： 由于实际流体存在粘性使问题的研究和分析非常复杂，甚至难 以进行，为简化起见，引入理想流体的概念。 一些情况下基本上符合粘性不大的实际流体的运动规律，可用来 描述实际流体的运动规律，如空气绕流圆柱体时，边界层以外