机械中的流体力学教学课件PPT.ppt

12 20 2019 2 4机械中的流体力学 公元前2280年中国的大禹治水公元前4世纪古罗马供水系统公元前3世纪阿基米德浮力定律公元前3世纪中国四川都江堰水利工程 12 20 2019 公元前2280年中国的大禹治水 2 4机械中的流体力学 12 20 2019 2 4机械中的流体力学 公元前4世纪古罗马供水系统 12 20 2019 2 4机械中的流体力学 公元前3世纪阿基米德浮力定律 浮力定理 浮力大小等于物体在流体中排开流体的重量 浮力产生的根本原因是浸入流体中的物体受到流体的压力作用 各表面受到的压力不同而形成压力差的表现 阿基米德 archimedes 287 212b c 希腊 12 20 2019 公元前3世纪中国四川都江堰水利工程 2 4机械中的流体力学 12 20 2019 人类的祖先在海洋里生活了40多亿年 2 4机械中的流体力学 12 20 2019 人类在空气里生活了700万年 2 4机械中的流体力学 12 20 2019 2 4机械中的流体力学 我们虽然生活在流体的世界里 对于一些流体运动却缺乏认识 高尔夫球 表面光滑还是粗糙 汽车阻力 来自前部还是后部 机翼升力 来自上部还是下部 12 20 2019 高尔夫球起源于15世纪的苏格兰 当时人们认为表面光滑的球飞行阻力小 因此采用皮革制球 2 4机械中的流体力学 12 20 2019 后来发现表面有划痕的旧球反而飞的更远 这个谜一直到20世纪建立流体力学边界层理论后才解开 2 4机械中的流体力学 现在高尔夫球表面有很多凹坑 同样大小和重量下 飞行距离是光滑球的5倍 12 20 2019 2 4机械中的流体力学 汽车发明于19世纪末 当时人们认为汽车的阻力主要来自于前部对空气的撞击 因此早期汽车的后部是陡峭的 称为箱型车 阻力系数 0 8 12 20 2019 2 4机械中的流体力学 12 20 2019 2 4机械中的流体力学 12 20 2019 2 4机械中的流体力学 12 20 2019 其实汽车的阻力来自于后部形成的尾流 称为形状阻力 2 4机械中的流体力学 12 20 2019 20世纪30年代 人们开始使用流体力学改进汽车尾部形状 出现了甲壳虫型 阻力系数降到了0 6 2 4机械中的流体力学 12 20 2019 20世纪50年代改为了船型 阻力系数为0 45 2 4机械中的流体力学 12 20 2019 风洞实验以后改为了鱼形 阻力系数为0 3 2 4机械中的流体力学 12 20 2019 进一步改为楔形 阻力系数为0 2 2 4机械中的流体力学 12 20 2019 90年代以后 科研人员研发的未来型汽车 阻力系数仅为0 137 汽车外形设计中的流体力学性能研究已占主导地位 合理的外形使得汽车具有更好的动力学性能和更低的耗油率 2 4机械中的流体力学 12 20 2019 2 4机械中的流体力学 最常见的机翼翼剖面就是前端圆钝 后端尖锐 上边较弯 下边较平 上下不对称 很象一条去掉尾巴的鱼的形状 这样飞机向前滑行时 空气绕流过机翼 根据伯努利定理 气流经过上翼面 流线长 气流受挤流速加快 压力减小 而流过下翼面时气流受阻力影响流速缓慢 压力大 于是 这个压力差便形成了一种向上的升力 当这个升力大于飞机的重量时 飞机就飞起来了 飞机能飞行起来靠的是机翼产生的升力 12 20 2019 伯努利定理 伯努利 d bernouli1700 1782 瑞士 在静止的流体中 流体给与浸入其中的物体的压力 称为静水压力 当流体处于运动时 浸入流体中的物体表面所受到的压力与流体的运动速度有关 即 如果流体的运动速度为0 流体压力与流线高度成正比 也就是静水压力 如果高度h不变 则流体的压力随流动速度的增加而减少 伯努利定理在航空航海等领域有重要地位和广泛应用 12 20 2019 升力的大小与机翼的形状 气流的速度 气流与机翼的夹角 攻角 有关 1 机翼处于水平时 攻角为零 升力较小 2 飞机起飞 抬头后攻角增大 机翼上表面气流速度加快 升力也逐渐变大 3 当飞机在高空平飞时 加大油门 飞机速度增加 绕流的压力差也增加 会导致升力加大而上升 所以此时要下压机头以减小攻角和升力 失速现象 12 20 2019 随迎角增加 上翼面气流分离现象逐渐发展 迎角超过临界迎角后 上翼面产生强烈的气流分离 飞机失速后 会产生气动抖动外 由于升力的大量丧失和阻力的急剧增大 飞行员还会感到飞行速度迅速降低 飞机下降 机头下沉等现象 12 20 2019 2 4机械中的流体力学 直升机是靠它头上的桨叶 螺旋桨 旋转产生升力 一般由2 5片桨叶组成一副 由1 2台发动机带动 通过主螺旋桨高速的旋转对大气施加向下的巨大的力 然后利用大气的反作用力 相当与直升飞机受到大气向上的力 使飞机能够平稳的悬在空中 12 20 2019 2 4机械中的流体力学 香蕉球 足球右面空气流动的速度较左面大 根据流体力学的伯努利方程 常数 流体速度较大的地方气压会较低 因此足球右面的气压较左面低 产生了一个向右的力 结果足球一面向前走 一面承受一个把它推向右的力 造成了弯曲球 12 20 2019 2 4机械中的流体力学 流体中的运动阻力 发现了两种流动状态层流和湍流 雷诺 re40000时 流动一般为湍流 2000 re 40000时 过渡状态 可能是层流 也可能是湍流 取决于管子表面粗糙程度 实验条件等因素 流体的阻力与流动状态有关 12 20 2019 2 4机械中的流体力学 纳维 l navier 1785 1836 法国 斯托克斯 g stokes 1819 1903 英 建立了粘性流体运动的动量方程 12 20 2019 2 4机械中的流体力学 卡门 泰勒等众多科学家奠定了近代流体力学基础 卡门 theodorevonk rm n 1881 1963 美国 泰勒 g taylor 1886 1975 英国 12 20 2019 2 4机械中的流体力学 普朗特 l prandtl 1875 1953 德国 德国流体力学家普朗特创立的边界层理论 12 20 2019 2 4机械中的流体力学 我只是在相信自己对物理本质已经有深入了解以后 才想到数学方程 方程的用处是说出量的大小 这是直观得不到的 同时它也证明结论是否正确 普朗特 一架正在穿越音障的美国海军f a 18超级大黄蜂战斗机 机身周围激波面附近由于普朗特 格劳厄脱奇点 prandtl glauertsingularity 效应产生的圆锥形云雾 12 20 2019 2 4机械中的流体力学 流体力学孤立波理论成为光通信的基石 孤立波 有限振幅波的一种 只有一个波峰或波谷 而且只出现在浅水水域中 1844年英国科学家罗素 j russell 在狭窄的运河河道中发现由船头推动的一个孤立波 以不变的波形沿河行进了3公里 由于海浪传入底坡平坦的浅水区域之后 其图像与孤立波相似 所以孤立波研究结果常用来分析近岸的海浪 20世纪发现 两个孤立波在相互作用后保持波形不变 由此建立孤立子理论 已广泛应用于光学 水波 声学 超导等领域 12 20 2019 2 4机械中的流体力学 流体力学也是众多应用科学和工程技术的基础 由于空气动力学的发展 人类研制出3倍声速的战斗机 f 15 12 20 2019 2 4机械中的流体力学 空气绕过物体时会在物体后面产生漩涡 卡曼涡街 12 20 2019 2 4机械中的流体力学 tacoma大桥风毁原因 卡曼涡街 12 20 2019 2 4机械中的流体力学 2008年发生在我国东海上的一次卡曼涡街 12 20 2019 2 4机械中的流体力学 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 12 20 2019 2 4机械中的流体力学 单价超过10亿美元 能抵御大风浪的海上采油平台 12 20 2019 2 4机械中的流体力学 航速达30节 深潜达数百米的核动力潜艇 12 20 2019 2 4机械中的流体力学 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 12 20 2019 2 4机械中的流体力学 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 汽轮机叶片 12 20 2019 2 4机械中的流体力学 水轮机 12 20 2019 2 4机械中的流体力学 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 12 20 2019 2 4机械中的流体力学 21世纪人类面临许多重大问题的解决