第01章+流体力学绪论.ppt

1 主讲 贾宝贤 船舶流体力学 教材 流体力学 王家楣等主编 大连海事大学出版社参考书 船舶流体力学 夏国泽主编 华中科技大学出版社流体力学 张亮 李云波编 哈尔滨工程大学出版社周光坰 流体力学 上 下册第二版 高等教育出版社余常昭 环境流体力学导论 清华大学出版社环境水力学本讲课件网上获取方式 在百度中搜索 第01章流体力学绪论在百度文库中下载 封页 2 学习要求 1 保证出席 2 课堂上认真听讲 不做与本课程无关的事情 保证上课效率 3 记好课堂笔记 提炼内容 感受 发现老师讲课中的问题 记录学习中遇到的问题 防止上课溜号 4 及时复习并与老师同学交流 5 按时完成作业 自己独立完成 3 内容提要 1 绪论2 流体静力学3 流体运动学4 理想流体动力学5 旋涡理论6 势流理论7 波浪理论8 粘性流体动力学基础9 相似理论10 粘性流体的一元流动 管道流体力学11 边界层理论12 机翼理论 4 流体力学与实际工程技术连续介质假设三流体的性质四作用于流体上的力 第一章绪论 绪论 5 1 1流体力学与工程技术 流体力学与工程技术 一 研究对象 流体 fluid 包括液体和气体 特性 流动 flow 性 流体遵循牛顿的力学定律 质量守恒定律和能量守恒定律等 6 幻影2000 幻影2000 二流体力学与工程技术 航空空气动力学 7 一架经改装的波音747搭载 发现号 航天飞机 波音747 8 太空站 从航天飞机上看到的太空站 超高速气体动力学物理化学流体力学稀薄气体力学 9 三峡水利枢纽 水利 土建工程水力学 三峡水利枢纽 10 建筑流体力学 11 其他 生物流变学 毛细血管流动 渗流力学 物理 化学流体动力学 多相流体力学 12 大型运输船 造船水动力学船舶流体力学 排水量达50万吨以上的超大型运输船 13 大型运输船 造船水动力学船舶流体力学 14 核动力潜艇 航速达30节 深潜达数百米的核动力潜艇 15 轮船 16 水翼飞机 17 祝同学们前程远大 乘风破浪 驶向辉煌 18 按流体作用力的性质分类 流体静力学流体运动学流体动力学按力学模型分类理想流体动力学粘性流体动力学不可压缩流体动力学可压缩流体动力学非牛顿流体力学 分类 19 三流体力学的研究方法 1模型实验相似理论 模型实验装置2理论研究力学模型 物理基本定律 求解数学方程 分析和揭示本质和规律3数值计算力学模型 物理基本定律 计算机数值方法求解数学方程 20 根据工程技术方面的需要进行流体力学应用性研究 更深入地开展基础研究以探求流体的复杂流动规律和机理 包括 湍流非定常流动非线性水波旋涡理论交叉学科有关各种实验设备和仪器等 四 流体力学的展望 21 1 连续介质模型引入 流体分子之间不连续 有间隙 2 流体质点 或称流体微团 忽略尺寸效应但包含无数分子的流体最小单元 3 连续介质模型 流体由流体质点组成 流体质点连续的 无间隙的分布于整个流场中 1 2流体的连续介质模型 22 一 流体的密度和重度 1 密度 density 均质流体 密度为常数 2 重度 gravity 水的重度为 密度和重度之间的关系为 1 3流体性质 1 1 1 2 1 3 23 密度和重度 海水 1020kg m3 9996 m3 气体在高速流动时 密度与流场中的压力和温度有密切的关系 即 f p 气体密度的变化非常小的流动 可将气体作不可压缩流体处理 Mach 流速 声速 0 3 空气 1 226kg m3 12 m3 24 剪切力 粘性力 内摩擦力 1 牛顿平板试验 二 流体的粘性 25 剪切应力 粘性应力 内摩擦应力 单位面积上的剪切力 讨论 对于此种线性速度分布的情形 不同地方的切应力是否相等 剪应力 26 讨论 对于此种速度分布的情形 不同地方的切应力是否相等 2 牛顿内摩擦定律 1 7 27 3流体的粘性系数 N S m a s 2 运动粘性系数 Kinematicviscosity 1 动力粘性系数 Dynamicviscosity物理常数 1 9 28 粘性系数 与流体物性有关的物理常数 运动粘性系数 与温度 压力的关系 压力的变化对 的影响不大 N s 2 帕 秒 a s 气体 温度上升 升高液体 温度上升 下降 米 秒 2 粘性系数 29 4 粘性产生的原因 1 两层液体之间的粘性力主要由分子内聚力形成 2 两层气体之间的粘性力主要由分子动量交换形成 30 四 真实流体和理想流体 壁面粘附条件 壁面滑移条件 壁面无粘附条件 31 真实流体和理想流体 真实流体与理想流体的主要差别 1 流体运动时 真实流体相互接触的流体层之间有剪切应力作用 而理想流体没有 2 真实流体附着于固体表面 即在固体表面上其流速与固体的速度相同 而理想流体在固体表面上发生相对滑移 32 牛顿流体与非牛顿流体 牛顿型流体 如空气 水 汽油 煤油 甲醇 乙醇 甲苯 非牛顿型流体 33 一 流体的压缩性 定义 温度不变 流体的体积随压强增加而缩小为流体的压缩性 温度不变时压强增加一个单位所引起的流体体积相对缩小量的倒数 即 称为体积摸量 流体的其他属性 34 E的值越大表明流体越不易压缩 温度为15oC时 通常可取水的 值为1 9613 109 a 因为 所以 流体的其他属性 35 二 流体的膨胀性 定义 压强不变 流体的体积随温度增高而增大 称为流体的膨胀性 通常用体积膨胀系数 表示 是指压强不变时温度增加一个单位所引起的流体体积相对增大量 即 或称温度膨胀系数 36 三 液体的汽化和空化 若液体的压力小于大气压力 或温度升高时 部分溶解于液体中的气体会形成气泡 若液体的压力小于汽化压力时 液体本身会汽化形成局部孔穴的气泡 这些局部气泡随流体运动 会产生破裂或聚并 破裂的气泡会产生很大的动量冲量 若这现象发生在物面附近 将对材料形成严重的剥蚀作用 37 4作用于流体上的力 1 质量力 体积力 重力场 有 单位质量力 其大小与流体质量 或体积 成正比的力 称为质量力 例如重力 电磁力以及惯性力等均属于质量力 1 10 38 表面力 作用于 点处单位面积上的法向力和切向力为 2 表面力 1 11 1 12 39 5流体静压特性 静止流体的压力沿作用面的内法线方向 特性一 一 流体静压特性 特性二 静止流体中任意一点的压力与作用面的方向无关 只是该点的坐标函数 40 静止液体中有一平板 平板的轴位于C点 平板绕C轴旋转 C点深度不变故不管平板转到什么方位 在C点处的压力仍然保持不变 不同点的压力不相等 压力是空间坐标的连续函数 即 p p x y z 同上 C 41 二 静止流体中压力的变化规律 对于静止流体中任意两点A B 若已知A点的压力 则 这便是静止流体的基本方程式 pB pA h 42 静止流体压力分布规律的几个特性 3 自由面上压力改变 若液体仍能保持静止 则液体内部任意一点的压力将发生相同的变化 2 压力随深度线性增加 1 同一种流体中 深度相同的面为等压面 43 压力的单位及测量 俗称表压 p相 p绝 pa 2 相对压力p 以大气压 为基准计算计的压力 其值即为绝对压力超过当地大气压的数值 1 绝对压力 以绝对真空为基准计算的压力 工程上压力的几种表示方法 3 真空压力 p真 pa p绝 1 13 1 14 44 常用的压力单位 1 际单位制 SI N m 或Pa 1Pa N m 大气压 标准大气压 工程大气压 标准大气压Patm 1 013 105Pa 760 汞柱 10 33 水柱 液柱高 长度单位 如水银柱 水柱等 工程大气压Pata kgf cm2 10水柱 0 981 105Pa 0 968atm 45 例1 1 例1 1两平行平板间充满液体 平板移动速度0 25m s 单位面积上所受的作用力2Pa m 试确定平板间液体的粘性系数 解 牛顿内摩擦定律得 y 0 5mm 故 46 例1 2 例1 2滑块从斜面滑下 底面积为10mm 10mm 其质量为30kg 其间底油膜厚度为0 01cm 当滑块底速度恒定为1m s时 试求油底粘性系数 解 由牛顿第二定理和牛顿内摩擦定律有 mgsin du dy A 得 1 471 N s m2 47 例1 3 例1 3轴与同心轴套的间隙中充有牛顿流体 500 轴向力作用于套管 使套管的移动速度为 m s 若作用力增加到1500 求套管的移动速度 设粘性系数不变 解 设粘性系数为 液膜厚度为 由于轴套固定 故 1m s 由牛顿内摩擦定律 48 即得 当 1500 时 即套管的移动速度为u 3m s 49 总结 本章小结本章的基本概念 流体的流动性 连续介质假设 流体的压缩性 热膨胀性 可压缩流体 不可压缩流体 牛顿流体 非牛顿流体 流体的粘性 理想流体 真实流体 质量力 表面力 应力张量 流体的压力 真空度等 50 总结 基本理论与基本公式 1 连续介质模型 为了数学处理上的方便 提出了流体的连续介质模型 把流体看成没有间隙的连续介质 则流体中的一切物理量 如速度u和密度p 都可以看作是时空的连续函数 可采用连续函数理论作为分析工具 2 流体的主要物理性质 流动性 重力特性 惯性 粘性 压缩性和热膨胀性 流体的主要物理量有 密度 重度 等温压缩系数 T 等压热膨胀系数 粘性系数 3 流体的剪应力 内摩擦应力 牛顿内摩擦定律 牛顿内摩擦定律表述为 相邻液层间所产生的剪应力与该液层间的速度梯度成正比 51 总结 4 作用于流体的力 为了便于研究 将作用于流体的力按其作用方式分为 质量力和表面力 表面力常分为垂直于表面的压力和平行于表面的切力 5 流体的压力 根据适用场合不同 流体压力的表示方法有绝对压力 相对压力和真空度 6 流体静压力的两个特性 液体静压力垂直于作用面且沿着作用面的内法线方向 任一点的流体静压力