流体力学绪论yc

流体力学与流体机械,中国矿业大学电力学院动力系主讲：杨春敏讲师Email:ychm_cumtTel流体力学与流体机械,第一部分流体力学第一章流体及其物理性质第二章流体静力学第三章流体运动学第四章流体动力学基础第五章粘性流体流动及阻力第六章能量损失及管路计算第七章相似原理和量纲分析第八章气体动力学基础,主要参考书陈卓如编工程流体力学高教版郭楚文编工程流体力学中矿版孔珑编工程流体力学水电版毛根海编工程流体力学网络课堂,流体力学与流体机械,第二部分流体机械第一章泵与风机的分类及工作原理第二章泵与风机的工作理论第三章泵与风机的构造第五章给排水系统第六章通风系统第七章空气压缩设备,主要参考书白铭声编流体机械煤工版于修编矿山大型固定设备技术测试中矿版矿山固定机械手册煤工版郭立君编泵与风机水电版,流体力学绪论,流体力学是以流体(包括液体和气体)为对象，研究其平衡和运动基本规律的科学。主要研究流体在平衡和运动时的压力分布、速度分布、与固体之间的相互作用以及流动过程中的能量损失等。流体力学是力学的一个重要分支,在生活、环保、科学技术及工程中具有重要的应用价值。流体力学中研究得最多的流体是水和空气。它的主要基础是牛顿运动定律和质量守恒定律，常常还要用到热力学知识，有时还用到宏观电动力学的基本定律、本构方程和高等数学、物理学、化学的基础知识。,一、流体力学的研究对象,除水和空气以外，流体还指作为汽轮机工作介质的水蒸气、润滑油、地下石油、含泥沙的江水、血液、超高压作用下的金属和燃烧后产生成分复杂的气体、高温条件下的等离子体等等。气象、水利的研究，船舶、飞行器、叶轮机械和核电站的设计及其运行，可燃气体或炸药的爆炸，以及天体物理的若干问题等等，都广泛地用到流体力学知识。许多现代科学技术所关心的问题既受流体力学的指导，同时也促进了它不断地发展。1950年后，电子计算机的发展又给予流体力学以极大的推动。,流体力学绪论,一、流体力学的研究对象,现场观测：对固有流动现象进行观测，得出规律实验研究方法: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。,流体力学绪论,二、研究方法:,几种研究方法要相辅相成,三、流体力学的发展简史,1、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。,流体力学绪论,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。,三、流体力学的发展简史,1、流体力学在中国,流体力学绪论,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。,三、流体力学的发展简史,1、流体力学在中国,流体力学绪论,钱学森钱学森（19112009）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。,三、流体力学的发展简史,1、流体力学在中国,流体力学绪论,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（WuZhonghua）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。,三、流体力学的发展简史,1、流体力学在中国,流体力学绪论,阿基米德（Archimedes，公元前287212）西方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。,三、流体力学的发展简史,2、流体力学在西方,流体力学绪论,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。,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。,三、流体力学的发展简史,2、流体力学在西方,流体力学绪论,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。,三、流体力学的发展简史,2、流体力学在西方,流体力学绪论,伯努利（D.Bernoulli，17001782）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。,三、流体力学的发展简史,2、流体力学在西方,流体力学绪论,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。,三、流体力学的发展简史,2、流体力学在西方,流体力学绪论,达朗伯（J.leR.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,17361813）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。,三、流体力学的发展简史,2、流体力学在西方,流体力学绪论,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.vonHelmholtz,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。,三、流体力学的发展简史,2、流体力学在西方,流体力学绪论,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）,三、流体力学的发展简史,2、流体力学在西方,流体力学绪论,谢才（A.deChzy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。,三、流体力学的发展简史,2、流体力学在西方,流体力学绪论,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。,三、流体力学的发展简史,2、流体力学在西方,流体力学绪论,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.vonKrmn，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,三、流体力学的发展简史,2、流体力学在西方,流体力学绪论,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。,三、流体力学的发展简史,2、流体力学在西方,流体力学绪论,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。,三、流体力学的发展简史,2、流体力学在西方,流体力学绪论,四、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,流体力学绪论,能源动力,飞机发动机,蒸汽机车,四、流体力学在工程中的应用,流体力学绪论,建筑与环境,杨浦大