《前言流体力学介绍》PPT课件

前言.流体力学介绍,0.1流体力学的研究对象0.2流体力学的研究方法0.3流体力学发展史0.4流体力学的展望,力学分支,力学,理论力学,弹塑性力学,流体力学,材料力学,弹性力学,空气动力学,计算流体力学,力学模型,力学：研究力与运动相互关系的科学。研究方法：建立物理模型，列出相应的数学方程，求解，把数学结果应用于实际物体，改进物理模型，力学模型：质点，质点组，刚体，连续介质等。理论力学：研究力学的普遍运动规律，一般性的原理以及质点、质点组和刚体这些理论模型的运动规律。,0.1流体力学研究内容,流体力学：它主要研究流体本身的静止状态和运动状态，以及流体和固体界壁间有相对运动时的相互作用和流动的规律。连续介质是它的一种理论模型。,0.1流体力学的研究对象,流体是气体和液体的总称。在人们的生活和生产活动中随时随地都可遇到流体，所以流体力学是与人类日常生活和生产事业密切相关的。空气和水是最常见的两种流体，大气包围着整个地球，地球表面的70%是水面。大气运动、海水运动(包括波浪、潮汐、涡旋、环流等)乃至地球深处熔浆的流动都是流体力学的研究内容。,0.1流体力学的研究对象,大气的运动研究天气预报右图是太平洋暴风云下图为国际空间站上观察到的飓风“丽莉”,0.1流体力学的研究对象,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、本构方程和物理学、化学的基础知识。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产生成分复杂的气体、高温条件下的等离子体等等。,0.1流体力学的研究对象,航空航天事业的蓬勃发展是同流体力学的分支学科空气动力学的发展紧密相连的。这些学科是流体力学中最活跃、最富有成果的领域。右图是航天飞机和其周围的激波,0.1流体力学的研究对象,燃烧离不开气体，这是有化学反应和热能变化的流体力学问题，是物理-化学流体动力学的内容之一。爆炸是猛烈的瞬间能量变化和传递过程，涉及气体动力学，进而形成了爆炸力学。,0.1流体力学的研究对象,新兴的流体力学研究：交通流体力学电磁流体力学生物流体力学微尺度流动稀薄空气动力学,0.1流体力学的研究对象,生物流体力学研究人体或其他动植物中有关的流体力学问题，例如血液在血管中的流动，心、肺、肾中的生理流体运动和植物中营养液的输送。此外，还研究鸟类在空中的飞翔，动物在水中的游动，等等。右图是红血球在毛细血管中流动图象,0.2流体力学的研究方法,进行流体力学的研究可以分为现场观测实验室模拟理论分析数值计算,0.2流体力学的研究方法,现场观测对自然界固有的流动现象或已有工程的全尺寸流动现象，利用各种仪器进行系统观测，从而总结出流体运动的规律，并借以预测流动现象的演变。过去对天气的观测和预报，基本上就是这样进行的。不过现场流动现象的发生往往不能控制，发生条件几乎不可能完全重复出现，影响到对流动现象和规律的研究；现场观测还要花费大量物力、财力和人力。,0.2流体力学的研究方法,模型实验在流体力学中占有重要地位。这里所说的模型是指根据理论指导，把研究对象的尺度改变(放大或缩小)以便能安排实验。有些流动现象难于靠理论计算解决，有的则不可能做原型实验(成本太高或规模太大)。这时，根据模型实验所得的数据可以像换算单位制那样的简单算法求出原型的数据。下面的图中展示了大桥，航天飞机,水坝和水闸缩比模型的实验,水闸,桥梁,0.2流体力学的研究方法,理论分析是根据流体运动的普遍规律如质量守恒、动量守恒、能量守恒等，利用数学分析的手段，研究流体的运动，解释已知的现象，预测可能发生的结果。理论分析的步骤大致如下：首先是建立“力学模型”，即针对实际流体的力学问题，分析其中的各种矛盾并抓住主要方面，对问题进行简化而建立反映问题本质的“力学模型”。流体力学中最常用的基本模型有：连续介质、牛顿流体、不可压缩流体、理想流体、平面流动等。,0.2流体力学的研究方法,其次是针对流体运动的特点，用数学语言将质量守恒、动量守恒、能量守恒等定律表达出来，从而得到连续性方程、动量方程和能量方程。此外，还要加上某些联系流动参量的关系式(例如状态方程)，或者其他方程。建立流体力学基本方程组。求解方程组，解释所得到解的物理含义和流动机理。通常还要将这些理论结果同实验结果进行比较，以确定所得解的准确程度和力学模型的适用范围。,0.2流体力学的研究方法,流体力学的基本方程组非常复杂，在考虑粘性作用时更是如此，如果不靠计算机，就只能对比较简单的情形进行计算。20世纪3040年代，对于复杂而又特别重要的流体力学问题，曾组织过人力用几个月甚至几年的时间做数值计算，比如圆锥做超声速飞行时周围的无粘流场就从1943年一直算到1947年。,0.2流体力学的研究方法,数学的发展，计算机的不断进步，以及流体力学各种计算方法的发明，使许多原来无法用理论分析求解的复杂流体力学问题有了求得数值解的可能性，这又促进了流体力学计算方法的发展，并形成了计算流体力学（CFD）。,0.2流体力学的研究方法,数值计算在计算机应用的基础上，采用各种离散化方法（有限差分法、有限元法等），建立各种数值模型，通过计算机进行数值计算和数值实验，得到在时间和空间上许多数字组成的集合体，最终获得定量描述流场的数值解。计算流体力学已成为当今流体力学发展中最重要的一个分支。下面介绍几个例子。,圆柱绕流,飞机绕流,叶轮机械,0.3流体力学发展史,古希腊的阿基米德建立了包括物理浮力定律和浮体稳定性在内的液体平衡理论，奠定了流体静力学的基础。15世纪,意大利达芬奇著作中谈到水波、管流、水力机械、鸟的飞翔原理等问题。17世纪，帕斯卡阐明了静止流体中压力的概念,0.3流体力学发展史,17世纪，力学奠基人牛顿研究了在流体中运动的物体所受到的阻力，得到阻力与流体密度、物体迎流截面积以及运动速度的平方成正比的关系。他针对粘性流体运动时的内摩擦力也提出了牛顿粘性定律。但是，牛顿还没有建立起流体动力学的理论基础，他提出的许多力学模型和结论同实际情形还有较大的差别。,0.3流体力学发展史,瑞士的欧拉采用了连续介质的概念，把静力学中压力的概念推广到运动流体中，建立了欧拉方程，正确地用微分方程组描述了无粘流体的运动；伯努利从经典力学的能量守恒出发，研究供水管道中水的流动，精心地安排了实验并加以分析，得到了流体定常运动下的流速、压力、管道高度之间的关系伯努利方程。,0.3流体力学发展史,欧拉方程和伯努利方程的建立，是流体动力学作为一个分支学科建立的标志，从此开始了用微分方程和实验测量进行流体运动定量研究的阶段。法国拉格朗日对于无旋运动，德国亥姆霍兹对于涡旋运动作了不少研究。在上述的研究中，流体的粘性并不起重要作用，即所考虑的是无粘流体。这种理论当然阐明不了流体中粘性的效应。,0.3流体力学发展史,19世纪，工程师们为了解决许多工程问题，尤其是要解决带有粘性影响的问题。1822年，纳维尔建立了粘性流体的基本运动方程；1845年，斯托克斯又以更合理的基础导出了这个方程，并将其所涉及的宏观力学基本概念论证得令人信服。这组方程就是沿用至今的纳维尔-斯托克斯方程(简称N-S方程)，它是流体动力学的理论基础。,0.3流体力学发展史,普朗特学派从1904年到1921年逐步将N-S方程作了简化，从推理、数学论证和实验测量等各个角度，建立了边界层理论，能实际计算简单情形下，边界层内流动状态和流体同固体间的粘性力。,20世纪初，以儒科夫斯基、恰普雷金、普朗特等为代表的科学家，开创了以无粘不可压缩流体位势流理论为基础的机翼理论，阐明了机翼怎样会受到举力，从而诞生了飞机。,0.3流体力学发展史,20世纪40年代以后，由于喷气推进和火箭技术的应用，飞行器速度超过声速，进而实现了航天飞行，使气体高速流动的研究进展迅速，形成了气体动力学、物理-化学流体动力学等分支学科。右图是阿里亚娜火箭起飞时的情景。,0.3流体力学发展史,以这些理论为基础，20世纪40年代，关于炸药或天然气等介质中发生的爆轰波又形成了新的理论，为研究原子弹、炸药等起爆后，激波在空气或水中的传播，发展了爆炸波理论。此后，流体力学又发展了许多分支，如超声速空气动力学、稀薄空气动力学、电磁流体力学、计算流体力学、两相(气液或气固)流，等等。今天，是高超声速空气动力学蓬勃发展的时代，必将诞生新的、革命性的飞行器。,0.4流体力学的展望,今后，人们一方面将根据工程技术方面的需要进行流体力学应用研究，另一方