工程流体力学第1章.ppt

2020/6/2,工程流体力学,赵小虎航空科学与工程学院流体力学研究所,课程情况介绍和相关要求,1本学期课程时间安排。2地点：（一）4053时间：晚上68点4考试及成绩：平时（点名）期末（随堂开卷）,5授课对象：全校公共选修课，非流体力学专业本科生（23年级）。6课程基础：数学分析、力学。7认真听讲、积极思考。8遵守课堂纪律（按时上课，手机关机或振动）。,课程情况介绍和相关要求,工程流体力学，周亨达主编，冶金工业出版社，2000工程流体力学，陈卓如主编，高等教育出版社，1992工程流体力学，归柯庭等编，科学出版社，2003流体力学基础，朱一锟主编，北航出版社，1998工程流体力学（水力学），闻德荪主编，高等教育出版社，2004,参考书目,工程流体力学授课内容,1绪论2流体静力学3流体运动学4流体动力学5低速粘性管流6管路的水力计算7紊动射流,1力学：2流体：3飞机升力：4汽车的阻力：,几个概念和问题,静止、运动、运动与力之间关系。,广义、狭义、力学定义。,3飞机升力：A380580吨；（1）主要由机翼产生；（2）方向：垂直于来流方向；（3）气流对固壁表面产生的是压力；（4）流动图画；库茹后缘条件,几个概念和问题,几个概念和问题,（5）测量和计算表明上部吸力的贡献比下部要大。，所围面积,NACA2412翼型在7.4度攻角时的压强分布,几个概念和问题,（6）影响因素：定性了解薄翼理论：适用条件：翼型很薄，相对厚度小于12%；迎角比较小、流动附体，弯度不大，不考虑粘性。简化为：厚度弯度迎角；分离、旋涡、失速。,4汽车阻力:（1）观念的变迁：空气对前部的撞击汽车尾流；（2）摩擦阻力和压差阻力：,几个概念和问题,（3）外形的变迁：阻力系数越来越小省油。,几个概念和问题,早期汽车后部是陡峭的(箱型车)，阻力系数约0.8。,用流体力学原理不断进行改进。,Cd=0.45,Cd=0.3,用流体力学原理不断进行改进。,Cd=0.2,Cd=0.137,1流体力学：力学的一个分支。2人类:700万年;流体力学发展史:仅2000多年（1）早期：农田灌溉、航运（2）今天：已应用于环保、土木、供暖通风、化工、机械、动力、能源、水利、气象、航空、医学、生物，是现代工业的一门基础学科。3课程教学目的：介绍基本现象、概念、规律。,工程流体力学,*1952年，发动机、飞机系；空气动力学教研室（103）*1963年，空气动力学研究室（一研）*70年代末，成立空气动力学与飞行力学教研室（506）后又分为一研、506、509*1985年，一研和506合并成立流体力学研究所，下分五个研究室和一个实验室：旋涡、分离流；湍流边界层及尾迹流动；计算流体力学；空气动力学；工业流体力学；低速组、高速组和测试技术组组成的实验室。,北航空气动力学专业形成历史与现状,*1990年，“国家开发实验室”*1994年，“国家计算流体力学重点实验室”CFD*2000年，“流体力学教育部重点实验室”*2004年，“国家级工科基础课程“力学”教学基地”*2009年，北京市高校实验教学示范中心，国家级航空航天实验教学示范中心2007年全国重点学科排名，北航的力学排第二。,北航空气动力学专业形成历史,*现有人员：退休人员近50人，在职人员41人*1956年气动专业成立时,学生：53级，11人，3111班54级，40人，4112班*第一任教研室主任:陆士嘉先生（19111986）1942年，圆柱射流遇垂直气流时的上卷1946年，天津北洋大学；1947年，清华1952年，北航建校筹备委员会,北航空气动力学专业,一绪论,1.1基本概念（1）流体：广义：能够流动的物质就叫流体，狭义：气体和液体，密度和可压缩性的差别力学：微小的剪切力连续变形流动（2）流体力学：分类：静力学和动力学,一绪论,（3）研究方法：空气：看不见摸不着水：无色无味流动形态变化太快只能借助手段来进行研究：现场观测、实验室模拟、理论分析、数值计算,肉眼难以观察,肉眼无法辨认,当飞行器以某一速度在静止空气中运动时，飞行器与空气的相对运动规律和相互作用力，与飞行器固定不动而让空气以同样大小和相反方向的速度流过飞行器的情况是等效的。,相对性原理,可以将飞行器模型固定不动，人工制造直匀气流（风洞）流过物体，以便观察流动现象，测量模型受到的力，进行试验空气动力学研究。,风洞测力实验,风洞流动显示,相对性原理为研究提供了方便,亚洲最大的水洞,流动显示,飞机尾流显示(水洞),风洞,风洞试验,计算网格,发展简史,1.2发展简史（1）公元前250，阿基米德：流体静力学、论浮体，建立了浮力定律和液体平衡理论；此后一千多年，流体力学没有任何重大进展。（2）16世纪初，达芬奇：“孔口泄流”、“不可压流质量守恒连续性原理”；,发展简史,（3）1650年，帕斯卡定律，流体中压强传递的过程；但由于缺少：对力与运动间关系的了解、合适的数学描述方法，研究偏重于实践和经验总结、静力学；流体动力学是在建立了速度、加速度，质量、动量、能量守恒定律后，借助数学工具发展起来的。,（4）17世纪初：牛顿三大定律、微积分，流体力学逐步迈进理性研究和持续发展阶段;（5）1730：皮托管为实验观测和分析提供了工具（6）1738：伯努利方程，V、P、H的关系，首次将牛顿力学、流体物理性质、压强3者结合在了一起。流体动力学一书中首次出现了“流体力学”,发展简史,（7）1748，罗蒙诺索夫：质量守恒定律（8）1752，达朗贝尔：连续性方程（9）欧拉：理论流体力学的奠基人1753，连续介质假设；1755，建立了欧拉方程，首次用数学分析研究流体力学问题，奠定了理论流体力学的基础。,发展简史,（10）1783，拉格朗日：随体的概念（11）1823、1845：N-S方程，流体动力学的理论基础（12）1883，层流和湍流；1895，粘流时均运动方程（13）1904-1921：普朗特、卡门等，边界层理论现代流体力学形成的标志：边界层理论的建立；普朗特：近代流体力学和空气动力学的奠基人。,发展简史,（14）1903年，莱特兄弟，飞机出现促进了空气动力学的发展。茹科夫斯基：环量、升力定理；（15）20世纪60年代起，产生了大量的交叉学科。,发展简史,1.3流体力学在工程上的应用（1）空气动力学、气体动力学：航空：大气层内，连续介质力学航天：稀薄气体动力学（滑流、过渡流、自由分子流）；等离子体潜艇、船舶：液体压缩性小、粘性大,一绪论,1.3流体力学在工程上的应用（1）空气动力学、气体动力学：汽车：F1最完美的贴地飞行器60年代，意识到空气动力学在赛车设计上的重要性；1968年首次出现了绕流翼板，开始利用绕流来控制F1，此后逐渐相信“谁掌握了空气，谁就掌握了F1”.F1各车队在空气动力学研发上的花费占整个预算的15%，仅次于引擎；,一绪论,高级风洞：价值约4500万欧元；30秒内，加速到300K/h设计理念：下压力（负升力）、阻力下压力：Sonata、Bluebird：190Km/h波音747起飞速度：280-300Km/hF1直道速度可达：370Km/h下压力约为赛车重量的3.5倍阻力：速度提高1Km，发动机增加7个马力；空气阻力减少1，速度将增加3Km。,一绪论,法拉利的前翼,雷诺的前翼,（2）渗流力学：石油天然气、地下水、分离和过滤（3）等离子体、电磁流体力学：核聚变、发电、宇宙运动（4）多相流体力学：沙漠迁移、河流泥沙运动、管道输送（5）环境流体力学：风荷载、水和大气污染（6）生物流变学：血液流动、植物中营养输送（7）天气预报、星系螺旋运动、动力机械、供暖散热,流体力学在工程上的应用,一绪论,1.4流体的物理属性1.4.1连续介质假设（1）流体由做无规热运动的分子组成，分子间有间隙：微观：流体的运动、结构、物理量是不连续的宏观：均匀、连续、确定的（2）1cm3水，3.341022个分子，分子间距为3108cm；个别分子的行为不影响宏观物理量,连续介质假设,（3）1753年，欧拉提出连续介质假设：流体为无间隙的连续体，由连续存在于整个空间的流体质点组成。当微团体积趋于宏观上充分小、微观上充分大的某体积时，密度达到稳定值。但当体积继续缩小达到分子平均自由程量级时，其密度就不可能保持为常数。,连续介质假设,（4）连续介质假设是流体力学研究的理论基础流体是宏观的均匀连续体流体质点的位移个别分子的位移流体质点静止该分子团的静止，分子仍在运动,流体的宏观性质,1.4.2流体的宏观性质（1）易流动性：固体：有形状，静止时可承受法应力和切应力；流体：没有形状，静止时不能承受切应力；切应力会使流体产生任意大的变形，而且无法恢复。,流体的宏观性质,1.4.2流体的宏观性质（2）惯性：质量、密度、比容、重度、相对密度；（3）万有引力:G=mg,流体的粘性,（4）粘性：粘性的表象流体的运动受粘性制约，粘性越大，流动性越差。牛顿内摩擦定律流体在静止时不表现出粘性。,流体的粘性,粘性形成的原因：分子间内聚力、分子热运动引起的动量交换.液体：温度升高，变小；分子间距小，内聚力大，起主要作用，温度升高间距增大，内聚力减小，粘度减小；气体：温度升高，变大；分子间距大，热运动引起的动量交换为主，温度升高，热运动加剧，动量交换加剧，粘性增大。,流体的粘性,牛顿流体：温度不变时，粘度不变；水、空气、酒精非牛顿流体：血浆、泥浆、油漆。理想流体：粘度为0的牛顿流体。,例题例1：Gsin=T=AU/=Gsin/UA,流体的粘性,例2：F=(1+2)A=du/dy=U/1=0.0651/0.005=13N/m22=0.0651/0.015=4.33N/m2例3：=du/dy=2nr/dA=2rds=2rdz/cosdF=dA,流体的宏观性质,（5）压缩性：压力作用下体积减小气体：没有一定体积，易压缩，为可压流体；液体：有一定体积，不易压缩，看作不可压。如水：100atm,V0.5;201000C,V4体积压缩系数:，单位Pa-1（6）膨胀性：温度升高体积增大体