工程流力力学-2第一章绪论ppt课件

1、第一章第一章 绪绪 论论流体力学的研究内容和研究方法流体力学的发展和分支流体力学应用领域、课程性质和相关课程 关于量纲、单位和单位制1.11.1流体力学的研究内容和研究方法流体力学的研究内容和研究方法 1. 研究对象：研究对象： 气体液体气体液体 液体液体 无形状，有一定的体积；无形状，有一定的体积； 不易压缩，存在自由液面。不易压缩，存在自由液面。 气体气体 既无形状，也无一定的体积，易于压缩。既无形状，也无一定的体积，易于压缩。 2. 流体力学的研究内容定义）：流体力学的研究内容定义）： 研讨研讨 流体的宏观运动规律流体的宏观运动规律 以及以及 流体与周围固体的相互作用流体与周围固体的相互

2、作用 的科学。的科学。 （应用力学的一个分支，一门技术科学）（应用力学的一个分支，一门技术科学） 例例:流场压力变化规律、流速场分布、阻力计算流场压力变化规律、流速场分布、阻力计算两门性质相近的学科：两门性质相近的学科： 理论流体力学理论流体力学: 偏重数理分析偏重数理分析, 是连续介质的一个组成是连续介质的一个组成 部分部分, 属于基础科学范畴属于基础科学范畴; 工程流体力学工程流体力学: 注重工程应用注重工程应用, 是工程力学的一个组成部分是工程力学的一个组成部分, 属于应用科学范畴属于应用科学范畴; (是以理论和实践相结合的方法，是以理论和实践相结合的方法， 来研究流体运动规律及其在实际

3、工程中的应用。来研究流体运动规律及其在实际工程中的应用。) 随着计算机技术的发展应用随着计算机技术的发展应用,两学科差异正在逐步缩小。两学科差异正在逐步缩小。根据流体力学在各个工程领域的应用根据流体力学在各个工程领域的应用, 目前目前,流体力学可分为以下几类：流体力学可分为以下几类：水利类：面向水工、水利、海洋等；水利类：面向水工、水利、海洋等；机械类：面向机械、冶金、化工、水机机械类：面向机械、冶金、化工、水机 等；等；土木：土木： 面向市政、工民建、道桥、城市防洪等。面向市政、工民建、道桥、城市防洪等。大气类：飞机、飞行器外行的设计，天气预报，大气类：飞机、飞行器外行的设计，天气预报， 环

4、境污染预报等。环境污染预报等。3. 流体力学的研究方法：流体力学的研究方法： 理论分析法理论分析法 实验研究方法实验研究方法 数值计算方法数值计算方法 (1) 理论分析法理论分析法: 根据实际问题建立理论模型根据实际问题建立理论模型 步骤步骤: A:分析影响实际流动的各种因素，抓住主要因素，建分析影响实际流动的各种因素，抓住主要因素，建 立流体力学模型；立流体力学模型； B:建立描写该模型流动规律的封闭方程组以及与之相建立描写该模型流动规律的封闭方程组以及与之相 对应的边界条件和初始条件；对应的边界条件和初始条件； C:解析方程；解析方程； D:将所得答案与实际流动相比较，以确定解的精确度，将

5、所得答案与实际流动相比较，以确定解的精确度， 或进行某些修正。或进行某些修正。优点优点: 解析解明确给出各种物理量与流动参量之间的变化关解析解明确给出各种物理量与流动参量之间的变化关 系，有较好的普适性。系，有较好的普适性。缺陷缺陷: 数学上的难度很大，能获得的分析解的数量有限。数学上的难度很大，能获得的分析解的数量有限。(2) (2) 实验研究方法实验研究方法: : 根据实际问题利用相似理论建立实验模型根据实际问题利用相似理论建立实验模型, ,选择流动介选择流动介 质和设备，在风洞、水洞、水槽、激波管等进行实验。质和设备，在风洞、水洞、水槽、激波管等进行实验。 采用光、电手段，清晰显示流动图

6、像，精确测量流动中采用光、电手段，清晰显示流动图像，精确测量流动中 的物理量与物体受力特性。的物理量与物体受力特性。优点：优点： 能直接解决生产中的复杂问题，能发现流动中的新现能直接解决生产中的复杂问题，能发现流动中的新现 象象, ,它的结果可以作为检验其它方法时候正确的依据。它的结果可以作为检验其它方法时候正确的依据。缺陷：缺陷： 对不同的情况需作不同的实验，所得结果普适性较差。对不同的情况需作不同的实验，所得结果普适性较差。水池实验：水池实验： 船模拖曳实验船模拖曳实验 风洞试验：上海虹口足球场风载模拟试验风洞试验：上海虹口足球场风载模拟试验(3) (3) 数值计算方法数值计算方法 : :

7、 根据理论分析的方法建立数学模型，选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。出结果，用实验方法加以验证。优点：优点： 许多用分析法无法求解的问题，用此法可以求得其许多用分析法无法求解的问题，用此法可以求得其数值数值 解。随着计算机软硬性能的提高，计算方法的改进，解。随着计算机软硬性能的提高，计算方法的改进，它它 所起的作用将愈来愈大。但它仍是种近似方法，其所起的作用将愈来愈大。

8、但它仍是种近似方法，其结果结果 仍应与实验或其它精确结果进仍应与实验或其它精确结果进 行比较。行比较。缺陷：缺陷： 对复杂而又缺乏完善数学模型的问题，仍无能为力。对复杂而又缺乏完善数学模型的问题，仍无能为力。如飞行器、汽车、河道、桥梁、涡轮机流场计算；如飞行器、汽车、河道、桥梁、涡轮机流场计算；湍流、流动稳定性、非线性流动中的数值模拟；湍流、流动稳定性、非线性流动中的数值模拟；大型工程计算软件是研究工程流动问题的有力武器。大型工程计算软件是研究工程流动问题的有力武器。 速度分布速度分布 压强分布压强分布 日本名古屋矢田川桥抗风性能数值模拟日本名古屋矢田川桥抗风性能数值模拟 绪论绪论 1.2 1

9、.2 流体力学的发展和分支流体力学的发展和分支. . 流体力学的发展流体力学的发展 实验科学发展为理论流体力学实验科学发展为理论流体力学 水力学发展为流体力学水力学发展为流体力学 一元流动发展为三元流动一元流动发展为三元流动 时间时间 科学家科学家 . . 流体力学的分支流体力学的分支 空气动力学空气动力学 气体运动气体运动 可压缩可压缩 飞行器飞行器 多相流流体力学多相流流体力学 煤浆煤浆 粉尘粉尘 管道输送管道输送 液压流体力学液压流体力学 高粘高粘 高压高压 超高声速流体力学超高声速流体力学 高速飞行高速飞行 电磁流体力学电磁流体力学 磁流发电磁流发电 化学流体力学化学流体力学 熄灭熄灭

10、 爆炸爆炸 电厂锅炉电厂锅炉 计算流体力学计算流体力学 数值分析数值分析 流场可视化流场可视化 工程流体力学工程流体力学 为各分支共同的基础部分为各分支共同的基础部分 1.3 1.3 流体力学的应用领域流体力学的应用领域 课程性质课程性质 相关课程相关课程应用领域应用领域水力工程：水力工程： 大坝，水库，航运大坝，水库，航运航空：航空： 飞机飞机电力工程：电力工程： 水电、火电、核电、地热水电、火电、核电、地热 （工作介质均为流体）（工作介质均为流体）化工：化工： 建筑：建筑： 供、排水，采暧、通风供、排水，采暧、通风气候：气候： 灾害天气预报灾害天气预报医学：医学： 血液流动，射流手术血液流

11、动，射流手术采矿：采矿： 通风、排水、水采、矿物加工通风、排水、水采、矿物加工绪论绪论地球表面水和空气的运动地球表面水和空气的运动是气象、水文、水利、环保、农业、航空、航海、是气象、水文、水利、环保、农业、航空、航海、渔业、国防等部门研究的对象。渔业、国防等部门研究的对象。 航空、航天、造船、机械、动力、冶金、化工、石油、航空、航天、造船、机械、动力、冶金、化工、石油、建筑等部门设备中的工作介质都是流体，建筑等部门设备中的工作介质都是流体，改进流程，提高效率，需要流体力学知识。改进流程，提高效率，需要流体力学知识。 利用超高速气体动力学，物理化学、流体力学和稀薄利用超高速气体动力学，物理化学、

12、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，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。实现了人类登月的梦想。 大型水利枢纽工程大型水利枢纽工程超高层建筑超高层建筑大跨度桥梁大跨度桥梁等的设计和建造等的设计和建造离不开水力学和空气离不开水力学和空气动力学。动力学。 没有流体力学的没有流体力学的发展，就没有现代工发展，就没有现代工业和高新技术的发展。业和高新技术的发展。 超大型运输船超大型运输船: : 排水量达排水量达5050万吨以上万吨以上 大型气轮机、水轮机、涡喷发动机等动力机械，大型气轮机、水轮机、涡喷发动机等动力机械，用翼栅及高温、化学

13、、多相流动理论用翼栅及高温、化学、多相流动理论设计制造成功设计制造成功 为人类提供单机达百万千瓦的强大动力为人类提供单机达百万千瓦的强大动力 。气轮机叶片气轮机叶片大型民航客机大型民航客机: :重量超过重量超过3 3百吨，百吨， 面积达半个足球场，面积达半个足球场，靠空气的支托象鸟一样飞行，创造了人类技术史上的奇迹。靠空气的支托象鸟一样飞行，创造了人类技术史上的奇迹。 2. 2. 课程性质课程性质 理论性很强的技术基础课理论性很强的技术基础课 工科院校三大骨干课工科院校三大骨干课程：程： 工程力学工程力学 工程热力学工程热力学 工程流体力学工程流体力学3. 3. 相关课程相关课程 先修课程：先

14、修课程： 理论力学理论力学 材料力学材料力学 高等数学高等数学 物理物理 后继课程：后继课程： 工程热力学工程热力学 传热学传热学 材料成型材料成型 流体机械流体机械 液压传动液压传动 锅炉原理锅炉原理 空调制冷空调制冷 通风安全通风安全 高压射流高压射流 固液分离固液分离 选矿选矿( (浮选等浮选等1.4 1.4 关于量纲关于量纲 单位及单位制单位及单位制此部分内容的重要性：此部分内容的重要性： (1) (1) 第五章第五章 相似原理和量纲分析的相关内容，相似原理和量纲分析的相关内容，是一种特殊的理论和实验相结合的分析方法，需逐步建立有是一种特殊的理论和实验相结合的分析方法，需逐步建立有关概

15、念；关概念； (2) (2) 很多物理量都存在着不同单位制之间的换算很多物理量都存在着不同单位制之间的换算问题，工程现场会见到各种不同的单位应用；问题，工程现场会见到各种不同的单位应用； (3) (3) 分析物理量的量纲可以深刻了解物理现象中分析物理量的量纲可以深刻了解物理现象中的本质问题；的本质问题； (4) (4) 量纲分析是一种各个学科通用的科学方法量纲分析是一种各个学科通用的科学方法 ( (如电磁学、热力学、刚体力学等如电磁学、热力学、刚体力学等) ) 。量纲：也称因次，表示物理量的类别种类）量纲：也称因次，表示物理量的类别种类）物理量所属的种类，称为此物理量的量纲因次）物理量所属的种

16、类，称为此物理量的量纲因次）（其为客观存在的）（其为客观存在的）如时间、速度、长度均为某种物理量。如时间、速度、长度均为某种物理量。单位：表示同类物理量的大小。单位：表示同类物理量的大小。（其为人为的）（其为人为的）一个物理量可以有好几种单位，但其量纲只有一个一个物理量可以有好几种单位，但其量纲只有一个如管径可以表示成如管径可以表示成 mm, cm, m, mm, cm, m, 英吋，尺，纳米，英吋，尺，纳米， 但都属于但都属于“长度这个量纲。长度这个量纲。 为了不致将单位和量纲混淆，量纲可放在为了不致将单位和量纲混淆，量纲可放在 “ ”内。内。如：如：m m 表示表示“米米”，m m 表示质

17、量。有时表示为表示质量。有时表示为MM。 基本量纲基本量纲: : 相互独立的、不能从其它量纲导出的量纲。相互独立的、不能从其它量纲导出的量纲。 国际单位中规定了国际单位中规定了7 7个基本量纲：个基本量纲： 长度长度 L L 质量质量 M M 时间时间 T T 热力学温度热力学温度 t t 刚体转动角度刚体转动角度 光学照度光学照度 I I 电磁学磁感应强度电磁学磁感应强度 B B 依所研究的问题的范围及性质的不同，依所研究的问题的范围及性质的不同， 各学科中选用或涉及到的基本因次的种类和个数不同。各学科中选用或涉及到的基本因次的种类和个数不同。 一般流体力学问题中只涉及到一般流体力学问题中只

18、涉及到 L L，M M ，TT。导出量纲导出量纲: 由基本量纲乘幂组合而来的量纲，如由基本量纲乘幂组合而来的量纲，如 速度速度 密度密度 11LTTLTLv 333MLMLLM单位制：单位制： 单位所采用的系统单位所采用的系统 国际单位制国际单位制 SI SI 工程单位制工程单位制 ( (英制英制) ) 我国我国19851985年开始使用法定计量单位，是以年开始使用法定计量单位，是以SISI为为基础的。基础的。 随着经济全球化，单位制统一与换算很重要。随着经济全球化，单位制统一与换算很重要。国际单位制和工程单位制的区别及联系：国际单位制和工程单位制的区别及联系：基本量纲基本量纲 SI： M，

19、L， T - F 工程：工程： L ， T， F - M由由 F=ma Ns/mkgMLTamF:SI22常用单位 mskgfLFTaFM212常用单位工程： 423mskgfLM例：单位换算：单位换算： 定义定义 下表下表:常用物理量单位换算常用物理量单位换算2111Ns/mkg 质量的物体所受的重力kgkgf11N.kgfkgfmgFNmaF89111MPa.m/Ncm/kgfata10980001122 p 流体力学的研究对象包括气体和液体流体力学的研究对象包括气体和液体p 流体力学研究流体宏观运动规律，流体力学研究流体宏观运动规律，p 以及流体与周围固体的相互作用力以及流体与周围固体的

20、相互作用力p 流体力学有很多分支流体力学有很多分支p 工程流体力学以理论和实验相结合的方法解决实际问题工程流体力学以理论和实验相结合的方法解决实际问题p 流体力学是一门理论性很强的专业基础课流体力学是一门理论性很强的专业基础课p 量纲表示物理量的种类量纲表示物理量的种类p 单位表示同类物理量的大小单位表示同类物理量的大小 第一章绪论第一章绪论 小小 结结相关作业及思考题相关作业及思考题 1. 查找院图书馆内有关流体力学的书目查找院图书馆内有关流体力学的书目; 2. 查找流体力学精品课程网站及课件查找流体力学精品课程网站及课件; 3. 思考量纲和单位的不同和关系思考量纲和单位的不同和关系 绪论绪

21、论 延伸思考延伸思考: 高尔夫球高尔夫球 ：表面光滑还是粗糙？：表面光滑还是粗糙？ 汽车阻力：汽车阻力： 来自前部还是后部？来自前部还是后部？ 机翼升力机翼升力 ：来自下部还是上部？：来自下部还是上部？高尔夫球运动起源于高尔夫球运动起源于1515世纪的苏格兰。世纪的苏格兰。起初，人们认为表面光滑的球飞行阻力小，因此当时用皮革制球。现在的高尔夫球表面有许多窝现在的高尔夫球表面有许多窝, ,在同样大小和重量下，在同样大小和重量下， 飞行距离为光滑球的飞行距离为光滑球的5 5倍。倍。由流体力学边界层理论由流体力学边界层理论: : 球面凹坑可以减少阻力，增大升力球面凹坑可以减少阻力，增大升力后来发现表面有很多划痕的旧球反而飞得更远。后来发现表面有很多划痕的旧球反而飞得更远。汽车阻力汽车阻力 汽车发明于汽车发明于1919世纪末世纪末 当时人们认为汽车高速前当时人们认为汽车高速前进时的阻力主要来自车前部对进时的阻力主要来自车前部对空气的撞击。空气的撞击。 因此早期的汽车后部是因此早期的汽车后部是陡峭的，称为箱型车，阻力陡峭的，称为箱型车，阻力系数很大，约系数很大，约0.80.8 实际上，汽车阻力主要实际上，汽车阻力主要取决于后部形成的尾流。取决于后部形成的尾流。20世纪世纪30年代起，人们开始运用流体力学原理，年代起，人们开始运用流体力学原理，改进了汽