流力流体力学绪论

1、流体力学主讲：邹丽 副教授航空航天学院综合实验一号楼203主讲：宗智 教授船舶工程学院船池317课程设置学时安排讲课学时（48学时, 1-12周）考核平时作业+出勤（20%）考试（80%） 考试 不讲的不考 难、很难、特别难 大学是美好的、流体力学是无奈的2022-3-42教科书教科书 流体力学流体力学，周光炯、 严宗毅、许世雄、章克本编著，高教出版社，2002，北京 其他参考书其他参考书Fundamental Mechanics of Fluids, I. G. Curries, 3rd Edition, Marcel Dekker, Inc., 2003，New York流体力学流体力学，

2、吴望一编著，北京大学出版社，1995，北京自编讲义下册教学内容：教学内容：1 1）绪论；）绪论；2 2）流体静力学；）流体静力学；3 3）流体运动学）流体运动学4 4）理想流体动力学）理想流体动力学; ;5 5）涡旋理论；）涡旋理论；6 6）势流理论；）势流理论；7 7）波浪理论；）波浪理论；8 8）机翼理论；）机翼理论；9 9）粘性流体动力学基础；）粘性流体动力学基础；1010）粘性流体一元流动；）粘性流体一元流动；1111）相似理论；）相似理论；1212）边界层理论。）边界层理论。流体力学内容框架流体力学内容框架流、固体相互作用流、固体相互作用流动规律流动规律平衡规律平衡规律绝对静止绝对静

3、止相对静止相对静止压力分布压力分布压力计算压力计算流体运动流体运动微团运动微团运动势流运动势流运动力与流动关系力与流动关系流体动力学流体动力学流体运动学流体运动学流体静力学流体静力学能量方程能量方程动量方程动量方程绪论 流体力学的研究对象和应用 流体力学发展简史 流体力学的研究方法 连续介质假设 流体的主要物理性质1-1流体力学的研究对象和应用 流体：水、空气 牛奶、油 沥青、车流 处于气态、液态的物质称为流体：fluid 流体力学基本问题： 鸟为什么会飞：升力、阻力、推力 鱼为什么会游泳：浮力、阻力、推力流体力学流体力学流体力学流体力学流体力学流体力学气象气象气象气象气象气象工业工业工业工业

4、工业工业水利水利水利水利水利水利运输运输运输运输运输运输航空航空航空航空航空航空环境环境环境环境环境环境体育体育体育体育体育体育海洋海洋海洋海洋海洋海洋建筑建筑建筑建筑建筑建筑流体特性流体特性: : 流动性。流动性。流体流体F固体固体F液体、气体区别：液体有自由液面 & 气体没有自由液面 航空航天航空航天流体力学也是众多应用科学和工程技术的基础。流体力学也是众多应用科学和工程技术的基础。由于空气动力学的发展，人类研制出由于空气动力学的发展，人类研制出3 3倍声速的战斗机倍声速的战斗机。F-15使重量超过使重量超过3百吨，面积达半个足球场的大型民航客机，靠空百吨，面积达半个足球场的大型民

5、航客机，靠空气的支托象鸟一样飞行成为可能，创造了人类技术史上的奇迹。气的支托象鸟一样飞行成为可能，创造了人类技术史上的奇迹。利用超高速气体动力学，物理化学流体力学和稀薄气体力学的利用超高速气体动力学，物理化学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，实现了人类登研究成果，人类制造出航天飞机，建立太空站，实现了人类登月的梦想。月的梦想。船舶流体力学船舶流体力学排水量达排水量达5050万吨以上的超大型运输船万吨以上的超大型运输船Luxury Passenger Liner航速达航速达3030节，深潜达数百米的核动力潜艇节，深潜达数百米的核动力潜艇船用螺旋桨时速达时速达200

6、200公里的新型地效艇等公里的新型地效艇等能源动力交通能源动力交通单价超过单价超过10亿美元，能抵御大风浪的海上采油平台亿美元，能抵御大风浪的海上采油平台海洋石油钻井平台海洋石油钻井平台AutomobileMagnetically Levitated Train 三峡水利枢纽三峡水利枢纽水利工程水利工程 水力学水力学Wind Power Generationn 建筑流体力学建筑流体力学 超高层建筑，大跨度桥梁等的设计和建造离不开水力学和风超高层建筑，大跨度桥梁等的设计和建造离不开水力学和风工程。工程。Chemical Engineering环境与生态控制环境与生态控制水污染水污染大气污染大气污

7、染灾害预报与控制龙卷风天气预报天气预报墨西哥湾溢油事故墨西哥湾溢油事故 2010年4月20日夜间，位于墨西哥湾的“深水地平线”钻井平台发生爆炸并引发大火，大约36小时后沉入墨西哥湾，11名工作人员死亡 流体力学需要与其他学科交叉，如天文学，物理学，材料科学，流体力学需要与其他学科交叉，如天文学，物理学，材料科学，生命科学等，在学科交叉中开拓新领域，建立新理论，创造新生命科学等，在学科交叉中开拓新领域，建立新理论，创造新方法。方法。星云毛细血管流动毛细血管流动生物流体力学生物流体力学颅内动脉瘤的血流示意图 用PIV法测量的动脉瘤模型内流动状态 1-2 流体力学发展简史流体力学发展简史1-2 流体

8、力学发展简史流体力学发展简史第一阶段（第一阶段（1616世纪以前）：流体力学形成的萌芽阶段世纪以前）：流体力学形成的萌芽阶段 公元前公元前250250年年流体力学第一部著作流体力学第一部著作奠定流体静力学基础奠定流体静力学基础阿基米德：古希腊数学家、力学家，阿基米德：古希腊数学家、力学家，静力学和流体静力学的奠基人，发现静力学和流体静力学的奠基人，发现浮力定律（阿基米德原理）浮力定律（阿基米德原理） 论浮体论浮体任何一张开列有史以来三个最伟大的数学家的名单之中，必定会包括阿基米德，而另外两位通常是牛顿和高斯。不过以他们的宏伟业绩和所处的时代背景来比较，或拿他们影响当代和后世的深邃久远来比较，还

9、应首推阿基米德。第二阶段（第二阶段（16世纪文艺复兴以后世纪文艺复兴以后-18世纪中叶）流体力学成为世纪中叶）流体力学成为一门独立学科的基础阶段一门独立学科的基础阶段水力学水力学沉浮、孔口出流、物体的运动阻力以及管沉浮、孔口出流、物体的运动阻力以及管道、明渠中水流等问题道、明渠中水流等问题实验方法了解水流性实验方法了解水流性态态一深度均匀的河流，窄的地方较宽的地方水流速度要快 连续性方程 流体黏性流体黏性黏性黏性自然哲学的数学原理自然哲学的数学原理 牛顿内摩擦定律牛顿内摩擦定律牛顿：英国伟大的数学牛顿：英国伟大的数学家、物理学家、天文学家、物理学家、天文学家和自然哲学家。家和自然哲学家。.p2

10、21vTp第三阶段（第三阶段（18世纪中叶世纪中叶-19世纪末）流体力学沿着两个方向发世纪末）流体力学沿着两个方向发展展欧拉（理论）、伯努利（实验）欧拉（理论）、伯努利（实验） 17551755年年理想流体平衡理想流体平衡微分方程微分方程 流体静力学流体静力学理想流体运动理想流体运动微分方程微分方程 流体动力学基础流体动力学基础欧拉：瑞士数学家、力学家、瑞士数学家、力学家、天文学家、物理学家，变分天文学家、物理学家，变分法的奠基人，复变函数论的法的奠基人，复变函数论的先驱者，理论流体力学的创先驱者，理论流体力学的创始人。始人。 pVVtV1)(02pVVtV1)(Navier (1785-18

11、36)Stokes (1819-1903) N NS S方程方程 流体动力学基础流体动力学基础黏性流体运动微分方程黏性流体运动微分方程斯托克斯斯托克斯18451845纳维纳维1821xxxxxxxxgxpzvyvxvzvvyvvxvvv)()(222222zyxyyyyyyyygxpzvyvxvzvvyvvxvvv)()(222222zyxzzzzzzzzgxpzvyvxvzvvyvvxvvv)()(222222zyx第四阶段（第四阶段（19世纪末以来）流体力学飞跃发展世纪末以来）流体力学飞跃发展 理论分析与试验研究相结合理论分析与试验研究相结合 量纲分析和相似性原理起重要作用量纲分析和相似性

12、原理起重要作用1883年雷诺年雷诺雷诺实验（判断流态）雷诺实验（判断流态）1903年普朗特年普朗特边界层概念（绕流运动）边界层概念（绕流运动）1933-1934年尼古拉兹年尼古拉兹尼古拉兹实验（确定阻尼古拉兹实验（确定阻力系数）力系数）流体力学与相关的邻近学科相互渗透，形成很多新分支和流体力学与相关的邻近学科相互渗透，形成很多新分支和交叉学科。交叉学科。层流、紊流层流、紊流 黏性流体的一维定常黏性流体的一维定常流动流动雷诺应力雷诺应力雷诺：英国力学家、物理学家和雷诺：英国力学家、物理学家和工程师。杰出的实验科学家。工程师。杰出的实验科学家。 18831883年年ULRe 19041904年年边

13、界层理论边界层理论 不可压缩流体二维边不可压缩流体二维边界层概述界层概述德国力学家。现代流体力学的创始人之德国力学家。现代流体力学的创始人之一。边界层理论、风洞实验技术、机翼一。边界层理论、风洞实验技术、机翼理论、紊流理论等方面都作出了重要的理论、紊流理论等方面都作出了重要的贡献，被称作空气动力学之父。贡献，被称作空气动力学之父。 普朗特普朗特超临界翼型验证试飞中的超临界翼型验证试飞中的TFTF8A8A 19121912年年卡门涡街卡门涡街卡卡 门：门：美国著名空美国著名空气动力学家气动力学家 解释机翼张线的解释机翼张线的 线鸣线鸣 、水下螺旋桨的、水下螺旋桨的 嗡嗡鸣鸣 1-3 流体力学研究

14、方法流体力学研究方法理论分析方法、实验方法、数值方法相互配合，互为补充理论分析方法、实验方法、数值方法相互配合，互为补充理论研究方法理论研究方法力学模型力学模型物理基本定律物理基本定律求解数学方程求解数学方程分析和分析和揭示本质和规律揭示本质和规律实验方法实验方法相似理论相似理论模型实验装置模型实验装置数值方法数值方法计算机数值方法是现代分析手段中发展最快的方法计算机数值方法是现代分析手段中发展最快的方法之一之一理论分析 理论研究方法理论研究方法力学模型力学模型物理基本定律物理基本定律求解数学方程求解数学方程分析分析和揭示本质和规律和揭示本质和规律 精确解、渐进分析（摄动法、非摄动方法、）实验

15、流体力学实验流体力学 测试仪器，拥有目前国际最先进的五光束三分量激光多普勒测速仪、IFA300四通道智能化热线热膜测速仪、计算机自动控制步进电机精密坐标架、六通道热线热膜测速仪，低速回流式风洞，直流式低湍流度风洞、中型水槽等实验仪器和设备，满足开展流体力学实验教学和科研工作的需要。圆柱扰流后形成卡门涡街 汽车空气动力学风洞试验 飞机机翼的翼梢涡结构 木星云层红斑的多尺度涡结构计算流体力学计算流体力学 Fluent软件，IBM上运行的PowerFLOW和Star_CD, FINE等CFD软件。 北京吉普的外气流计算北京吉普的外气流计算Fluent计算流体软件-4 -4 连续介质模型连续介质模型任

16、何一个微小的剪切力都能使流体发生连续变形任何一个微小的剪切力都能使流体发生连续变形固体的变形与受力的大小成正比固体的变形与受力的大小成正比 流流体与固体的区别体与固体的区别流体流体F固体固体F在静止时，不能承受剪切力液体与气体的区别液体与气体的区别 液体难于压缩；而气体易于压缩。液体难于压缩；而气体易于压缩。 液体有一定的体积，存在一个自由液面；气体液体有一定的体积，存在一个自由液面；气体 能充满任意形状的容器，无一定的体积，不存能充满任意形状的容器，无一定的体积，不存 在自由液面。在自由液面。液体的分子距和分子的有效直径差不多是相等的液体的分子距和分子的有效直径差不多是相等的气体分子距比分子

17、平均直径约大十倍。气体分子距比分子平均直径约大十倍。液体有力求自身表面积收缩到最小的特性液体有力求自身表面积收缩到最小的特性气体分子间的吸引力微小，分子热运动起决气体分子间的吸引力微小，分子热运动起决定性作用定性作用问题的引出：问题的引出：微观：分子间存有空隙，在空间是不连续的。微观：分子间存有空隙，在空间是不连续的。一般工程中，所研究流体的空间尺度一般工程中，所研究流体的空间尺度 要比分子距离大得多。要比分子距离大得多。 流体是由大量做无规则运动的分子组成的，分子之间流体是由大量做无规则运动的分子组成的，分子之间存在空隙，但在标准状况下，存在空隙，但在标准状况下，1mm1mm3 3液体中含有

18、液体中含有3.33.310101919个个左右的分子，相邻分子间的距离约为左右的分子，相邻分子间的距离约为3.13.11010-8-8cmcm。1mm1mm3 3气气体中含有体中含有2.72.710101616个左右的分子，相邻分子间的距离约为个左右的分子，相邻分子间的距离约为3.23.21010-7-7cm cm 流体视为由无流体视为由无 数连续分布的流体微团组成的连续介质。数连续分布的流体微团组成的连续介质。二、流体的二、流体的连续介质假设连续介质假设v必要性：必要性：连续介质假设后连续介质假设后物理量在流体中连续物理量在流体中连续分布分布可将流体的各物理量看作是空间可将流体的各物理量看作

19、是空间坐标和时间的连续函数坐标和时间的连续函数解析方法等数解析方法等数学工具来研究流体的平衡和运动规律学工具来研究流体的平衡和运动规律流体连续介质流体连续介质物理量（密度、速度、加速度）连续物理量（密度、速度、加速度）连续), ,(tzyxuu v合理性：合理性：流体分子的间隙极其微小流体分子的间隙极其微小可看可看做连续介质做连续介质 避免了流体分子运动的复杂性，只需研究流体的宏观避免了流体分子运动的复杂性，只需研究流体的宏观运动。运动。 可以利用数学工具来研究流体的平衡与运动规律。可以利用数学工具来研究流体的平衡与运动规律。 v优优 点点: :1mm1mm3 3液体液体3.33.310101

20、9191mm1mm3 3气体气体2.72.710101616v适用范围：适用范围： 火箭在高空稀薄气体中飞行火箭在高空稀薄气体中飞行 激波激波 MEMSMEMS（微尺度流体机械系统）（微尺度流体机械系统）L / l 100 适用适用L 物体特征尺寸物体特征尺寸l 流体质点特征尺寸流体质点特征尺寸不适用不适用 基于连续介质假定：基于连续介质假定： 流体运动遵循牛顿力学规律，满足三大流体运动遵循牛顿力学规律，满足三大守恒定律。守恒定律。 1 1 质量守恒；质量守恒； 2 2 动量守恒；动量守恒； 3 3 能量守恒。能量守恒。-5 -5 流体的主要物理性质流体的主要物理性质一、流体的密度一、流体的密

21、度v定义：定义：单位体积流体所具有的质量单位体积流体所具有的质量 用符号用符号来表示。来表示。单位：单位：kg/mkg/m3 3 mV 均质流体：均质流体： 非均质流体：非均质流体：0dlimdVmmVV常见流体的密度：常见流体的密度： 水水1000 kg/m3 空气空气1.23 kg/m3流体重要属性，表流体重要属性，表征流体在空间某点征流体在空间某点质量的密集程度。质量的密集程度。二、二、流体的膨胀性和压缩性流体的膨胀性和压缩性v定义定义：在一定压强下，单位温升引起的体积变化率：在一定压强下，单位温升引起的体积变化率。1 1、液体的膨胀性、液体的膨胀性v体积膨胀系数体积膨胀系数1VdVdT

22、 VV流体的体积膨胀系数，流体的体积膨胀系数，1/1/，1/K1/K；dT流体温度的增加量，流体温度的增加量，K K；V原有流体的体积，原有流体的体积，m m3 3；dV流体体积的增加量，流体体积的增加量，m m3 3。在一般情况下，液在一般情况下，液体的体积膨胀系数体的体积膨胀系数忽略不计。忽略不计。2 2、液体的压缩性（续）、液体的压缩性（续）v体积模量体积模量K ：压缩系数的倒数。压缩系数的倒数。ddV pKV v说说 明：明：工程上常用体积模工程上常用体积模量衡量流体压缩性量衡量流体压缩性越大，越不易被压缩越大，越不易被压缩K流体的种类不同，其值不同。气体压缩性大于流体的种类不同，其值

23、不同。气体压缩性大于液体。液体。K同一种流体的同一种流体的值随温度、压强的变化而变化。值随温度、压强的变化而变化。K不可压缩流体：不可压缩流体：流体密度随温度、压强变化很小的流体。流体密度随温度、压强变化很小的流体。不可压均质流体：不可压均质流体：const可压缩流体：可压缩流体：const3 3、不可、不可压缩流体和可压缩流体压缩流体和可压缩流体严格地说，不存在完严格地说，不存在完全不可压缩的流体。全不可压缩的流体。 气体对物体流动的相对速度比声速要小得多时，气体的密气体对物体流动的相对速度比声速要小得多时，气体的密度变化也很小，可以近似地看成是常数，也可当作不可压缩度变化也很小，可以近似地

24、看成是常数，也可当作不可压缩流体处理。流体处理。 一般情况下的液体都可视为不可压缩流体，管路中压降较一般情况下的液体都可视为不可压缩流体，管路中压降较大时，应作为可压缩流体（发生水击、水下爆破）。大时，应作为可压缩流体（发生水击、水下爆破）。三、三、流体的粘性流体的粘性1 1、流体的粘性、流体的粘性定义定义：在外力作用下，流体微元间出现在外力作用下，流体微元间出现相对运动相对运动时，产生阻抗时，产生阻抗相对运动的切向阻力的性质。相对运动的切向阻力的性质。理想流体和粘性流体流体的一种属性，水的粘性由内聚力，空气的粘性由分子的热运动粘性，只有运动时才能体现出来2.2.粘度的表示方法粘度的表示方法

25、粘性系数粘性系数v 动力黏性系数动力黏性系数，Pasv 运动黏性系数运动黏性系数，m2/s反映流体粘滞性反映流体粘滞性大小的系数大小的系数四、影响粘度的因素四、影响粘度的因素液体吸引力液体吸引力T气体热运动气体热运动T 16861686年年 流体粘性流体粘性粘性粘性自然哲学的数学原理自然哲学的数学原理 牛顿内摩擦定律牛顿内摩擦定律牛顿：英国伟大的数学牛顿：英国伟大的数学家、物理学家、天文学家、物理学家、天文学家和自然哲学家。家和自然哲学家。与接触面的面积与接触面的面积A A成正比成正比与流体的种类有关与流体的种类有关与接触面上压强与接触面上压强P P 无关无关内摩擦力内摩擦力 F F与垂直于流动方向的速度梯度与垂直于流动方向的速度梯度du/dydu/dy成正比成正比dduFAydduFAyF F 流体层接触面上的内摩擦力，流体层接触面上的内摩擦力，N N；A A