第一章绪论(环境)流体力学与流体机械

1、流体力学与流体机械绪 论流体力学的任务和发展简史连续介质假设和流体力学研究方法流体的主要物理性质作用在流体上的力流体力学中的力学模型牛顿流体和非牛顿流体第一节第一节 流体力学的任务及发展简史流体力学的任务及发展简史 一、研究内容一、研究内容流、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管管 流流绕绕 流流明明 渠流渠流速度分布速度分布压力分布压力分布能量损失能量损失力与流动的关系力与流动的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第一节第一节 流体力学的任务及发展简史流体力学的任务及发展简史

2、掌掌 握握基本概念、基本原理基本概念、基本原理 基本计算方法基本计算方法公式推导的前提条件、适用范围公式推导的前提条件、适用范围 各种系数的确定方法各种系数的确定方法 结合实际灵活运用结合实际灵活运用测压、测速、测流量的仪器原理测压、测速、测流量的仪器原理 使用方法使用方法二、重点内容二、重点内容 明明 确确 熟熟 悉悉流体的组成v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。流体力学中研究得最多的流体是水水和空气空气。它的主要基础是牛顿运动定律牛顿运动定律和质量守恒定律质量守恒

3、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。1738年伯努利出版他的专著时，首先采用了水动力学水动力学这个名词并作为书名；1880年前后出现了空气动力空气动力学学这个名词；1935年以后，人们概括了这两方面的知识，建立了统一的体系，统称为流体力学流体力学。第一节第一节 流体力学的任务及发展简史流体力学的任务及发展简史 第一时期：第一时期： 1818世纪以前世纪以前三、流体力学发展史三、流体力学发展史 第二时期：第二时期： 1818世纪世纪2020世纪初叶世纪初叶 第三时期：第三时期： 近代近代第一节第一节 流体力学的任务及发展简史流体力学的

4、任务及发展简史第一时期：第一时期： 1818世纪以前世纪以前三、流体力学发展史三、流体力学发展史 公元前公元前250250年年 阿基米德阿基米德论浮体论浮体流体力学第一部著作流体力学第一部著作第二章第二章 流体静力学流体静力学古希腊数学家、力学家，静力学古希腊数学家、力学家，静力学和流体静力学的奠基人和流体静力学的奠基人 第一节第一节 流体力学的任务及发展简史流体力学的任务及发展简史第一时期：第一时期： 1818世纪以前世纪以前三、流体力学发展史三、流体力学发展史 达芬奇达芬奇 水力学水力学沉浮、孔口出流、物体的运动阻力沉浮、孔口出流、物体的运动阻力以及管道、明渠中水流等问题以及管道、明渠中水

5、流等问题实验方法了解水流性态实验方法了解水流性态第一节第一节 流体力学的任务及发展简史流体力学的任务及发展简史第一时期：第一时期： 1818世纪以前世纪以前三、流体力学发展史三、流体力学发展史 16121612年年 伽利略伽利略第二章第二章 流体静力学流体静力学潜体的沉浮原理潜体的沉浮原理并首先提出，运动物体的阻力随着并首先提出，运动物体的阻力随着流体介质密度的增大和速度的提高流体介质密度的增大和速度的提高而增大。而增大。在流体静力学中应用了虚位移原理在流体静力学中应用了虚位移原理第一节第一节 流体力学的任务及发展简史流体力学的任务及发展简史第一时期：第一时期： 1818世纪以前世纪以前三、流

6、体力学发展史三、流体力学发展史 16431643年年 托里拆利托里拆利 16501650年年 帕斯卡帕斯卡孔口泄流公式孔口泄流公式液体中压力传递定律液体中压力传递定律第一节第一节 流体力学的任务及发展简史流体力学的任务及发展简史第一时期：第一时期： 1818世纪以前世纪以前三、流体力学发展史三、流体力学发展史 16861686 牛顿牛顿 流体黏性流体黏性第一章第一章 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英国伟大的数学家、物理学家、英国伟大的数学家、物理学家、天文学家和自然哲学家。天文学家和自然哲学家。第一节第一节 流体力学的任务及发展简史流体力学的任务及发

7、展简史第二时期：第二时期： 1818世纪世纪2020世纪初叶世纪初叶三、流体力学发展史三、流体力学发展史 17381738 伯努利伯努利 伯努利方程伯努利方程古典流体力学成古典流体力学成为一门独立学科为一门独立学科第三章第三章 流体动力学基础流体动力学基础流体动力学基本公式流体动力学基本公式瑞士科学家，曾在俄国彼得堡科学院任教，他在流瑞士科学家，曾在俄国彼得堡科学院任教，他在流体力学、气体动力学、微分方程和概率论等方面都体力学、气体动力学、微分方程和概率论等方面都有重大贡献，是理论流体力学的创始人。有重大贡献，是理论流体力学的创始人。第一节第一节 流体力学的任务及发展简史流体力学的任务及发展简

8、史第二时期：第二时期： 1818世纪世纪2020世纪初叶世纪初叶三、流体力学发展史三、流体力学发展史 17551755 欧拉欧拉理想流体平衡理想流体平衡微分方程微分方程第二章第二章 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第三章第三章 流体动力学基础流体动力学基础瑞士数学家、力学家、天文学家、物理学家，瑞士数学家、力学家、天文学家、物理学家，变分法的奠基人，复变函数论的先驱者，理变分法的奠基人，复变函数论的先驱者，理论流体力学的创始人。论流体力学的创始人。 第一节第一节 流体力学的任务及发展简史流体力学的任务及发展简史第二时期：第二时期： 1818世纪世纪2020世纪初叶世

9、纪初叶三、流体力学发展史三、流体力学发展史 纳维尔纳维尔 斯托克斯斯托克斯 N NS S方程方程第三、六章第三、六章 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第一节第一节 流体力学的任务及发展简史流体力学的任务及发展简史第二时期：第二时期： 1818世纪世纪2020世纪初叶世纪初叶三、流体力学发展史三、流体力学发展史 18831883 雷诺雷诺层流、紊流层流、紊流第四章第四章 流动阻力流动阻力雷诺应力雷诺应力英国力学家、物理学家和工程师。英国力学家、物理学家和工程师。杰出的实验科学家。杰出的实验科学家。 第一节第一节 流体力学的任务及发展简史流体力学的任务及发展简史

10、第二时期：第二时期： 1818世纪世纪2020世纪初叶世纪初叶三、流体力学发展史三、流体力学发展史 儒可夫斯基儒可夫斯基机翼理论机翼理论升力公式升力公式第六章第六章 绕流运动绕流运动机翼设计机翼设计第一节第一节 流体力学的任务及发展简史流体力学的任务及发展简史第二时期：第二时期： 1818世纪世纪2020世纪初叶世纪初叶三、流体力学发展史三、流体力学发展史 19121912卡卡 门门卡门涡街卡门涡街美国著名空气动力学家美国著名空气动力学家 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 嗡鸣嗡鸣 第一节第一节 流体力学的任务及发展简史流体力学的任务及发展简史第二时期：第二时

11、期： 1818世纪世纪2020世纪初叶世纪初叶三、流体力学发展史三、流体力学发展史 19041904普朗特普朗特边界层理论边界层理论第四章第四章 流动阻力流动阻力德国力学家。现代流体力学的创始人之一。边界层德国力学家。现代流体力学的创始人之一。边界层理论、风洞实验技术、机翼理论、紊流理论等方面理论、风洞实验技术、机翼理论、紊流理论等方面都作出了重要的贡献，被称作空气动力学之父。都作出了重要的贡献，被称作空气动力学之父。 大禹治水 4000多年前的大禹治水大禹治水，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都江堰、郑郑国渠国渠、

12、灵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。流体力学在中国流体力学在中国水利风力机械 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。流体力学在中国流体力学在中国v真州船闸v北宋（960-1126

13、）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。v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”的治黄原则治黄原则，并著有两河管见、两河经略和河防一揽。v流 量清朝雍正年间，何梦瑶在算迪一书中提出流流量量等于过水断面面积乘以断面平均流速的计算方法。 李冰（公元前李冰（公元前302-235302-235）都江堰都江堰流体力学在中国流体力学在中国流体力学在中国流体力学在中国v钱学森钱学森 钱学森（1911）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

14、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。流体力学在中国流体力学在中国v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。吴仲华吴仲华（Wu Zhonghua）在1

15、952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。第一节第一节 流体力学的任务及发展简史流体力学的任务及发展简史第三时期：第三时期： 近近 代代三、流体力学发展史三、流体力学发展史 三元流动理论三元流动理论 计算流体力学计算流体力学 多相流多相流 环境流体力学环境流体力学 磁流体力学磁流体力学 非牛顿流体力学非牛顿流体力学连续介质假设流体力学的研究方法流体力学的研究方法v现场观测现场观测是对自然界固有的流

16、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。模型实验模型实验在流体力学中占有重要地位。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用像换算单位制那样的简单算法求出原型的数据。现场观测常常是对已有事物、已有工程的观测，而实验室模拟却可以对还没有出现的事物、没有发生的现象(如待设计的工程、机械等)进行观察，使之得到改进。因此，实验室模拟是研究流体力学的重要方法。 流体力学的研究方法v理论分析理论分析是根

17、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。理论分理论分析的步骤析的步骤大致如下：首先是建立“力学模型力学模型”，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”。v其次是针对流体运动的特点，用数学语言表达，从而得到连续性方程、动量方程和能量方程连续性方程、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) 。这些方程合在一起称为流体力学基本方程组。求出方程组的解后，结合具体流动，解释这些解的物理含义和流动机理。流体力学的研究方法v

18、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。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。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“计算流体力学计算流体力学”。流体的基本特征流体的基本特征)/( 3mKgVmVmV0lim)/( 3mKNVGVGV0limgVmgVG3/1000mKg水3/9.8mKN水3/133.3mKN

19、水银3/0118. 0mKN空气dtdAdyduAFdtddyduAFdydudtd)(spa)/(2sm2000221. 00337. 0101775. 0tt 0牛顿流体和非牛顿流体非yuATmgddsin001. 0145. 04 . 062.22sin8 . 95sinuAmgsPa1047. 0u例题1-2 一 底 面 积 为45x40cm2 ， 高 为 5cm 的 木 块， 质 量 为5kg ， 沿 涂 有 润 滑 油 的 斜 面 向 下 作 等 速 运 动， 木 块 运 动 速 度u=1m/s ， 油 层 厚 度1mm ， 斜 坡 角22.620 ， 求 油 的 粘 度 。解： 木 块 重 量 沿 斜 坡 分 力 F 与 切 力 T平 衡 时， 等 速 下 滑2/ )(dDvdldyduATNT5 .26例题1-3在图中，汽缸内壁的直径D=12cm、活塞的直径d=11.96cm，活塞的长度l=14cm，活塞往复运动的速度为v=1m/s，润滑油的 =0.1Pa.s，试问作用在活塞上的粘性力为多少？解：因粘性的作用，粘附在汽缸内壁的润滑油速度为零，粘附在活塞外沿的润滑油与活塞的速度相同，由于活塞与汽缸的间距很小，润滑油的速度可近似认为是从零线性变化到1m/s。由牛顿内摩擦定律)/(2NmdpVdV)/1