第1章_绪论_流体力学

1、流体力学 绪 论流体力学及其任务作用在流体上的力流体的主要物理性质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

2、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 悉悉公元前507-公元前444)“假如给我一个支点，我就能撬起地球。” 浸在静止流体中的物体受到流体作用的合力大小等于物体排开的流体的重力。Martin Kemp, Leonardo lifts off: A wing designed by Leonardo da Martin Kemp, Leonardo lifts off: A wing

3、designed by Leonardo da Vinci proves to be aerodynamic. Nature Vol. 421, 20 February 2003Vinci proves to be aerodynamic. Nature Vol. 421, 20 February 2003 .p221vTp pVVtV1)(pVVtV1)(020)(NmaF Navier (1785-1836)Stokes (1819-1903)xxxxxxxxgxpzvyvxvzvvyvvxvvv)()(222222zyxyyyyyyyygxpzvyvxvzvvyvvxvvv)()(222

4、222zyxzzzzzzzzgxpzvyvxvzvvyvvxvvv)()(222222zyx这些疯狂的云朵被称之为“开尔文-赫姆霍兹波浪”，外形好似一层层海浪。它们是在两个密度不同的空气层或者液体层以不同速度彼此穿过对方时在分界线上被“剪”出来的。ULRe 超临界翼型验证试飞中的超临界翼型验证试飞中的TFTF8A8A Taylor (1886-1975) 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

5、筑建筑建筑建筑建筑建筑 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

6、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1952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

7、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

8、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

9、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

10、流体力学计算流体力学”。pAPpAPpAlimATATA limmFf mFXXmFYymFZZ重力场中:X=0,Y=0,Z=-g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水银3/20. 1mkg空气dtdAdyduAF 1.牛顿平板试验牛顿平板试验( )Uu yyhUFAh1FF1F1Fu=Uu=0dyu+ duu二、流体的粘性二、流体的粘性U=ConstFF 充满静止流体充满静止流体FUAhu=0u=Udyu+ duuFduAdy 粘性切应力与速度梯度成正比粘性切应力与速

11、度梯度成正比比例系数称比例系数称动力粘性系数动力粘性系数，简称，简称粘度粘度。3 流体的粘性系数流体的粘性系数（1）动力粘性系数）动力粘性系数Dynamic viscosity物理常数物理常数NSNSm masas 气体气体：温度上升：温度上升, , 升高升高 液体液体: : 温度上升，温度上升，下降下降(3) 与温度的关系与温度的关系（2）运动粘性系数运动粘性系数Kinematic viscosity压力的变化对压力的变化对的影响不大的影响不大(1)(1)液体之间的粘性力主要由分子内聚力形成液体之间的粘性力主要由分子内聚力形成(2)(2)气体之间的粘性力主要由分子动量交换形成气体之间的粘性力

12、主要由分子动量交换形成4.4.粘性产生的原因粘性产生的原因四、真实流体和理想流体四、真实流体和理想流体理想流体理想流体00在固体表面上发在固体表面上发生相对滑移生相对滑移在固体表面上其流速在固体表面上其流速与固体的速度相同与固体的速度相同真实流体真实流体0相互接触的流体层之相互接触的流体层之间有剪切应力作用间有剪切应力作用（壁面不滑移条件）（壁面不滑移条件） 米秒米秒 粘性系数粘性系数：与流体物性有关的物理常数：与流体物性有关的物理常数 运动粘性系数运动粘性系数：N Ns s2 2帕帕秒秒a as sd ud y牛顿型流体牛顿型流体： 如空气、水、汽油、煤油、甲醇、乙醇、甲苯如空气、水、汽油、

13、煤油、甲醇、乙醇、甲苯非牛顿型流体非牛顿型流体：凝胶、高分子溶液、泥浆、纸浆、油漆、乳化液dtddyduAFdydudtd)(spa)/(2sm2000221. 00337. 0101775. 0tt 0yuATmgddsin001. 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

14、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 (1KdTdVVv)/(12mNdVVdpK2。气体

15、的压缩性和膨胀性气体与液体不同，具有显著的压缩性和膨胀性一般常温常压下，常用气体的密度、压强、温度三者之间的关系，符合完全气体状态方程RTp式中：p为气体的绝对压强，为气体的密度，T为气体的热力学温度，R为气体常数。空气的气体常数为287J/kg.K不可压缩流体: 密度几乎不变,按常数考虑.crh15rh07.5（六）（六）汽化压强汽化压强汽化压强是指液体汽化和凝结达到平衡时液面汽化压强是指液体汽化和凝结达到平衡时液面的压强。汽化压强随液体的种类和温度的不同而改的压强。汽化压强随液体的种类和温度的不同而改变。实际工程中的空化现象与液体的汽化压强有关，变。实际工程中的空化现象与液体的汽化压强有关，需要注意。需要注意。综上所述，流体的惯性、重力特性和粘滞性对综上所述，流体的惯性、重力特性和粘滞性对流体运