流体力学及传热学-1

1、工程流体力学与传热学信息学院次英第一章第一章 绪绪 论论1.1 流体运动与流体力学流体运动与流体力学人类的祖先在海洋里生活了40亿年人类在空气里也生活了700万年1. ：表面光滑还是粗糙？高尔夫球高尔夫球2. ：来自前部还是后部？汽车阻力汽车阻力3. ：来自下部还是上部？机翼升力机翼升力虽然生活在流体环境中，人们对一些流体运动却缺乏认识虽然生活在流体环境中，人们对一些流体运动却缺乏认识: :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；这个谜直到20世纪建立流体力学边界层理论后才解开。后来，发现表面有很多划痕的旧球反而飞得更远；现在的高尔夫球表面有许多窝。高尔夫球高尔夫球5 倍汽车

2、汽车汽车发明于19世纪末，人们认为汽车高速前进时的阻力主要来自车前部对空气的撞击，因此早期的汽车后部是陡峭的，称为箱型车。阻力系数CD很大，约0.8；实际上，汽车阻力主要取决于后部形成的尾流；20世纪30年代起，人们开始运用流体力学原理，改进汽车的尾部形状；经过近80年的研究和改进，汽车阻力系数从0.8降至0.137，减少到原来的1/5；目前在汽车外形设计中，流体力学性能研究已占主导地位，合理的外形使汽车具有更好的动力学性能和更低的耗油率。机翼机翼人们的直观印象是空气从下面冲击着鸟的翅膀，把鸟托在空中；19世纪初流体力学环流理论彻底改变了人们的传统观念；足球运动的“香蕉球”现象可以帮助理解环流

3、理论：旋转的球带动空气形成环流，一侧气体加速，一侧气体减速，形成压力差，使足球拐弯。马格努斯效应在炮弹的飞行中观察到的测量和计算表明上部吸力的贡献比下部要大得多。机翼的特殊形状使它不用旋转就能产生环流，上部流速加快形成吸力，下部流速减慢形成压力。空气看不见摸不着，水无色透明，人的肉眼难以空气看不见摸不着，水无色透明，人的肉眼难以 观察到真实的流动图像；观察到真实的流动图像；人们之所以不能凭直觉来认识流体运动，是因为：2) 2) 即使能看到部分流动形态，由于变化太快肉眼无法即使能看到部分流动形态，由于变化太快肉眼无法 辨认。辨认。地球表面水和空气的运动是气象、水文、水利、环保、农业、航空、地球表

4、面水和空气的运动是气象、水文、水利、环保、农业、航空、航海、渔业、国防等部门研究的对象航海、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、建筑等部门设航空、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，改进流程，提高效率，需要流体力学知识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1.2 流体力学的研究对象、发展简况和研究方法流体力学的研究对象、发展简况和研究方法流体流体: : 在静力平衡时，不能承受拉力或剪力的物体。液体：无形状，有一定的体积；不易压缩，存在自由（液）面气体：既无形状，也无体积，易于压缩。1 1、流体

5、力学的研究对象、流体力学的研究对象任任 务务：流体力学：研究流体平衡、机械运动的规律以及在工程实际中的运用流体力学：研究流体平衡、机械运动的规律以及在工程实际中的运用。研究流体的运动规律；研究流体的运动规律；流体之间或流体与固体之间的相互作用力；流体之间或流体与固体之间的相互作用力；流动过程中动量、能量和质量的传输规律等。流动过程中动量、能量和质量的传输规律等。2 2、流体力学的发展简况、流体力学的发展简况1 1、经验阶段（十七世纪前）、经验阶段（十七世纪前）大禹治水 4000多年前的大禹治水 古代已有大规模的治河工程。 (公元前256210年) 秦代，修建了都江堰、郑国渠、灵渠都江堰、郑国渠

6、、灵渠三大水利工程对明槽水流和堰流流动规律的认识已经达到相当水平。(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。真州船闸（960-1126） 北宋时期，在运河上修建的真州船闸与十四世纪末荷兰的同类船相比,约早三百多年。阿基米德（公元前287212） 欧美诸国历史上有记载的最早从事流体力学现象研究的是古希腊学者阿基米德在公元前250年发表学术论文论浮体，第一个阐明了相对密度的概念，发现了物体在流体中所受浮力的基本原理阿基米德原理。列奥纳德.达.芬奇（14521519） 著名物理

7、学家和艺术家，设计建造了一小型水渠，系统地研究了物体的沉浮、孔口出流、物体的运动阻力以及管道、明渠中水流等问题。斯蒂文（1548-1620） 将用于研究固体平衡的凝结原理转用到流体上。伽利略（1564-1642） 在流体静力学中应用了虚位移原理，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而增大。2 2、理论阶段（十七世纪十九世纪）、理论阶段（十七世纪十九世纪）托里拆里（1608-1647） 论证了孔口出流的基本规律。帕斯卡（B.Pascal,1623-1662） 提出了密闭流体能传递压强的原理-帕斯卡原理。牛 顿（1642-1727） 提出牛顿内摩擦定律伯努利（170017

8、82） 建立了流体位势能、压强势能和动能之间的能量转换关系伯努利方程。欧 拉（17071783） 提出了流体的连续介质模型，建立了连续性微分方程和理想流体的运动微分方程，给出了不可压缩理想流体运动的一般解析方法。拉格朗日（17361813） 提出了新的流体动力学微分方程，并提出了流函数的概念。纳 维 （ 17851836 法国） 首先提出了不可压缩粘性流体的运动微分方程组。斯托克斯（ 18191903，英国） 严格地导出了这些方程，并把流体质点的运动分解为平动、转动、均匀膨胀或压缩及由剪切所引起的变形运动。统称为纳维-斯托克斯方程。弗劳德（1810-1879） 提出了船模试验的相似准则数-弗劳

9、德数。亥姆霍兹（1821-1894）和基尔霍夫（1824-1887） 提出了表征旋涡基本性质的旋涡定理、带射流的物体绕流阻力等学术成就。雷 诺（1842-1912） 用实验证实了粘性流体的两种流动状态层流和紊流的存在，找到了实验研究粘性流体流动规律的相似准则数雷诺数。普朗特（18751953） 建立了边界层理论，解释了阻力产生的机制。钱学森 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。周培源 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

10、和流体力学中的湍流理论的研究与教学并取得出色成果。3 3、第三阶段、第三阶段( (二十世纪初至中叶二十世纪初至中叶) )4 4、第四阶段、第四阶段多学科互相渗透多学科互相渗透流体力学理论、实验全面开展，航空航天迅速发展。工业流体力学、实验流体力学、地球流体力学、非牛顿流体力学、多相流体力学、生物流体力学等都已形成独立的学科3 3、研究方法、研究方法流体力学研究方法分三个方面，它们相互配合，互为补充。流体力学研究方法分三个方面，它们相互配合，互为补充。研究方法研究方法理论分析方法理论分析方法实验方法实验方法数值分析方法数值分析方法建立模型建立模型推导方程推导方程求解方程求解方程解释结果解释结果建

11、立力学模型；用物理学基本定律推导流体力学控制方程；用数学方法求解方程；检验和解释求解结果。理论分析方法理论分析方法: :在相似理论指导下，建立模型实验装置；用流体测量技术测量模型实验中的流动参数；处理和分析实验数据并将它归纳为经验公式。实验模拟方法实验模拟方法: :相似理论相似理论模型试验模型试验测量测量数据分析数据分析风洞实验：风洞实验：重力溢流式实验水洞重力溢流式实验水洞现代测量技术在计算机，光学和图象技术配合下在提高空间分辨律和现代测量技术在计算机，光学和图象技术配合下在提高空间分辨律和实时测量方面已取得长足进展。实时测量方面已取得长足进展。数值方法：数值方法：计算流体力学计算流体力学有

12、限差分法有限差分法有限元法有限元法边界元法边界元法谱分析等谱分析等对流体力学数学方程作简化和数值离散化，编制程序作数值计算，将计算结果与实验或理论分析结果比较。如飞行器、汽车、河道、桥梁、涡轮机流场计算；湍流、流动稳定性、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；非线性流动中的数值模拟；长江口枯季床面剪应力场计算长江口枯季床面剪应力场计算1.3 流体力学基本概念流体力学基本概念假定流体是由无穷多个、无穷小的、紧密毗邻、连续不断的流体质点所构假定流体是由无穷多个、无穷小的、紧密毗邻、连续不断的流体质点所构成的一种绝无间隙的连续介质。成的一种绝无间隙的连

13、续介质。含义：含义：1) 宏观上足够小，宏观体积极限为0；2) 微观上足够大，其行为已经表现出大量分子的统计学性质；3) 任意时刻都具有一定的宏观物理量，如质量、温度、压强、密度等；4) 质点的形状可以任意划定，因而质点和质点之间可以没有空隙。流体状态的宏观物理量如速度、压强、密度、温度等都可以作为空间空间和时间的连续函数时间的连续函数1 1、流体质点、流体质点（基本单位）（基本单位）宏观尺寸非常小而微观尺寸又足够大的任意一个物理实体。宏观尺寸非常小而微观尺寸又足够大的任意一个物理实体。2 2、连续介质假设（、连续介质假设（17531753年欧拉）年欧拉）密度：密度： 单位体积内流体的质量1.

14、4 流体的主要物理性质流体的主要物理性质1 1、流体的密度与重度、流体的密度与重度dVdmVmV0lim单位：3/mkg重度：重度： 单位体积的流体所受的重力dVdGVGV0lim单位：3/mN压缩性：压缩性：温度一定时，流体在外力作用下，其体积缩小的性质2 2、压缩性和膨胀性、压缩性和膨胀性体积压缩系数：温度一定时，每增加单位压强所引起的体积相对变化量dpdVVdpVdVp1 体积弹性模量:体积压缩系数 的倒数p pE 1 越大，流体越容易压缩，反之，不容易压缩p 单位：Nm /2单位：2/mN热膨胀性：热膨胀性： 压力不变时，温度升高，流体体积增大的性质体积膨胀系数：压力一定时，温度增加一

15、个单位，体积相对变化量dtdVVdtVdVt1 说明：说明：1) 气体和液体都是可压缩的；2) 通常将气体视为可压缩流体，液体视为不可压缩流体。3) 水下爆炸时，水也要视为可压缩流体；当气体流速比较低时也 可以视为不可压缩流体。单位：1/3 3、表面张力、表面张力定义：使液体表面处于拉伸状态的力为表面张力表面张力的产生：液、气接触自由表面表面张力产生的原因：由于内聚力的不同而导致 （分子受力不平衡）毛细现象毛细现象毛细现象：液体与固体壁接触时，液体沿壁上升或下降的现象。毛细现象由表面张力及接触角润湿与不润湿的程度 表面张力表面张力 库仑把一块薄圆板用细金属丝平吊在液体中，将圆板绕中心转过一角度

16、后放开，靠金属丝的扭转作用，圆板开始往返摆动，由于液体的粘性作用，圆板摆动幅度逐渐衰减，直至静止。库仑分别测量了普通板、涂腊板和细沙板三种圆板的衰减时间。3 3、黏性、黏性流体内摩擦的概念最早由牛顿提出。库仑用实验得到证实。黏性：流体微团发生相对运动时所产生的抵抗变形、阻碍流动的性质。衰减的原因衰减的原因，不是圆板与液体之间的相互摩擦，而是液体内部的摩擦液体内部的摩擦。三种圆板的衰减时间均相等。三种圆板的衰减时间均相等。库仑得出结论结论:牛顿内摩擦定律牛顿内摩擦定律牛顿1686年提出了确定流体内摩擦力的所谓“牛顿内摩擦定律”。A、B为长宽都是足够大的平板，互相平行，设B板以u0运动，A板不动。

17、由于粘性流体将粘附于它所接触的表面上（流体的边界无滑移条件） u上=u0 u下=0A板B板相邻流层发生相对运动时：T：快层对慢层产生一个切力切力T T，使慢层加速，方向与流向相同。T：慢层对快层有一个反作用力T，使快层减速，方向与流向相反， 这种阻止运动的力，称为阻力阻力。1) 两平板间流体流层：速度自上而下递减，按直线分布；2) 取出两层：快层：快层：u ududu慢层：慢层：u u3) T与 T：大小相等，方向相反的一对力，分别作用在两个流体层的接触 面上，这对力是在流体内部产生的，叫内摩擦力。流体相对运动时，层间内摩擦力T的大小与接触面积、速度梯度成正比，与流体种类及温度有关，而与接触面

18、上的压力无关。dyduAT 4) 牛顿内摩擦定律的内容：dyduAT 5) 黏性切应力“”是为保持T T，永远为正值而设。公式适用条件：牛顿流体做层流运动6) 黏性系数称为流体的动力黏性系数或动力黏度,表征流体黏性大小，通常用实验方法确定。dydu 单位： 工程中常常用到运动黏度运动黏度用下式表示 定义：NS/m2 或 PaS 单位：m2/S7) 牛顿流体和非牛顿流体牛顿流体牛顿流体: : 切应力和速度梯度满足线性关系。图中A所示。非牛顿流体：非牛顿流体： 切应力和速度梯度之间不满足线性关系的流体。图中B、C、D均属非牛顿流体。 流体黏性形成原因流体黏性形成原因两层液体之间的黏性力主要由两层液体之间的黏性力主要由分子内聚力分子内聚力形成形成两层气体之间的黏性力主要由两层气体之间的黏性力主要由分子动量交换分子动量交换形成形成一般仅随温度变化，液体温度升高黏度减小减小，气体温度升高黏度增大增大。8) 黏性流体和理想流体黏性流体黏性流体 实际中的流体都具有粘性，因为都是由分子组成，都存在分子间的引力和分子的热运动，故都具有黏性。理想流体（假想没有黏性的流体）理想流