第01章流体的力学性质-2

1、工程流体力学工程流体力学赖焕新赖焕新机械与动力工程学院机械与动力工程学院 流体机械研究室流体机械研究室办公室：办公室：17411电电 话：话：64253754程基本情况学时学分：学时学分： 32学时，学时，2学分学分课程性质：课程性质：专业基础课专业基础课先修课程：先修课程：高等数学、大学物理、理论力学高等数学、大学物理、理论力学课程教材：课程教材：工程流体力学工程流体力学(第第2版版), 黄卫星等编，化学工业出版社黄卫星等编，化学工业出版社.参考书：参考书：普朗特流体力学基础普朗特流体力学基础, H. Oertel著，朱自强等译，科学出版社，著，朱自强等译，科学出版

2、社，2011. 流体力学及其工程应用流体力学及其工程应用，E.J.Finnemore著，钱翼稷著，钱翼稷(j)等译，等译， 机械工业出版社，机械工业出版社，2009.粘性流体动力学粘性流体动力学，陈矛章编，高等教育出版社，陈矛章编，高等教育出版社，2002化工流体力学化工流体力学，戴干策，戴干策 陈敏恒编，化学工业出版社，陈敏恒编，化学工业出版社，2005冯冯卡门传卡门传，冯，冯卡门著，曹开诚译，卡门著，曹开诚译，上海科学技术出版社。上海科学技术出版社。流体力学流体力学课程课程的主要任务：的主要任务： 研究流体与物体之间的相互作用以及流体在静止研究流体与物体之间的相互作用以及流体在静止或运动时

3、所遵循的基本规律。或运动时所遵循的基本规律。“工程工程”“”“流体力学流体力学”课程的特点课程的特点: :1.1. 专业基础课由专业基础课由 基础基础 向向 专业专业 过渡的一门课程；过渡的一门课程；2. 2. 是工科学生必须具备的一门基础知识；是工科学生必须具备的一门基础知识；3.3.“工程工程”“”“流体力学流体力学” 流体力学流体力学严格的基础理论严格的基础理论【物理物理 力学力学 流体力学流体力学】+) +) 工程工程 的作风做法的作风做法 【近似、简化、工程误差要求近似、简化、工程误差要求】流体力学流体力学 留级力学留级力学？ 流体力学在工程中的应用流体力学在工程中的应用 ( (为什

4、么要学为什么要学) ) 大雁的飞行团队大雁的飞行团队人类在空气、水中的运动人类在空气、水中的运动 鸟类飞行鸟类飞行 船舶的设计船舶的设计: 浮力浮力定理与浮体稳定性定理与浮体稳定性.大型潜艇的舰体设大型潜艇的舰体设计与推进系统更是计与推进系统更是离不开流体力学知离不开流体力学知识。识。美国高超音速样机美国高超音速样机火箭导弹发射火箭导弹发射 航空航空/ /航海航海/ /国防国防 水利工程水利工程 19931993年青海沟后水库垮坝年青海沟后水库垮坝 19931993年年8 8月月2727日夜间，库容为日夜间，库容为330330万立方米的万立方米的青海省海南藏族自治州沟后水库在库水位低于设青海省

5、海南藏族自治州沟后水库在库水位低于设计水位计水位0.750.75米的情况下突然垮坝失事，造成米的情况下突然垮坝失事，造成288288人人死亡，死亡，4040人失踪人失踪, ,直接经济损失直接经济损失1.531.53亿元亿元. . 水利部专家组调查认定，沟后水库在设计上有水利部专家组调查认定，沟后水库在设计上有缺陷，施工中又存在严重的质量问题，运行管理缺陷，施工中又存在严重的质量问题，运行管理工作薄弱。工作薄弱。箱型箱型甲壳虫甲壳虫船型船型鱼型鱼型楔型楔型未来型未来型 地面交通工具地面交通工具 汽车的外形设计从最早期的箱型逐渐汽车的外形设计从最早期的箱型逐渐向今天的流线型过渡，反映了空气动向今天

6、的流线型过渡，反映了空气动力特性对汽车性能的影响。力特性对汽车性能的影响。大气、海洋运动大气、海洋运动 可怕的龙卷风（可怕的龙卷风（tornado)tornado) 对大气运动、海洋环流运动及其相互作用的掌握对气候灾害预对大气运动、海洋环流运动及其相互作用的掌握对气候灾害预报与控制、农业、渔业、航空航海等有积极意义。报与控制、农业、渔业、航空航海等有积极意义。流体机械和动力机械流体机械和动力机械 风力机风力机风扇风扇涡轮喷气发动机PDC钻头石油、化工石油、化工 能源的开采、输运、冶炼各环节均离不开流体力学知识。能源的开采、输运、冶炼各环节均离不开流体力学知识。建筑安全和环境建筑安全和环境 世贸

7、大厦和上海环球金融大厦超高层建筑，大跨度桥梁等的设计和建造离不开风工程。超高层建筑，大跨度桥梁等的设计和建造离不开风工程。杨浦大桥 流体力学问题在自然界和一般的工程技术中随处可流体力学问题在自然界和一般的工程技术中随处可见，广泛应用于见，广泛应用于水利、机械、动力、化工、石油、土建、水利、机械、动力、化工、石油、土建、航空、航海、气象、环境航空、航海、气象、环境等工程技术中，是一门十分有等工程技术中，是一门十分有用的知识。用的知识。 “万物皆流、万物皆变万物皆流、万物皆变”，要更好地认识世界，必须，要更好地认识世界，必须学习流体力学！学习流体力学！ 总结总结 流体力学的发展简介流体力学的发展简

8、介 萌芽期（萌芽期（1717世纪中叶以前）世纪中叶以前） 特点：生产实践活动是发展动力、经验积累为主特点：生产实践活动是发展动力、经验积累为主 大禹治水大禹治水/ /李冰父子设计建造的李冰父子设计建造的都江堰都江堰 船船/ /帆船帆船 鲁班：会飞的木鸢鲁班：会飞的木鸢( (读yun ) ) 沙漏计时沙漏计时 阿基米德定律阿基米德定律 大禹治水图大禹治水图古箭古箭阿基米德阿基米德 快速发展期（快速发展期（1717世纪后半叶世纪后半叶-19-19世纪）世纪） 特点：理论和实验研究方法建立、特点：理论和实验研究方法建立、 形成流体动力学、水力学两分支形成流体动力学、水力学两分支 主要代表人物主要代表

9、人物: : 1650 1650年帕斯卡年帕斯卡帕斯卡原理帕斯卡原理 16861686年牛顿年牛顿牛顿内摩擦定律牛顿内摩擦定律 17381738年伯努利年伯努利伯努利方程伯努利方程 17751775年欧拉年欧拉理想流体的运动方程理想流体的运动方程 18831883年雷诺年雷诺雷诺实验雷诺实验 18231823年年 纳维、斯托克斯纳维、斯托克斯粘性流体的运动方程粘性流体的运动方程 成熟发展期（成熟发展期（2020世纪初世纪初2020世纪中叶）世纪中叶） 粘性流体力学得到相当发展，航空航天技术惊人发粘性流体力学得到相当发展，航空航天技术惊人发展，人类的飞行梦实现。展，人类的飞行梦实现。 代表人物：代

10、表人物：库塔 M.W.Kutta，18671944 德国儒科夫斯基（,18471921）（俄国）普朗特（L.Prandtl，18751953）(德国)冯.卡门（T.von Krmn，1881-1963）（美籍匈牙利） 20 20世纪中叶以后世纪中叶以后 广泛的学科交叉广泛的学科交叉与新分支：与新分支： 计算流体力学、实验流体力学、可压缩气体力学、环计算流体力学、实验流体力学、可压缩气体力学、环境流体力学、稀薄气体动力学、微尺度流体力学、磁流境流体力学、稀薄气体动力学、微尺度流体力学、磁流体力学、非牛顿流体力学、生物流体力学、多相流体力体力学、非牛顿流体力学、生物流体力学、多相流体力学、物理学、

11、物理- -化学流体力学、流体机械流体力学化学流体力学、流体机械流体力学 难点问题难点问题：湍流、流动稳定性、非定常流湍流、流动稳定性、非定常流流体力学在中国流体力学在中国n周培源（19021993)n钱学森 （19112009）n陆士嘉（19111986）n吴仲华（19171992） 流体力学的研究方法流体力学的研究方法 理论分析理论分析 力学模型流体力学基本方程求解分析力学模型流体力学基本方程求解分析 实验研究：实验流体力学实验研究：实验流体力学 相似原理实验模型实验分析相似原理实验模型实验分析 数值模拟：计算流体力学数值模拟：计算流体力学 （Computational Fluid Dyna

12、mics, CFD）全全课课程程分分章章目目录录1. 流体的力学性质流体的力学性质2. 流体流动的基本概念流体流动的基本概念3. 流体静力学流体静力学4. 流体流动的守恒原理流体流动的守恒原理5. 不可压缩流体的一维层流流动不可压缩流体的一维层流流动6. 流体流动微分方程流体流动微分方程7. 不可压理想流体平面流（合并到不可压理想流体平面流（合并到2）8. 管内流体流动管内流体流动 (书上第书上第9章章)9. 流体绕物流动流体绕物流动 (部份合并到部份合并到8)10.流体力学的实验研究方法流体力学的实验研究方法 (书上第书上第8章章)11.流体流动的数值模拟流体流动的数值模拟(CFD)基本概念

13、基本概念基本原理基本原理 及及分析方法分析方法实验方法实验方法数值模拟数值模拟本科生本科生工程流体力学工程流体力学课程的主要内容课程的主要内容课程考核与成绩计算方法：课程考核与成绩计算方法：平时作业 课堂(点名、提问) 结束考试流体力学流体力学 留级力学留级力学？1.1 流体、流体质点、连续介质假设流体、流体质点、连续介质假设1.2 流体的主要物理性质流体的主要物理性质 流体的流动性流体的流动性 流体的可压缩性流体的可压缩性 流体的粘滞性流体的粘滞性 作用在流体上的力作用在流体上的力 1.3 牛顿流体与非牛顿流体牛顿流体与非牛顿流体 液体和气体的总称。液体和气体的总称。无固定的形状无固定的形状

14、: 分子间距离大，吸引力小分子间距离大，吸引力小 （对比固体？）（对比固体？） “水可方可圆，能环山襄陵；风无形无体，却能拔屋倒树水可方可圆，能环山襄陵；风无形无体，却能拔屋倒树”能承受压力，但不能承受拉力能承受压力，但不能承受拉力易流动性：易流动性： 剪切力剪切力是流体流动的充分且必要的条件是流体流动的充分且必要的条件力学中力学中“流体流体”的定义：的定义： 在任何微小在任何微小剪切力剪切力(shearforce)的作用下都能够发的作用下都能够发生连续变形的物质称为流体。生连续变形的物质称为流体。流体的基本特点流体的基本特点: :固体可以承受一定的剪切力而不至于宏观变形；但流体不能。不管剪切

15、力多大（多小），流体都会发生宏观运动：旋涡 （将进一步说明）。著名流体力学家、力学教育家。北京航空学院的筹建者之一，创办了我国第一个空气动力学专业。 体积体积为为dV=10-9 mm3 的空气，分子数目：的空气，分子数目： 3x107。流体的连续介质（流体的连续介质（Continuum）假设）假设将流体看成由无限多个流体质点所组成的将流体看成由无限多个流体质点所组成的密集密集而而无间无间隙隙的的连续介质连续介质。流体质点：流体质点：不呈现流体个别分子无规则运动的最小部不呈现流体个别分子无规则运动的最小部分所包含的大量分子的组合。分所包含的大量分子的组合。Fluid particle Fluid

16、 particle 流体质点流体质点 流体质点：微观上足够大、宏观上足够小、具有流体质点：微观上足够大、宏观上足够小、具有一定体积的一定体积的流体微团流体微团，各参数的统计平均特性即为流，各参数的统计平均特性即为流体的宏观特性。体的宏观特性。连续介质模型的数学表达式：连续介质模型的数学表达式：lim( , , , )lVVmx y z tV 流体密度是物性参数流体密度是物性参数某种某种流体的密度主要与流体的密度主要与 温度温度T和和压强压强p有关，有关， 即即=（p,T)混合气体的密度混合气体的密度niiinn12211式中：式中： 1 1， 2 2， n n 各组分气体的密度各组分气体的密度

17、 1 1， 2 2， n n各组分气体所占各组分气体所占的体积百分数的体积百分数 采用连续介质假设的好处采用连续介质假设的好处 无需关心分子的微观运动无需关心分子的微观运动 流场参数为空间坐标的连续函数流场参数为空间坐标的连续函数 连连续介质假设的续介质假设的合理性合理性 失效状态失效状态 外太空气体十分稀薄外太空气体十分稀薄 激波激波 微尺度流动（微尺度流动（MEMS-MEMS-微机电系统）微机电系统） 教科书教科书P2P2提提“连续介质模型连续介质模型”有有3 3条要点，其实归结条要点，其实归结为只有一个要点：为只有一个要点： 假设流体的任一物理参数假设流体的任一物理参数 （密度、压力、速

18、度、温（密度、压力、速度、温度等等），都是空间坐标和时间的连续可导函数，度等等），都是空间坐标和时间的连续可导函数， = = (x, y, z, t)(x, y, z, t)1.2.1流体的易流动性流体的易流动性 （如前所述）（如前所述）1.2.2流体的可压缩性流体的可压缩性 （Compressibility）体积压缩系数：体积压缩系数：一定温度下单位压力变化引起的体积一定温度下单位压力变化引起的体积的的相对收缩相对收缩 。/1pdV VdVdpV dp体积弹性模数体积弹性模数: 单位体积的相对变化所需要的单位体积的相对变化所需要的压力增量压力增量.1/VpdpEdV V 恒为正，单位：1/P

19、a,m2/Np 越大可压缩性越大。恒为正，单位与压力相同：PaEV 越大可压缩性越小。和流体密度相似，和流体密度相似，pEV液体和气体的可压缩性显著不同：液体和气体的可压缩性显著不同：例：例：20和标准大气压下水和标准大气压下水EV2109Pa,求当压力增求当压力增大大1atm（ 1.013105Pa ）时体积减小率为多少？）时体积减小率为多少？ 1/VpdpEdV V 5391.013 105 102 10VdVdpVE 气体的压缩性与压缩的热力学过程有关气体的压缩性与压缩的热力学过程有关，受具体过程，受具体过程参数的影响也较大，但整体上压缩性表现较易于压缩。参数的影响也较大，但整体上压缩性

20、表现较易于压缩。10nnndppVconst npVV dpnpVdV 1/VndpEpdV V 等温压缩，/Vn kdpEkpdV V 等熵压缩，空气空气EV 105 N/m2例：例：理想气体理想气体液体的可压缩很小液体的可压缩很小，是难于压缩的流体，而且其可压，是难于压缩的流体，而且其可压缩性（缩性（ p或或EV ）受温度和压力的影响也相对较小。）受温度和压力的影响也相对较小。严格地说，绝对不可压缩流体是不存在的严格地说，绝对不可压缩流体是不存在的;真实的流体真实的流体都是可压缩的。都是可压缩的。流体是否是可压缩，判断的主要依据是：可压缩性对流体是否是可压缩，判断的主要依据是：可压缩性对流体流动影响的大小。流体流动影响的大小。水通常为不可压，但水中爆炸、水击（水锤）是可压；水通常为不可压，但水中爆炸、水击（水锤）是可压；空气通常被认为可压，但流速空气通常被认为可压，但流速 内聚力内聚力液面上升液面上升附着力附着力 内聚力内聚力液面下降液面下降毛细现象毛细现象: :液体在细管中能液体在细管中能上升上升或或下降下降的现象的现象. 2cos44cosddghhgd ：液体种类，管径、管子材料，液面上流体：液体种类，管径、管子材料，液面上流体种类及温度种类及温度管内液柱高管内液柱高h: h: 液柱所受表面液柱所