流体力学华中农业大学课件

工程流体力学电子信箱：ysf@电话：61268360有关流体运动的问题：1．高尔夫球：表面光滑还是粗糙？高尔夫球运动起源于15世纪的苏格兰，当时人们认为表面光滑的球飞行阻力小，因此用皮革制球。后来发现表面有很多划痕的旧球反而飞得更远，这个谜直到20世纪建立流体力学边界层理论后才解开。在的高尔夫球表面有很多窝坑，在同样大小和重量下，飞行距离为光滑球的5倍。2汽车阻力：来自前部还是后部？汽车发明于19世纪末，当时人们认为汽车的阻力主要来自前部对空气的撞击，因此早期的汽车后部是陡峭的，称为箱型车，阻力系数很大，约为0.8。实际上汽车阻力主要来自后部形成的尾流，称为形状阻力20世纪30年代起，人们开始运用流体力学原理改进汽车尾部形状，出现甲壳虫型，阻力系数降至0.6。20世纪50－60年代改进为船型，阻力系数为0.45。

80年代经过风洞实验系统研究后，又改进为鱼型，阻力系数为0.3以后进一步改进为楔型，阻力系数为0.2阻力系数仅为0.1373．机翼升力：来自下部还是上部？人们的直观印象是空气从下面冲击着鸟（或者风筝）的翅膀，把鸟托在空中。19世纪初建立的流体力学环量理论彻底改变了人们的传统观念。足球的香蕉球现象可帮助理解环量理论。旋转的球带动空气形成环流，一侧气体加速，另一侧减速，形成压差力，使足球拐弯，称为马格努斯效应机翼的特殊形状使它不用旋转就能产生环量，上部流速加快形成吸力，下部流速减慢形成压力，两者合成形成升力测量和计算表明，上部吸力的贡献远比下部要大。一、课程的性质、地位和任务《工程流体力学》是机械设计制造及其自动化等专业的专业基础课程。先修课程主要有高等数学、理论力学、工程力学、热力学等。本课程的基本任务是：掌握流体力学的基础知识，并且懂得怎样应用这些知识来解决实际的工程问题。学习方法：多看课文，多做作业。本课程将:通过对典型流动的分析，阐述流体运动的物理规律及其数学形式；通过实例，介绍如何将这些理论和方法用于分析和解决与流体流动相关的实际工程问题，帮助学生掌握水泵的基本理论、基本结构和性能以及水泵选型；通过实验，加深学生对典型流动现象、水泵的结构和性能的了解，并培养学生在流体力学实验测量和流动阻力计算等方面的基本技能。本课程教学内容不仅是后继专业课程的基础，也是从事相关科学研究及实际工程技术工作的必要基础。二、课程的基本要求理解和掌握流体力学的基本概念、基本原理及基本的计算方法；掌握流体的静力学和动力学的力学规律并能应用这些规律解决工程实践中的计算问题；学习和掌握流体运动的能量损失（阻力损失）计算方法和计算技巧；通过水泵性能试验测绘离心泵的特性曲线，掌握水泵的基本特性；理解水泵的基本理论、基本结构和性能，掌握水泵选型以及水泵的安装调节。三、课程内容及安排第1章绪论（2学时）第2章流体静力学（讲课5学时，实验2学时）第3章流体动力学基础（6学时）第4章流动形态和能量损失（讲课4学时，实验2学时）第5章孔口、管嘴及管路流动（4学时）第6章离心泵与风机的理论基础（3学时）第7章离心泵与风机的性能（讲课2学时，实验2学时）四、课程实验教学环节安排（6学时）实验一静压实验(2学时)实验二圆管的沿程阻力系数及局部阻力系数的测定(2学时)实验三离心泵的性能实验(2学时)五、考核方式及成绩评定

课程考核方式：作业(含实验报告)、考试。课程成绩评定：平时作业和实验报告及考勤（40％），期末考试（60%）。六、教材及主要教学参考书、网站选用教材：蔡增基主编《流体力学泵与风机》（第四版）北京中国建筑工业出版社1999.12参考书：[1]莫乃榕主编《工程流体力学》武汉华中科技大学出版社2000.05[2]袁恩熙主编《工程流体力学》石油工业出版社；[3]徐文鹃编《工程流体力学》哈尔滨工程大学出版社；[4]潘文全编《工程流体力学》北京清华大学出版社；[5]詹德心编《工程流体力学》武汉湖北科学技术出版社；[6]张也影主编《流体力学》，北京高等教育出版社；[7]莫乃榕编《流体力学、水力学题解》华中科技大学出版社[8]E.JohnFinnemore等著.流体力学及其工程应用，机械工业出版社学习网站：1.2.3.4.5.一，流体力学的范畴物质存在的主要形式有：固体、液体和气体。液体和气体统称为流体。第一章绪论液体和气体的共同点：两者均具有易流动性，故二者统称为流体。流体力学是研究流体静止和运动的力学规律，及其在工程中的应用。流体力学可以划分为三个分支学科：流体静力学：是研究静止流体的一门力学。流体运动学：处理的是速度及流线，但不考虑力或者能量。流体动力学：考虑速度和加速度与流体运动时所受的力之间的关系。如果处理的对象是液体水，这门学科就称为水力学。古罗马人很懂得修建输水道，公元前4世纪的水利设施至今还能使用。达芬奇对流动做了许多实验，研究了流线。牛顿表述了运动定律和粘性定律，发展的微积分为流体力学的许多重大发展铺平了道路。19世纪后期，诞生了量纲分析学1904年普朗特提出边界层理论。当代流体力学将实验结果和理论分析结合起来进行研究。二、流体力学的发展简史实验流体力学现代流体力学随着电子计算机不断完善，使原来用分析方法难以进行研究的课题，可以用数值计算方法（有限差分、有限元、边界元、分析元等等）来进行，出现了计算流体力学这一新的分支学科。经典流体力学三、工程流体力学即流体力学在实际工程中的运用，其内容包括两部分：流体力学基础、流体机械（泵与风机）。流体静力学：研究流体处于静止状态下的力学规律；流体动力学：研究作用于流体上的各种力和运动之间的关系以及流体的运动特性及能量等问题。机械类流体力学：机械、冶金、化工、水机水利类流体力学：水工、水动、海洋土木类流体力学：土建、市政、工民建、道桥、城市防洪工程流体力学分类工程流体力学的内容2在建筑工程中的应用如桥涵孔径设计、给水排水系统、隧洞通风与排水等1在自动化中的应用液压、气动是工业自动化的主要手段之一等。3城市防洪工程中的应用如堤、坝的作用力与渗流问题、防洪闸坝的过流能力等。4喷气推进和火箭技术的应用航天飞行使气体高速流动的研究进展迅速，形成了气体动力学、物理-化学流体动力学等分支学科。四、工程流体力学的应用2、按作用方式分：质量力和面积力。力的分类1、按物理性质的不同分类：重力、摩擦力、惯性力、弹性力、表面张力等。一、质量力（MassForce）：定义：作用于流体的每一个质点(或微团)上的力,它的大小与质量成正比。单位质量力：单位质量流体所受到的质量力。第一节作用在流体上的力当流体所受的质量力仅只有重力时，G=mg，此时重力与重力加速度相关联。g=G/m。单位质量力的因次与加速度的因次相同：[L/T2]一般的流体力学问题中基本量纲有四个：质量M，长度L，时间t和温度T。本教程采用国际单位制，取质量（千克）、长度（米）、时间（秒）和温度（开尔文）为基本单位，力的单位（牛顿）是导出单位。最常见的质量力有：重力、惯性力。AAPT应力：单位面积上的表面力，单位：或压强切应力二、表面力(SurfaceForce)又称面积力；定义：作用于所考虑的流体（分离体）表面上的力,与作用的表面积大小成正比。表面力包括法向力和切向力；法向力：垂直于流体表面P=pA切向力：与流体表面相切T=τA单位：帕斯卡(Pa)1Pa＝1N/m2第二节流体的主要力学性质流体的基本特征就是流动性。一、惯性，是物体维持原有运动状态的能力的性质，可用密度来表征。ρ——流体的密度，kg/m3；M——流体的质量,Kg；V——该流体的体积，m3。密度(Density)：是指单位体积流体的质量。单位：kg/m3。均质流体内部各点处的密度均相等：二、重力特性γ——流体的容重，N/m3；G——体积为V的流体所受的重力，N；V——重力为G的流体体积，m3。因为G=mg,则γ=ρg；容重(SpecificWeight):指单位体积流体的重量。单位:N/m3。均质流体内部各点处的容重均相等：p4(1-2-4)p4(1-2-3)比重(SpecificGravity):是指液体密度与标准纯水的密度之比;液体的比重比容(SpecificVolume)：指单位气体质量所具有的体积。=1/（m3/kg）气体的比容水的密度和容重：ρ=1000kg/m3；γ=9807N/m3；汞的密度和容重：ρHg=13595kg/m3；γHg=133326N/m3；三、粘滞性定义：流体内部质点间或流层间因相对运动而产生内摩擦力以反抗相对运动的性质。此内摩擦力称为沾滞力。1）与两流层间的速度差(相对速度)du成正比，和流层间距离dy成反比；2）与流层的接触面积A的大小成正比；3）与流体的种类有关；4）与流体的压力大小无关。试验证明，内摩擦力T的大小具有以下性质：粘滞力T的大小可以写作：这就是牛顿内摩擦定律单位面积上的内摩擦力称切应力，以τ表示，即：uoxydyyu+duuτ1）μ值越大，粘滞性越强2）μ的单位:N/(m2./s)，又称动力粘度,动力粘性系数3)温度对粘度的影响；见p6(表1—1，表1—2)液体的粘滞性随温度升高而减小，气体的粘滞性随温度升高而增大；（求粘滞力的大小见例1-1。）有时也用运动粘滞系数来描述，即:单位为cm2/s，因次中没有力的因次，牛顿流体(NewtonianFluids):是指任一点上的剪应力都同速度梯度呈线性函数关系的流体。非牛顿流体：不符合上述条件的均称为非牛顿流体。012345弹性体宾汉型塑性流体假塑性流体牛顿流体膨胀性流体理想流体1、宾汉型流体：00，n=1,=Const2、假塑性流体：0=0，n>13、牛顿流体：0=0，n=1,=Const4、膨胀流体：0=0，n<15、理想流体：0=0，=0压缩性—流体受压，体积缩小，密度增大的性质。

热胀性—流体受热，体积膨胀，密度减小的性质。液体的压缩性(Compressibility),用压缩性系数β表示。即增加一个单位压力时所引起的密度增加率。四、压缩性和热胀性流体的(可)压缩性(Compressibility):作用在流体上的压力变化可引起流体的体积变化或密度变化，这一现象称为流体的可压缩性。压缩性可用体积压缩性系数来量度。1、液体的压缩性和热胀性1）压缩性液体被压缩时，质量并不改变，即：故体积压缩性系数又可表示为：压缩系数β的倒数称为液体的弹性模量(BulkModulusofElasticity)以E表示，即：与E随温度和压强而变化，但变化甚微。液体的热胀性，用热胀系数α表示，与压缩系数相反，当温度增加dT时，液体的密度减小率为-dρ/ρ,即：同理，热胀系数亦可表示为：水的压缩系数见p8;表1-3，水的容重及密度见表1-4。分析两表可知，水的热胀性和压缩性很小，一般可忽略不计。在特殊情况下(如水击、热水采暖等),才考虑其热胀性和压缩性。2）热胀性2、气体的压缩性和热胀性气体与液体不同，具有显著的压缩性和热胀性。在温度不太低，压强不过高时，气体密度、压强和温度之间的关系，服从理想气体状态方程。即：式中:p—气体的绝对压强，N/m2；T—气体的热力学温度,K；T=273+t℃ρ—气体的密度，kg/m3；R—气体常数,J/kg.K;对于空气R=287;p9(1-2-15)当温度不变的等温情况下，T=常数，RT=常数，则：当压强不变的等压情况下，p=常数，p/R=常数，则：在标准大气压时的空气容重和密度，见p10表1-5例题见p10例1-2由此可知：任何流体都是可压缩和膨胀的，只是压缩和膨胀的程度不同。对于液体，压缩性和膨胀性很小，一般忽略不计；气体虽可压缩与膨胀，但也须具体分析，工程中遇到的多数气体流动速度远小于音速，可当作不可压缩流体看待。对于气体速度接近或超过音速时，其密度不为常数，称可压缩气体。五、表面张力特性由于分子间的吸引力，在液体的自由表面上能够承受极其微小的张力，这种张力称表面张力。气体不存在表面张力毛细现象:由于表面张力的作用，两端开口的玻璃细管竖立在液体中，液体会在细管中上升或者下降h高度。对于水有：对于水银有：毛细高度：1、为什么荷叶上的露珠总是呈球形？2、一块毛巾，一头搭在脸盘内的水中，一头在脸盘外，过了一段时间后，脸盘外的台子上湿了一大块，为什么？3、为什么测压管的管径通常不能小于1厘米？4、若测压管的读数为h1，毛细高度为h2，则该点的测压管实际高度为多少？(测压管的工作流体分别为水和水银)请思考第三节流体的力学模型1、连续介质2、无粘性流体（又称理想流体）3、不可压缩流体连续介质模型(ContinuumMediumModel):不考虑流体的微观结构，而把流体认为一种充满其所占空间，无任何空隙的质点所组成的连续体。连续介质模型的建立与假设二大方便：只考虑在外力作用下的宏观机械运动；能运用数学分析的连续函数工具。微观：分子之间存在空隙，不连续；宏观：无数分子总体的力学效果，连续。1、连续介质2、无粘性流体(又称理想流体)3、不可压缩流体一切流体都具有粘性，但在某些问题中粘性不起主要作用，则可忽略粘性的影响，建立无粘性流体模型。建立这样的模型