环境流体力学 课件 绪论-环境流体力学

环境流体力学1绪论1流体力学的研究对象3课程要求2流体力学的研究方法研究对象（Object,What)

力学连续介质力学弹塑性力学流体力学静力学、运动学和动力学质点力学刚体力学理论计算实验无变形可变形理论力学1.2

学科性质•基础性---认识自然•应用性---改造自然1.1有限变形无限变形研究对象（Object,What)

1.3流体力学与现代化建设的关系研究大气和海洋运动→天气和海情预报研究各种空间飞行物和各种水上或水下运动物体→高效率动力器研究河流、渠道和各种管路系统→低能耗、高安全性的工程设计研究油气田、地下水、泥石流、机械润滑等研究含有化学反应的流体运动(如燃烧)研究热交换系统→传热传质研究生物工程和生命科学中的流体动力学研究对象-大气和海洋运动研究大气和海洋运动→天气和海情预报→农业、渔业、航空航天、航海、国防和日常生活地球的周围被一层薄薄的大气层包围，地球的表面71％是海洋。大气与海洋相互作用、相互影响，构成一个庞大而复杂的流体系统促使大气运动的根本原因是太阳辐射、地球自转、压强梯度、日月引力和地表与大气之间的耗散过程等研究对象-大气和海洋运动(A)信风与西风带

由于赤道与极地，地面与高空之间的温度差异，东北吹向西南（北半球）研究对象-大气和海洋运动逆时针转西向东吹顺时针转东向西吹气压中间低，两边高气压中间高，两边低诸葛亮“借”来的东风当一个地方受到移动的闭合的高气压中心影响时，风向是顺时针转变的。有可能是在赤壁上空出现了一个小高压。北半球的高压为反气旋，气流顺时针流出。这样，赤壁地区就正好吹起东南风。地转运动研究对象-大气和海洋运动

(A)信风与西风带

信风的形成由于赤道与极地，地面与高空之间的温度差异，东北吹向西南（北半球）(B)季风由于太阳辐射热的季节性变化而产生的一种风向随季节而异的风系，大多出现在热带岛屿或半岛地区(C)台风、飓风台风的形成机理至今尚未取得完全共识/z/jfxjmg/(D)龙卷风在热力急剧不稳定的大气中生成，详细机制未知研究对象-大气和海洋运动(E)表层环流(或洋流)主要由行星风所引起，它由几个几乎平行于赤道的环流组成(F)深层环流

土要由海水的热盐密度差引起(G)表面波广泛存在于海洋、江河和湖泊中，它是在流体表层受外力作用后，产生的一种运动现象(E)地震海啸遇难者总人数超过29万人，高楼大厦在海啸中摧枯拉朽！阿拉斯加近海发生一场强烈地震，会导致夏威夷海滩上的游泳者数十人丧生！(F)水跃研究对象-各种空间飞行物和各种水上或水下运动•高效率(低阻力、高升力或高推进)、高稳定性、高可控性→改造飞机、人造卫星、导弹、炮弹和船舰、潜艇、鱼雷等研究对象-研究河流、渠道和各种管路系统H.P.G.达西(1803-1859)研究对象-油气田、地下水、泥石流、机械润滑等“海洋石油982”钻井平台的月池区域，此处为平台的核心工作区。“海洋石油981”钻井平台研究对象-含有化学反应的流体运动(如燃烧)FLUENT中组分输运及化学反应（燃烧）模拟研究对象-热交换系统→传热传质→水暖系统、核反应堆研究对象-生物工程和生命科学中的流体动力学，如人体内的血液流动、肺部循环、人工肾等研究方法（How)2.1实验方法•古老、有效的研究方法航空、航天和水利枢纽等复杂系统最初都是依赖实验才顺利实现•优点能直接解决生产中的复杂问题，能发现流动中的新现象和新原理，它的结果可以作为检验其他方法是否正确的依据•缺点对不同情况，需作不同实验，即所得结果的普适性较差有些实验的费用较高研究方法-实验发现（Kármán涡街)研究方法-实验发现（Kármán涡街)研究方法-实验发现（Kármán涡街)虎门大桥塔科马桥垮塌后，由美国国家公路交通安全管理局及华盛顿州收费桥梁当局联合发起了大规模的气动调查研究。其中由冯∙卡门在加州理工学院进行相关风洞试验，并提出了桥梁风毁的原因是卡门涡街导致的涡激共振在Dowell教授（美国工程院院士，现代气动弹性力学奠基人）2013的著作AModernCourseinAeroelasticity中写到：“Scanlan教授指出，一些物理教科书将塔科马大桥的倒塌归结为涡激共振，这一观点是错误的，实质上是塔科马大桥是由于颤振倒塌，这是两个截然不同的现象。研究方法-实验发现（Kármán涡街)研究方法-实验发现（Kármán涡街)研究方法（How)2.1实验方法•古老、有效的研究方法航空、航天和水利枢纽等复杂系统最初都是依赖实验才顺利实现•优点能直接解决生产中的复杂问题，能发现流动中的新现象和新原理，它的结果可以作为检验其他方法是否正确的依据•缺点对不同情况，需作不同实验，即所得结果的普适性较差有些实验的费用较高研究方法（How)2.1实验方法•研究步骤提出问题，选择适当的无量纲参数，并确定大小范围；制定实验方案准备实验条件：模型的设计制造、设备仪器的选择和制备进行实验并取得实验数据，检验重复性整理和分析实验数据，并与其他方法进行对比，得出结论2.研究方法（How)本课主要内容2.2分析方法•分析(analyse)，与数学有关应用数学与力学•优点分析解明确地给出了各种物理与流动参数之间的变化关系，有较好的普适性•缺点数学上的困难较大，能获得的分析解数量有限2.研究方法（How)本课主要内容2.2分析方法•研究步骤提出问题，建立简化的数学模型，即根据所给问题的特点，做出一定的假设，简化流体动力学方程组，简化初始条件和边界条件；用分析方法求此简化后的初值问题或边值问题的分析解；选取适当的算例，利用分析解进行具体的计算，得到分析结果；检查分析结果，并与实验或别的方法得到的结果进行对比，检验简化模型的合理性研究方法（How)研究方法（How)2.3数值方法•计算流体力学(计算传热学、计算地球动力学)流动预测、天气预报等•优点许多用分析法无法求解的问题，或实验无法实现的问题，用此法可以求得数值解在一定程度上，可以节约实验费用•缺点对于复杂而又缺乏完善数学模型的问题，仍无能为力研究方法（How)2.3数值方法•研究步骤对一般的流体动力学方程组、初始条件和边界条件进行简化；选取适当的数值方法，对简化或改写的初值问题或边值