流体力学第一章绪论.ppt

1、工程流体力学,制作、主讲：韩家德 TELEXIT,适用专业：热能工程,课程知识体系,第一单元：基本概念流体及性质,EXIT,第二单元：流体静力学平衡与受力,第三单元：运动学运动描述,第四单元：理想流体动力学欧拉方程，平面势流、漩涡理论基础,第五单元：粘性流体动力学方程及应用,第六单元：相似原理实验解法,EXIT,教材：工程流体力学（第二版），高等教育出版社，陈卓如主编,学时：60（理论授课52，实验8）,考核办法：平时30%（实验1/3，出勤1/3，作业1/3），期末考试70%。,第一章 绪论,工程流体力学学科基础课。,EXIT,流体概念、性质，流体力学的任务、研究对

2、象及方法。,第一节 流体及其性质,1、流体：在微小的剪切力连续作用下，就会发生无休止变形的物质。,EXIT,2、性质,流动性区别于固体。可承受压力，不能承受拉力。 无固定形状。流体分为： 液体、气体。,有质量或重量,（2）、比容：单位质量流体占据的容积,EXIT,注意：、均是压强和温度的函数。,EXIT,（3）、重度：单位体积流体具有的重量,（4）、比重：均质流体重量与1标准大气压下 4同体积蒸馏水重量之比。,（5）、相对密度：均质流体质量与1标准大气压下4同体积蒸馏水质量之比。用d 表示。,、流体压缩性与膨胀性,（2）、压缩率：T不变，压强变化时的体积 相对变化率,标志可压缩性大小。,EXI

3、T,（1）、热膨胀率：压强不变，流体温度变化 1时的体积相对变化率，用表示,实际流体都是可压缩的。 不可压缩流体模型：（与均质流体不同）,注意：在研究水击现象时，液体压缩性是不容忽视的，按可压缩对待。同样，流速小于50m/s气流，p变化不大时，也可按不可压缩流体处理。,EXIT,体积弹性系数K：压缩率的倒数。,（1）粘性：流体内产生内摩擦力的性质。阻碍流体运动，造成损失。 产生原因：a、分子间吸引力产生阻力。 b、分子不规则热运动和动量交换产生阻力。,EXIT,、 流体粘性,（2）牛顿粘性定律内摩擦定律,与流体性质有关的比例系数， 称动力粘度或粘度系数，Pa.s，,EXIT,内摩擦力（粘性力）

4、与法向速度梯度成正比，与接触面积大小成正比，与流体性质有关。,满足牛顿粘性定律的流体，称牛顿流体，否则称非牛顿流体（包括塑性流体和假塑性流体），如泥浆、污水；油漆、纸浆液等。我们仅研究牛顿流体。,EXIT,du/dy,0,牛顿流体,塑性流体,假塑性流体,在国际单位制中，单位为Pa.s 称动力粘度是因量纲中有力学因素,EXIT,1）、动力粘度,（3）粘性表示方法,2）、运动粘度引入量,我国用恩氏粘度 E,200立方厘米流体在恩氏粘度计中流出时间t1与同体积蒸馏水在20时流出的时间t2比值。,EXIT,3）、相对粘度或条件粘度,对于液体，温度升高，粘度下降， 对于气体，温度升高，粘度升高。,EXI

5、T,温度对粘度的影响 ：,t、0温度为t、t0时的粘度,假设的一种无粘性（=0）的流体模型，称为理性流体。,第二节 研究对象和任务,（2）任务：建立描述流体运动的基本方程，确定流场中速度v、压强 p 的分布规律；探求能量转换及阻力损失的计算方法，解决流体与限制其流动的固体壁之间的相互作用力问题。,（1）对象：流体力学是研究流体平衡和运动 规律的一门科学。,EXIT,第三节 流体力学的研究方法,1、一般方法： 确定研究课题。 建立物理、数学模型 理论分析和实验研究，形成理论。 检验、修正和完善理论。,EXIT,流场：研究的所有流体质点的集合。,EXIT,质点：含有流体微观粒子且占据空间一个 坐标

6、点的微元，或称流体微团。,微元：含有足够多流体微观粒子的微小体积。,如何把流场的物理问题用数学方法描述建立微分方程？,引入：连续性介质模型。,2、思路,连续介质模型： （1）定义：由足够数量的微观粒子组成的流体微团，连续充满它占据的空间，彼此间无任何间隙。由欧拉首先建立，也称欧拉介质模型。 （2）物理意义：模型化的流体介质的一系列参数如压强、速度、加速度、密度、比容等可看成是连续分布的，可表示为坐标和时间的连续可微函数，从而可用数学手段进行研究。,EXIT,建方程的对象为流体微团。,EXIT,平衡和运动都要进行受力分析作用在微团上的力？,作用在流体微团上的力：质量力和面积力,质量力：与质量成正

7、比的力，用FQ表示，如重力、匀加速运动的惯性力、匀角速度旋转的离心力。重力为外质量力。,单位质量流体受的力，称单位质量力，大小即为加速度值。用 f 表示，在xyz-o坐标系中，f 的三分量为fx、fy、fz。在重力场中，fx0，fy0，fz-g，负号表示 fz 方向与重力方向相反。除特别说明，一般规定z正向竖直向上。,EXIT,面积力:作用在微团表面上与表面积大小成正比的力，也称表面力，是内力。, 单位面积上的表面力称为应力，分为切应力、压强。粘性力为切力。,EXIT,平衡流体中不存在切应力，只有压强。,表面张力是作用于自由表面上的切力。（自学）,依据力平衡可给出平衡微分方程，依据牛顿第二定律

8、可给出运动微分方程动量微分方程，同时，流动满足质量守恒可给出连续性方程第一任务。,微分方程也称为控制方程，加上积分条件，积分得到速度和压强分布和能量守恒形式第二任务。,EXIT,由能量守恒可以解决能量损失问题第三任务。,由得到的速度和压强分布，依据动量定理可以解决与固体壁作用力问题第四任务。,第四节 流体力学的发展简史, 阿基米德，D.C250，论浮力，提出流体静力学的浮力定律。 十五世纪末，达芬奇，研究了沉浮问题、孔口出流、物体运动阻力、流体在管路中和水渠中的流动问题。 十六、十七世纪，牛顿、伯努利、欧拉、伽利略、托利拆利及帕斯卡，作了大量的研究，由欧拉建立了经典流体力学；牛顿，粘性定律。

9、达朗伯佯谬：“物体在理想流体中运动时，没有对运动的阻力”，导致粘性流体动力学创立。,EXIT,分支： “理论流体力学”，“工程流体力学”“水力学”+“空气动力学” 。 十九世纪，纳维、斯托克斯，粘性流体运动的微分方程，即著名的N-S方程，亥姆霍兹、柯西霍夫，研究漩涡运动和分离运动。 重要的、有应用价值的是伯努利方程，它反映了流体流动过程中的能量守恒。 普朗特，边界层理论，边界层微分方程组 卡门，边界层动量积分方程 激波理论，空间空气动力学（自学）,EXIT,第五节 应用,EXIT,幻影2000,EXIT,大型民航客机，运输机。,EXIT,EXIT,制造出航天飞机，建立太空站，实现了人类登月的梦

10、想。,EXIT,EXIT,海上采油平台,EXIT,排水量达50万吨以上的超大型运输船；,EXIT,航速达30节，深潜达数百米的核动力潜艇,EXIT,时速达200公里的新型地效艇,EXIT,大型气轮机,汽轮机叶片,EXIT,大型水轮机,水轮机,EXIT,大型水利枢纽工程,EXIT,EXIT,EXIT,杨浦大桥,EXIT,全球气象预报（卫星云图）,EXIT,凝汽电厂的冷凝塔,EXIT,灾害预报与控制,EXIT,高速交通工具,EXIT,各种工业装置的优化设计，降低能耗，减少污染,EXIT,毛细血管流动,EXIT,6、动力黏度、运动黏度、相对黏度的概念和量 纲（单位）,EXIT,本章小结：,2、连续性介质模型的定义和物理意义,1、研究流体力学问题的方法,3、作用在流体上的力 ：质量力和表面力,4、牛顿粘性定律,5、理想流体、牛顿流体、不可压缩流体的概念,例1：一可动和一不动平板分别置于液体中， 间距h0.5mm。可动板V0.25m/s，水平右移，维持V不变，加在动板上的外应力为2Pa。求。,假定速度线性分布（层流），有,EXIT,解：由坐标系，按内摩擦定律：