中南大學《流體力學》課件第一章緒論

1、Engineering Fluid Mechanics,流體力學電子教案,第一章 緒論,,,第一節(jié) 流體力學概述,第一節(jié)流體力學概述,1. 流體力學： （對象為流體）,研究流體平衡和力學運動規(guī)律及其在工程技術上的應用的一門學科。,,,流體在外力作用下，平衡與運動的規(guī)律；,流體與 邊界 的相互作用。,固定邊界,運動邊界,,,,,第一章 緒論,,力學,2、流體力學（水力學）的學科性質,研究對象力學問題載體,宏觀力學分

2、支遵循三大守恒原理,流體力學,水力學,流體,水,力學,強調水是主要研究對象比較偏重于工程應用土建類專業(yè)常用,,,,第一章 緒論,,3、工程流體力學中的基本力學問題和任務,1、作用力問題；2、過流能力問題；3、流體能量的利用和能量損失問題；4、水流形態(tài)問題。,空氣和水是地球上廣泛存在的物質，所以與流體運動關聯的力學問題是很普遍的。流體力學在許多學科和工程領域有著廣泛的應用。,本課程屬于專業(yè)基礎課，需要有一定的數理知識及理論力學、

3、材料力學基礎。,第一節(jié)流體力學概述,第一章 緒論,航天航空工業(yè) （空氣動力學）,造船工業(yè) （水動力學）,電力工業(yè) 水電站、火電站、 核電站、地熱電站,石油化工工業(yè),1、建筑工程和土建工程中的應用。,,基坑排水,地下水滲透,鐵路路基排水,圍堰修建,第一節(jié)流體力學概述,第一章 緒論,2、在市政工程中的應用。,如橋涵孔徑設計、給水排水、管網計算、 泵站和水塔的設計、隧洞通風等，特別是給水排水工程中，無論取水、

4、水處理、輸配水都是在水流動過程中實現的。流體力學理論是給水排水系統(tǒng)設計和運行控制的理論基礎。,橋涵孔徑的設計,隧洞通風,,給水排水設計水廠,3.城市防洪工程中的應用。如堤、壩的作用力與滲流問題、防洪閘壩的過流能力等,公路與橋梁工程 路基的沉陷、崩竭、滑坡、 橋梁、涵洞、倒虹吸管和 透水貽堤的修建等,6. 在建筑環(huán)境與設備工程中的應用。如供熱、通風與空調設計，以及設備的選用等。,5. 機械工業(yè)中

5、澗滑、冷卻、液壓傳動,4. 在采礦中的應用 礦井通風、采掘過程中的除塵、礦山排水、選礦工藝,第一節(jié)流體力學概述,第一章 緒論,排球,足球,網球,游泳,賽艇,鐵餅,高爾夫球,賽跑,賽車,標槍,乒乓球,羽毛球,大部分競技體育項目與流體力學有關,7. 在生活中的應用,空氣和水是所有生物生存不可或缺的基礎，然雖然生活在流體環(huán)境中，人們對一些流體運動卻缺乏認識，比如：,?高爾夫球飛得遠應表面光滑還是粗糙嗎？ ?汽車阻力來自前部還是尾

6、部嗎？ ?機翼升力來自下部還是上部嗎？ ?建造在河邊的房屋為什么容易傾斜？ ?虹吸管中的水為什么能流到管道的高處？ ? 塔科馬海峽大橋垮塌之謎？ ? ………,第一章 緒論,高爾夫球運動起源于15世紀的蘇格蘭,起初，人們認為表面光滑的球飛行阻力小，因此當時用皮革制球。,后來發(fā)現表面有很多劃痕的舊球反而飛得更遠。,這個謎直到20世紀建立流體力學邊界層理論后才解開。,現在的高爾

7、夫球表面有許多窩，在同樣大小和重量下，飛行距離為光滑球的5倍,第一章 緒論,最開始人們認為汽車高速前進時的阻力主要來自車前部對空氣的撞擊,因此早期的汽車后部是陡峭的，稱為箱型車，阻力系數CD 很大，約0.8,實際上，汽車阻力主要取決于后部形成的尾流 ，叫形狀阻力,第一章 緒論,20世紀30年代起，人們開始運用流體力學原理改進汽車尾部形狀，出現甲殼蟲型，阻力系數降至0.6,20世紀50－60年代改進為船型， 阻

8、力系數為0.45,80年代經過風洞實驗系統(tǒng)研究后，又改進為魚型，阻力系數為0.3,以后進一步改進為楔型， 阻力系數為0.2,第一章 緒論,,汽車阻力來自前部還是后部,90年代后，科研人員研制開發(fā)的未來型汽車，阻力系數僅為0.137,經過近80年的研究改進，汽車阻力系數從0.8降至0.137，阻力減小為原來的1/5 。 目前，在汽車外形設計中流體力學性能研究已占主導地位，合理的外形使汽車具有更好的動力學性能和更低的耗

9、油率。,第一章 緒論,人們的直觀印象是空氣從下面沖擊著鳥的翅膀，把鳥托在空中。19世紀初流體力學環(huán)流理論徹底改變了人們的傳統(tǒng)觀念。,脫體渦量與機翼環(huán)量大小相等方向相反,第一章 緒論,足球運動的香蕉球現象可以幫助理解環(huán)流理論,旋轉的球帶動空氣形成環(huán)流，一側氣體加速，另一側減速，形成壓差力，使足球拐彎，稱為馬格努斯效應,第一章 緒論,,機翼升力來自上部還是來自下部,機翼的特殊形狀使它不用旋轉就能產生環(huán)量，上部流速加快形成吸力，下部流速

10、減慢形成壓力，兩者合成形成升力,測量和計算表明上部吸力的貢獻比下部要大,第一章 緒論,高位取水的電力大于低位取水的電力？,答案,實際發(fā)電電能相同,在98長江特大洪水時，有人提出了一個緊急提案：調用休漁期的數百只船至長江中游，拋錨后，齊開足馬力用螺旋槳推動水流加大流速，降低長江上下游的洪水位?,答案,勞民傷財,第一節(jié)流體力學概述,1、流體力學形成的萌芽階段（16世紀以前）,古時中國有大禹治水疏通江河的傳說；改「堵」為「疏」，對洪水進行

11、疏導?！溉^家門而不入」,第一節(jié)流體力學概述,第一章 緒論,1、流體力學形成的萌芽階段（16世紀以前）,秦朝李冰父子帶領勞動人民修建的都江堰，至今還在發(fā)揮著作用。 鄭國渠、靈渠,1、流體力學形成的萌芽階段（16世紀以前）,鄭國渠是公元前237年，秦王政采納韓國水利家鄭國的建議開鑿的。它西引涇水(陜西北面）東注洛水，長達300余里。 灌溉面積達280萬畝，成為我國古代最大的一條灌溉渠

12、道。,陜西涇陽縣，此大壩為世界上最早,第一節(jié)流體力學概述,第一章 緒論,1、流體力學形成的萌芽階段（16世紀以前）,,,,南渠 （至漓江）,北渠（至湘江）,,,鏵嘴,海洋河,30%,70%,防洪：靈渠從源頭始每隔一段距離就有一個泄水涵，當渠中水位高至上限，自動地往北面湘江泄水；靈渠的上游還筑有一道漫水堤，大大提高了渠道的泄水能力。因此每年夏季的雷雨季節(jié)，河里經常發(fā)洪水，不管北面的湘江有多大的洪水，南面靈渠的水量還是基本保持在原來的水位

13、。,交通運輸：連接珠江（嶺南）與長江水系（中原）唐后沿途設斗門，相當于現代的閘門，為世界最早。,農田灌溉:,“七分湘水三分漓”,,大小天平,,鏵嘴,始建于秦始皇時期 （公元前223年～214年 ）,1、流體力學形成的萌芽階段（16世紀以前）,,趙州橋（公元591年至599年）,南北大運河（隋朝公元587年至610年）,——拱背的4個小拱， 既減壓主拱的負載， 又可宣泄洪水,第一節(jié)流體力學概述,第一章 緒論,,元延祐三年（公元1316

14、年）造,日壺 (高75.5厘米、口徑68.2厘米、底徑60厘米),月壺(高58.5厘米、口徑54.5厘米、底徑53厘米 ),星壺（高55.4厘米、口徑44厘米、底徑39厘米）,受水壺（高75厘米、口徑32厘米、底徑31厘米 ）,銅尺（上有時辰刻度）,銅尺前有木劍，木劍前有一木塊稱浮舟,隨時間的推移浮舟托起木箭緩緩上升。將木箭的頂端與銅表尺上的刻度對照，就可知道當時的時間。,,1、流體力學形成的萌芽階段（16世紀以前）,古羅馬人建成了

15、大規(guī)模的供水管道系統(tǒng),第一節(jié)流體力學概述,第一章 緒論,1、流體力學形成的萌芽階段（16世紀以前）,對流體力學學科的形成作出第一個貢獻的是古希臘的阿基米德，他建立了包括物理浮力定律和浮體穩(wěn)定性在內的液體平衡理論，奠定了流體靜力學的基礎。此后千余年間，流體力學沒有重大發(fā)展。,阿基米德發(fā)現浮力,2、古典流體力學階段,15世紀，意大利達·芬奇的著作才談到水波、管流、水力機械、鳥的飛翔原理等問題 。,達·芬奇自畫像,17

16、世紀，帕斯卡闡明了靜止流體中壓力的概念。,布萊士·帕斯卡,17世紀，牛頓《自然科學的數學原理》一書后，流體力學作為一門嚴密的科學，隨著經典力學建立了速度、加速度，力、流場等概念，確立了質量、動量、能量三個守恒定律最終形成。,牛頓,第一節(jié)流體力學概述,第一章 緒論,2、古典流體力學階段,歐拉,歐拉采用了連續(xù)介質的概念，把靜力學中壓力的概念推廣到運動流體中，建立了歐拉方程，正確地用微分方程組描述了無

17、粘流體的運動,伯努利從經典力學的能量守恒出發(fā)，研究供水管道中水的流動，精心地安排了實驗并加以分析，得到了流體定常運動下的流速、壓力、管道高程之間的關系——伯努利方程,伯努利,3、古典流體力學與實驗流體力學相結合階段（18到19世紀末）,謝才（ 法國）建立了渠道流量經驗公式,弗魯德（英國）建立了模型試驗法則,雷諾（愛爾蘭）提出層流和紊流運動,第一節(jié)流體力學概述,達朗貝爾(1717-1783),達朗貝爾對運河中船只的

18、阻力進行了許多實驗工作，證實了阻力同物體運動速度之間的平方關系,4、公元18世紀至20世紀 ——數學分析、實驗+數學分析、實驗,數學分析,伯努利方程,歐拉方程,納維－斯托克斯方程（N-S方程 ）,雷諾方程,,,,實驗+數學分析,,缺陷：復雜性、 理想模型的局限性、難應用于實際工程,謝才公式,曼寧公式,,,理論方法,理論＋實踐,,實用水力學,,古典水力學,第一章 緒論,5、20世紀以后 數學分析、實驗+數學分析、實驗 計算機

19、技術＋航空技術等(現代流體力學),普朗特Prandtl L. (1875-1953),馮﹒卡門(1881-1963),卡門渦街,邊界層分離現象,第一節(jié)流體力學概述,第一章 緒論,以周培源、錢學森為代表的中國科學家在湍流理論、 空氣動力學等許多領域中作出了基礎性、開創(chuàng)性的貢獻。,周培源（1902－1993 ）,錢學森（1911－2009）,第一章 緒論,理論分析、實驗研究和數值計算三種方法相互結合，是互相補充和驗證，但又不能互相

20、取代的關系。,理論分析,實驗研究,數值計算,建立流體力學的基本方程式，如：壓強基本方程式、連續(xù)方程式、能量方程式、動量方程式。,原型觀測、系統(tǒng)實驗、模型研究得到流體力學計算公式和方法：謝才公式、曼寧公式。,有限差分法、有限元法,流動分析的簡化,第二節(jié) 流體的主要物理性質,第二節(jié) 流體的主要物理性質,流體 ：指具有 流動性 且自身不能保持一定 形狀的物體。,固體：有固定的平衡位置，具有一定的體積，一定的形狀。,觸變質：如膠狀物和油漆

21、、瀝青等。,從力學分析的意義上看，在于它們對外力抵抗的能力不同。,固體                    流體,第一章 緒論,第二節(jié) 流體的主要物理性質,液體和氣體的區(qū)別：,(1) 氣體易于壓縮；而液體難于壓縮；,(2)液體有一

22、定的體積，存在一個自由液面；氣體能充滿任意形狀的容器，無一定的體積，不存在自由液面。,液體和氣體的共同點：,兩者均具有易流動性，即在任何微小切應力作用下都會發(fā)生變形或流動，故二者統(tǒng)稱為流體。,第二節(jié) 流體的主要物理性質,流體質點,1）質點的宏觀尺寸非常小，即limΔV→0 ；,2）質點的微觀尺寸足夠大；,3）質點是一個物理實體；,4）質點的形狀可任意劃定，以做到質點之間無縫隙。,個分子,1mm3空氣( 1個大氣壓，00C),第二節(jié)

23、 流體的主要物理性質,連續(xù)介質模型,把流體視為沒有間隙地充滿它所占據的整個空間的一種連續(xù)介質，且其所有的物理量都是空間坐標和時間的連續(xù)函數的一種假設模型。,排除了分子運動的復雜性。,物理量作為時空連續(xù)函數，則可以利用連續(xù)函數這一數學工具來研究問題。,優(yōu)點,,特例,只有當考慮的現象具有比流體分子結構尺度大得多的尺度時才成立。？？？含有氣泡的液體是否適用連續(xù)介質模型？？？,如 p，v，a，ρ，γ，…＝f（x，y，z，t）,,第一章 緒論

24、,第一次課要點回顧,流體力學的任務流體力學在工程上的應用固體、液體、氣體三者的主要區(qū)別連續(xù)介質假設流體的慣性特性,第二節(jié) 流體的主要物理性質,γ ：重度或容重,單位：N/m3 ，或 kN/m3,單位： kg/m3,熟記：,以密度ρ來衡量,比重,第二節(jié) 流體的主要物理性質,在溫度不變的條件下，流體體積隨壓強增加而減小的性質。,體積壓縮系數,體積彈性模量,k 與K 隨溫度和壓強而變化，但變化甚微,說明：A. K 越大，越不易被壓縮，

25、當K 無窮大時，表示該流體絕對不可壓縮；,B. 流體的種類不同，其 k 和 K 值不同；,C. 同一種流體的k 和K 值隨溫度、壓強的變化而變化,第二節(jié) 流體的主要物理性質,在壓強不變條件下，流體體積隨溫度增加而增加的性質。,體積膨脹系數,第二節(jié) 流體的主要物理性質,可壓縮流體：流體密度隨壓強變化不能忽略的流體ρ≠C,不可壓縮流體:流體密度隨壓強變化很小，流體的密度可 視為常數的流體 ρ=C,(a) 嚴格地

26、說，不存在完全不可壓縮的流體。,(b) 一般情況下的液體都可視為不可壓縮流體. (水擊現象,液壓沖擊,水中爆炸波的傳播等問題除外),(c) 對于氣體，當所受壓強變化相對較小時，可視為不可壓縮流體。,(d) 管路中壓降較大時，應作為可壓縮流體。,第一章 緒論,答案,因為水的彈性模量很大，壓強變化時，水的體積變化很小，可忽略不計，所以水通常被視為不可壓縮流體,答案,水為可壓縮流體；此時水龍頭處的壓強發(fā)生變化，

27、且變化幅度較大,答案,適用,第二節(jié) 流體的主要物理性質,生活中的實例。,牛頓于1687年《自然科學的數學原理》書中提出粘性概念,一百年后由庫侖用實驗證實。,庫侖實驗： 把一薄圓板用細絲平吊在液體中，將圓板轉過一角度后放開，圓板作往返擺動，逐漸衰減，直至停止，測量其衰減時間。用三種圓板做實驗。（a、普通板，b、表面涂蠟，c、表面膠一層細砂）,,庫侖實驗證明衰減原因不是圓板與液體間的摩擦， 而是液體內部的摩擦，即內摩擦。,庫

28、侖,第二節(jié) 流體的主要物理性質,1、定義 流體內部質點間或流層間因相對運動而產生內摩 擦力（內力/粘性力）以反抗相對運動的性質,2、牛頓內摩擦定律,（層流、無滑移假設）,引入比例系數μ ，得,第二節(jié) 流體的主要物理性質,3、粘度μ 在運動狀態(tài)下，流體具有抵抗剪切變形速率的能力的量度。 粘性大小由粘度來量度。 流體的粘度是由流動流體的內聚力和分子的動量交換

29、所引起的。,μ —— 動力粘滯系數。 N.s/m2 ；Pa.Sν —— 運動粘滯系數。 m2/S,,,1）流體種類。一般地，相同條件下，液體的粘度大于氣體的粘度。,2）壓強。對常見的流體，如水、氣體等，μ 值隨壓強的變化不大。,3）溫度。是影響粘度的主要因素。 當溫度升高時，液體的粘度減小，氣體的粘度增加。,第二節(jié) 流體的主要物理性質,液體： 內聚力是產生粘度的主要因素，當溫度升高，分子間距離增大，

30、吸引力減小，因而使剪切變形速度所產生的切應力減小， 所以μ 值減小。,氣體：氣體分子間距離大，內聚力很小，所以粘度主要是由氣體分子 運動動量交換的結果所引起的。溫度升高，分子運動加快，動 量交換頻繁，所以 μ值增加。,—— 粘度μ,第二節(jié) 流體的主要物理性質,4、速度梯度,表示流體直角減小的速度,也稱角變形速率,說明：流體的切應力與剪切變形速率，或角變形率成正比。 —— 區(qū)別于固體的

31、重要特性: 固體的切應力與角變形的大小成正比。,第二節(jié) 流體的主要物理性質,5、牛頓流體和非牛頓流體 理想流體和實際流體,牙膏、泥漿、血漿等,橡膠、油漆、尼龍等,生面團、濃淀粉糊,想一想:切應力與剪切變形速率成線性關系的流體是牛頓流體，對嗎？,第一章 緒論,例：試繪制平板間液體的流速分布圖與切應力分布圖。 設平板間的液體流動，其流速按直線分布，如圖所示。,解：設液層分界面上的流速為u , 則：切應力分布：,下層

32、：,上層：,在液層分界面上：,,,,,表面張力現象,水滴懸在水龍頭出口而不滴落； （ 肥皂泡、洗潔劑）,細管中的液體自動上升或下降一個高度；（毛細管現象）,鐵針浮在液面上而不下沉。（微重力環(huán)境行為）,表面張力的定義,沿液體表面作用著的使自由表面張緊的力稱為表面張力。 液體表面張力的大小可以用液體表面單位長度所受的拉力即表面張力系數σ來度量，單位是N/m。,第二節(jié) 流體的主要物理性質,接觸角,當液固接觸時，液體表面的切面與固體壁

33、在液體內部所夾的角為接觸角。,毛細現象,第二節(jié) 流體的主要物理性質,物質從液態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài)的現象稱為汽化。汽化有兩種方式：只在液體表面進行的稱為蒸發(fā)， 液體表面和內部同時進行的稱為沸騰。,液體總是在一定溫度和一定壓強下才能沸騰，這個溫度就是沸點，這個壓強（一般以絕對壓強計）稱為汽化壓強（或蒸汽壓強、飽和蒸氣壓強），以pv表示。,當液體中某處壓強達到或小于汽化壓強時，該處液體便沸騰，液體內部形成許多氣泡，這種

34、現象稱為空化。空化現象易對設備或配件產生汽蝕破壞（或空蝕破壞）。,第二節(jié) 流體的主要物理性質,第一章 緒論,答案,無。理想流體μ=0，沒有切應力,答案,流體的種類、溫度、壓強。液體粘度隨溫度升高而減小，氣體粘度隨溫度升高而增大。,答案,不一定。因為賓漢塑性流體的τ與du/dy成正比，但曲線不通過圓點。,答案,剪切變形速率， 剪切變形大小,答案,表面張力的作用,第一章 緒論,答案,高原上，壓強低，水不到100℃就會沸騰，雞蛋煮不熟，所以須

35、加蓋 。,答案,不能，最大真空度等于大氣壓強與汽化壓強的差值.,答案,毛細現象,答案,低壓處產生氣泡，氣泡隨水流到高壓處破滅，產生沖擊力，剝蝕葉片，形成空蝕。,答案,h1-h2 ——水； h1+h2 ——水銀,第三節(jié) 流體的主要物理性質,第三節(jié) 作用在流體上的力,按物理性質的不同分： 重力、摩擦力、慣性力、彈性力、表面張力等,按作用方式分： 質量力和面積力,質量力,作用在流體的每一個質點上，與流體質點的質量大小成正比。,（如重力、慣

36、性力、電場力）,單位質量力：單位質量流體所受到的質量力,fx、fy、fz 為單位質量力在x、y、z三個方向上的分量。,第三節(jié) 流體的主要物理性質,第三節(jié) 作用在流體上的力,表面力,是毗鄰流體或其它物體作用在隔離體表面上的直接施加的接觸力。它的大小與作用面面積成正比。,壓力：    垂直于作用面。,切力：   平行于作用面,第一章 緒論,問題1：比較重力場（質量力只有重力）

37、中，水 和水銀所受的單位質量力f水和f水銀的大?。?A. f水<f水銀；,C. f水=f水銀；,B. f水>f水銀；,D.不確定,問題2：試問自由落體和加速度a向x方向運動狀態(tài)下的液體所受的單位質量力大?。╢X fY fZ）分別為多少？,答案,（0，0，0）；（-a,0,-g),問題3： 靜止的流體受到哪幾種力的作用？,答案,重力與壓應力，無法承受剪切力,問題4： 理想流體受到哪幾種力的作用？,答案,重力與壓應