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1、第一章 流体力学导论讲义第1页，本讲稿共46页 第一节第一节 传热学与流体力学概述传热学与流体力学概述 一、传热学与流体力学基本概念一、传热学与流体力学基本概念 流体力学流体力学:研究研究流体流体平衡和运动规律的科学。平衡和运动规律的科学。研究内容：研究内容：流体在静止或流动时的流体在静止或流动时的速度速度、压强压强分布，分布，能量能量 损失，损失，流体与固体的相互作用流体与固体的相互作用。应用领域：航空航天、水下平台、液压伺服系统。应用领域：航空航天、水下平台、液压伺服系统。传热学：研究由温差引起的传热学：研究由温差引起的热量传递规律热量传递规律的科学。的科学。研究内容：热量传递规律，如何防
2、止热传递、增强热传递研究内容：热量传递规律，如何防止热传递、增强热传递 应用领域：机械（热加工处理、淬火）、能源、冶金、应用领域：机械（热加工处理、淬火）、能源、冶金、建筑（桥梁）、电子、航空航天、环境保护建筑（桥梁）、电子、航空航天、环境保护 等领域。等领域。第2页，本讲稿共46页有无固定的体积？能否形成自由表面？是否容易被压缩？流体气体无否易液体有能不易 流体最主要的物理特性第3页，本讲稿共46页 1.1.流体在外力作用下，静止与运动的规律；流体在外力作用下，静止与运动的规律；2.2.流体与边界的相互作用。流体与边界的相互作用。流体力学的主要研究内容 固定边界：固定边界：水工建筑物、河床、
3、海洋平台等水工建筑物、河床、海洋平台等 运动边界：运动边界：飞机、船只等飞机、船只等边界第4页，本讲稿共46页 空空气气和和水水是是地地球球上上广广泛泛存存在在的的物物质质，所所以以与与流流体体运运动动关关联联的的力力学学问问题题是很普遍的。流体力学在许多学科和工程领域有广泛的应用。是很普遍的。流体力学在许多学科和工程领域有广泛的应用。与流体力学相关的工程领域和学科第5页，本讲稿共46页排球足球网球游泳赛艇铁饼高尔夫球赛跑赛车标枪乒乓球羽毛球大部分竞技体育项大部分竞技体育项目与流体力学有关目与流体力学有关 第6页，本讲稿共46页1 1、工业：水利建设（如防洪、灌溉、航运、水力发电、工业：水利建
4、设（如防洪、灌溉、航运、水力发电、河道整治）；动力工程中流体的能量转换，机械工程河道整治）；动力工程中流体的能量转换，机械工程中的润滑、液压传动、气力输送。中的润滑、液压传动、气力输送。2 2、市政工程：通风、通水。、市政工程：通风、通水。3 3、医学：血液在人体内的流动。、医学：血液在人体内的流动。4 4、环境：污染物在大气中的扩散。、环境：污染物在大气中的扩散。5 5、交通：铁路、公路隧道中的压力波传播，汽车的外、交通：铁路、公路隧道中的压力波传播，汽车的外形与阻力的关系。形与阻力的关系。流体力学在科学技术和工程中的应用第7页，本讲稿共46页传热学是研究传热学是研究热量传递规律热量传递规律
5、的科学的科学（热量传递的机理、规律、计算和测试方法）（热量传递的机理、规律、计算和测试方法）热量传递过程的动力热量传递过程的动力：温差温差 凡是有温度差的地方就有热量传递凡是有温度差的地方就有热量传递凡是有温度差的地方就有热量传递凡是有温度差的地方就有热量传递；热量传递是自然界和生产；热量传递是自然界和生产；热量传递是自然界和生产；热量传递是自然界和生产技术中一种非常普遍的现象。技术中一种非常普遍的现象。技术中一种非常普遍的现象。技术中一种非常普遍的现象。传热学在生产技术领域中的应用十分广泛。传热学在生产技术领域中的应用十分广泛。传热学的主要研究内容第8页，本讲稿共46页冰箱(机械能热能)飞机
6、(热能机械能)汽车(热能机械能)热电厂(热能机械能)传热学在科学技术和工程中的应用第9页，本讲稿共46页 传热学在生产技术等众多领域中的应用十分广泛，特传热学在生产技术等众多领域中的应用十分广泛，特传热学在生产技术等众多领域中的应用十分广泛，特传热学在生产技术等众多领域中的应用十分广泛，特别是在下列技术领域大量存在传热问题：别是在下列技术领域大量存在传热问题：别是在下列技术领域大量存在传热问题：别是在下列技术领域大量存在传热问题：1、航空航天：高温叶片气膜冷却；火箭推力室的再生冷却；卫星与空间站热控制；空间飞行器重返大气层冷却；超高音速飞行器（Ma=10）冷却；核热火箭、电火箭；微型火箭（电火
7、箭、化学火箭）；太阳能高空无人飞机等。第10页，本讲稿共46页2、微电子：电子芯片冷却。3、生物医学：肿瘤高温热疗；生物芯片；组 织与器官的冷冻保存。4、军 事：飞机、坦克；激光武器；弹药贮存。5、制 冷：跨临界二氧化碳汽车空调/热泵；高温水源热泵。6、新能源：太阳能；燃料电池。第11页，本讲稿共46页 课程地位 传传热热学学与与流流体体力力学学基基础础是是一一门门重重要要的的专专业业基基础础课课程程，它它是是连连接接前前期期基基础础课课程程和和后后续续专专业业课课程程的的桥桥梁梁。课课程程的的学学习习将将有有利利于于数数理理、力力学学基基础础知知识识的的巩巩固固与与提提高高，培培养养分分析析
8、、解解决决实实际际问问题题的的能能力力，为为专专业业课课程程的的学学习习奠奠定坚实基础。定坚实基础。数理、力学数理、力学 基础课程基础课程传热学与流体力传热学与流体力学基础学基础专业基础课程专业基础课程机械、能源学科机械、能源学科有关专业课程有关专业课程第12页，本讲稿共46页二、传热学与流体力学研究发展 从工业革命时代开始，从工业革命时代开始，纳维纳维（M.Navier）和）和傅立叶傅立叶（J.B.Fourier）等科学家为传热学和流体力学的发展作出重）等科学家为传热学和流体力学的发展作出重要贡献。要贡献。1807年傅立叶提出了求解偏微分方程的年傅立叶提出了求解偏微分方程的分离变量法分离变量
9、法。1822年傅立叶发表著作年傅立叶发表著作热的解析理论热的解析理论，创立了导热，创立了导热理论。理论。1823年纳维提出了适用于年纳维提出了适用于不可压缩流体的流动方程不可压缩流体的流动方程。1845年斯托克斯改进了纳维的工作，提出了年斯托克斯改进了纳维的工作，提出了“纳维纳维-斯斯托克斯方程托克斯方程”，为描述流体流动奠定基础。，为描述流体流动奠定基础。第13页，本讲稿共46页20世纪以来，数学与计算机科学的发展，为通过仿真研究传热学和流体力学奠定了基础。例如：利用分析软件分析航天器热量分布，从而为航天器的隔热设计奠定了理论基础。利用仿真软件分析潜器形状与受到流体阻力的关系，指导潜器等水下
10、平台的设计。第14页，本讲稿共46页第二节传热学与流体力学的理论基础一、传热学的理论基础1、热量传递三种基本形式：热的传递是由于物体内部或物体之间的热的传递是由于物体内部或物体之间的温度不同温度不同引起的，根引起的，根据热力学第二定律，当无外功输入时，热量总是自动地由温度较高据热力学第二定律，当无外功输入时，热量总是自动地由温度较高的物体传递给温度较低的物体。的物体传递给温度较低的物体。热传导热传导(heat exchange)、热对流热对流(convection)热辐射热辐射(heat radiation)第15页，本讲稿共46页2、热传导 1）、定义）、定义 热量从物体中热量从物体中温度较
11、高温度较高的部份传递给的部份传递给温度较低温度较低的部份或传递的部份或传递给与之接触的温度较低的另一物体的过程称为给与之接触的温度较低的另一物体的过程称为热传导，简称热传导，简称导热导热。在导热过程中物体各部分或物体与物体之间不发生相对位移。在导热过程中物体各部分或物体与物体之间不发生相对位移。2）、导热机理（1）气体的导热机理气体分子都处于无规则的运动状态，高温区能量较高的分子与低温区能量较低的分子相互碰撞，则热量就会由高温处传到低温处第16页，本讲稿共46页 （2）液体的导热机理）液体的导热机理 与气体的导热机理类似，但是与气体的导热机理类似，但是液体分子间的距离比较小液体分子间的距离比较
12、小，分子，分子间的作用力对碰撞过程的影响比气体大得多，因此间的作用力对碰撞过程的影响比气体大得多，因此比气体的导比气体的导热机理复杂得多热机理复杂得多。（3）良好的导电体导热机理）良好的导电体导热机理 相当数量的相当数量的自由电子在晶格之间运动自由电子在晶格之间运动，它们能将热量从高温，它们能将热量从高温处传递到低温处。处传递到低温处。（4）非导电固体导热机理，）非导电固体导热机理，导热是通过导热是通过晶格晶格结构的结构的振动振动传递能量的。传递能量的。第17页，本讲稿共46页3）、傅立叶定律）、傅立叶定律-导热量导热量-热量通过物体的面积热量通过物体的面积-导热率导热率-热量传导方向上温度的
13、变化率热量传导方向上温度的变化率第18页，本讲稿共46页例：平面壁导热tW1tW21A2第19页，本讲稿共46页4）、传导问题分类）、传导问题分类（1）温度场是否随时间发生变化）温度场是否随时间发生变化 稳态导热稳态导热 非稳态导热非稳态导热 （2）温度分布考虑的坐标）温度分布考虑的坐标 一维导热一维导热 二维导热二维导热 三维导热三维导热第20页，本讲稿共46页3、对流 1）、定义）、定义 对流是指流体各部分对流是指流体各部分质点发生相对位移质点发生相对位移而引起的热量传递而引起的热量传递过程。即是靠流体的过程。即是靠流体的宏观的相对位移宏观的相对位移所产生的相对流动来传递所产生的相对流动来
14、传递热量的过程。因此热量的过程。因此对流只能发生在流体中对流只能发生在流体中。2）、对流的两种方式：）、对流的两种方式：（1）流体本身各点温度不同引起密度的差异而造成流体质点相对）流体本身各点温度不同引起密度的差异而造成流体质点相对位移所形成的对流称为位移所形成的对流称为自然对流自然对流。（2）借助机械作用（如搅拌器、风机、泵等）或其它压差而）借助机械作用（如搅拌器、风机、泵等）或其它压差而引起的对流称为引起的对流称为强制对流强制对流。第21页，本讲稿共46页 3）、牛顿冷却公式）、牛顿冷却公式A第22页，本讲稿共46页 1）、定义）、定义 辐射是固体、液体和某些气体由于温差而引起的辐射是固体
15、、液体和某些气体由于温差而引起的电磁波传递能电磁波传递能量量的现象。这种电磁波辐射称为的现象。这种电磁波辐射称为热辐射热辐射。辐射能以电磁波的形。辐射能以电磁波的形式发射而在空间传递。式发射而在空间传递。2）、辐射过程的特点）、辐射过程的特点 （1）传热过程中伴有）传热过程中伴有能量形式能量形式的转化的转化，这是热辐射区别于热，这是热辐射区别于热传导和对流传热的特点之一。传导和对流传热的特点之一。（2）电磁波可以在真空中传递所以热辐射）电磁波可以在真空中传递所以热辐射不需要任何中间介不需要任何中间介质质，具有方向性。，具有方向性。4、辐射第23页，本讲稿共46页 3）、辐射机理）、辐射机理 电
16、磁波范围极广，通常把波长为电磁波范围极广，通常把波长为0.440m范围的电范围的电磁波称为磁波称为热射线热射线。热射线产生于物质的原子内部，而引起这。热射线产生于物质的原子内部，而引起这种运动的基本原因是物体本身温度。种运动的基本原因是物体本身温度。4）、产生辐射传热的条件）、产生辐射传热的条件 当两个物体温度都在当两个物体温度都在绝对零度绝对零度以上而且有温差时，高温物以上而且有温差时，高温物体辐射给低温物体的能量大于低温物体辐射给高温物体的能量。总体辐射给低温物体的能量大于低温物体辐射给高温物体的能量。总的效果是高温物体辐射给低温物体能量。的效果是高温物体辐射给低温物体能量。实验证明：只有
17、当物体的实验证明：只有当物体的温度大于温度大于400时，因辐射而传递的能量才比较显著时，因辐射而传递的能量才比较显著。第24页，本讲稿共46页5）、辐射热计算公式）、辐射热计算公式实际物体表面的发射率实际物体表面的发射率第25页，本讲稿共46页二、流体力学理论基础1、流体 流体流体:易于流动的物体，包含易于流动的物体，包含气体气体和和液体液体，没有固定的，没有固定的 形状，易于变形。形状，易于变形。易流动性易流动性:不能抵抗无论多么小的不能抵抗无论多么小的拉力和剪切力拉力和剪切力 质点质点：流体微团非常小，符合连续性条件，同时也看不：流体微团非常小，符合连续性条件，同时也看不 出这些特性出这些
18、特性(如平均密度、平均压强与平均粘如平均密度、平均压强与平均粘 度）的变化，这样的微团称为流体的一个质点。度）的变化，这样的微团称为流体的一个质点。连续介质连续介质：质点是组成流体的最小单位，质点与质点间：质点是组成流体的最小单位，质点与质点间 不存在空隙，流体是由无数质点组成的连续不存在空隙，流体是由无数质点组成的连续 介质。介质。第26页，本讲稿共46页 物质三态的转化：温度变化会导致聚态的改变，称之为物质三态的转化：温度变化会导致聚态的改变，称之为相变相变。两个显著现象：。两个显著现象：（1）体积发生变化；）体积发生变化；（2）产生潜热。）产生潜热。注注：不同物质相变特征不同，如沥青和水
19、。通常用：不同物质相变特征不同，如沥青和水。通常用黏度来划分沥青的固态和液态。黏度来划分沥青的固态和液态。第27页，本讲稿共46页部分物质的熔解热与气化热：第28页，本讲稿共46页2、流体的连续介质假设 流体力学研究流体的流体力学研究流体的宏观特性宏观特性，不直接研究物质粒子本，不直接研究物质粒子本身身。假设物质连续地无间隙地分布于物质所占有的整个空间，。假设物质连续地无间隙地分布于物质所占有的整个空间，流体宏观物理量是空间点及时间的流体宏观物理量是空间点及时间的连续函数连续函数。目前研究流体一般都采用目前研究流体一般都采用宏观方法宏观方法，不考虑单个粒子的运，不考虑单个粒子的运动及其物理量，
20、而是考虑大量粒子的动及其物理量，而是考虑大量粒子的平均运动平均运动及其及其统计特征统计特征。流体宏观物理量统计平均合理的尺度是：流体宏观物理量统计平均合理的尺度是：其中，其中，为粒子结构的一个长度尺度（如分子间平均距离），为粒子结构的一个长度尺度（如分子间平均距离），为宏观物理量有显著变化的尺度。为宏观物理量有显著变化的尺度。第29页，本讲稿共46页3、流体的主要性能指标 1）、流体）、流体密度密度 定义：流体中某空间点上单位体积的平均质量定义：流体中某空间点上单位体积的平均质量 更具有一般性的表达方式为：更具有一般性的表达方式为：注注:流体密度和压强、温度、组分有关。流体密度和压强、温度、组
21、分有关。第30页，本讲稿共46页 2）、流体）、流体相对密度相对密度 定义：相对密度是流体质量与同体积的水在定义：相对密度是流体质量与同体积的水在 时的质量之比，时的质量之比，或者是流体密度与或者是流体密度与 水的密度之比水的密度之比。注注:相对密度为无量纲数。常见流体密度（表常见流体密度（表1.2，下页），下页）。3）、流体）、流体比体积比体积 定义：密度的倒数，即定义：密度的倒数，即单位质量流体占有的体积单位质量流体占有的体积，以，以 来表示。来表示。第31页，本讲稿共46页表1.2第32页，本讲稿共46页4）、流体可压缩性与热膨胀性）、流体可压缩性与热膨胀性 （1）可压缩性）可压缩性:在
22、在外力外力作用下，作用下，体积或密度可以改变体积或密度可以改变的性质。的性质。（2）热膨胀性：）热膨胀性：温度改变温度改变时流体体积或密度可以改变的性质。时流体体积或密度可以改变的性质。对于单一组分的流体，密度随压强、温度的改变：对于单一组分的流体，密度随压强、温度的改变：等温压缩率等温压缩率 热膨胀系数热膨胀系数第33页，本讲稿共46页 等温压缩率等温压缩率物理意义：衡量流体可压缩性，表示在物理意义：衡量流体可压缩性，表示在一一定温度下压强增加一个单位时流体密度的相对增加率定温度下压强增加一个单位时流体密度的相对增加率。由于由于，所以等温压缩率还可以表示为：所以等温压缩率还可以表示为：等温压
23、缩率另一种物理意义：等温压缩率另一种物理意义：在一定温度下，压强在一定温度下，压强增加一个单位时流体体积的相对缩小增加一个单位时流体体积的相对缩小率。率。第34页，本讲稿共46页（3）体积弹性模量体积弹性模量 ：等温压缩率的倒数称为体积弹性模量。等温压缩率的倒数称为体积弹性模量。物理意义：物理意义：体积变化所需的压强增量体积变化所需的压强增量。常见流体的等温压缩率及体积弹性模量（表常见流体的等温压缩率及体积弹性模量（表1.3，p9）第35页，本讲稿共46页 物理意义：物理意义：在一定的压强下，温度增加在一定的压强下，温度增加1K时流时流体体积的相对增加率体体积的相对增加率。液体热膨胀系数（表液
24、体热膨胀系数（表1.4，p9）同理，热膨胀系数也可以表示为：同理，热膨胀系数也可以表示为：第36页，本讲稿共46页第三节研究方法和单位系统一、研究方法课程性质：课程性质：实验科学实验科学要求：通过实验总结规律性的理论，利用这些理论分要求：通过实验总结规律性的理论，利用这些理论分 析析实际问题，并最终解决问题。实际问题，并最终解决问题。前期课程：高等数学、大学物理、工程力学前期课程：高等数学、大学物理、工程力学主要研究方法主要研究方法:实验方法、理论分析方法、数值仿真实验方法、理论分析方法、数值仿真 方法方法第37页，本讲稿共46页1、实验方法研究步骤：1）分析问题类型，选择合适的理论）分析问题
25、类型，选择合适的理论2）准备实验工作：实验系统的建立、仪器选择使用等）准备实验工作：实验系统的建立、仪器选择使用等3）制定实验方案并进行实验）制定实验方案并进行实验4）整理、分析实验结果）整理、分析实验结果2、理论分析方法研究步骤：1）通过假设和简化，建立简化的数学模型）通过假设和简化，建立简化的数学模型2）求简化后的初值或边值问题的分析解）求简化后的初值或边值问题的分析解3）利用算例进行具体计算）利用算例进行具体计算4）对比不同方法获取的结果，检验简化模型的合理性）对比不同方法获取的结果，检验简化模型的合理性第38页，本讲稿共46页1）简化利用分析方法获得的方程）简化利用分析方法获得的方程2
26、）采用适当的数值算法、离散化模型方程）采用适当的数值算法、离散化模型方程3）编程、进行具体计算、绘图）编程、进行具体计算、绘图3、数值仿真方法研究步骤：注：具有突出优点第39页，本讲稿共46页4 4、研究方法比较、研究方法比较研究方法 1、实验法 优点：能直接解决生产中的复杂问题，并能发现新现象和新问题，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，需作不同的实验，所得结果的普遍适用性差。2、理论分析法 优点：明确给出各种物理量和运动参量之间的变化关系，有较好的普遍适用性。缺点：数学上的困难，能得出解析解的数量有限。3、数值计算法 优点：许多分析法无法求解的问题可得出它的数值解
27、。缺点：对复杂而又缺乏完善的数学模型，仍无能为力。第40页，本讲稿共46页二、单位系统国际单位制（SI）本教材采用我国法定计量单位 三个基本单位：长度单位：m（米）质量单位：kg（公斤）时间单位：s（秒）流体力学课程中使用的单位制：流体力学课程中使用的单位制：流体力学课程中使用的单位制：流体力学课程中使用的单位制：SI SI 国际单位制（米、千克、秒制）国际单位制（米、千克、秒制）第41页，本讲稿共46页 导出单位，如：密度 单位：kg/m3 力的单位：N（牛顿），1 N=1 kgm/s2 应力、压强单位：Pa（帕斯卡），1Pa=1N/m2 动力粘性系数 单位：Ns/m2=Pas 运动粘性系数
28、 单位：m2/s 体积弹性系数 E 单位：Pa第42页，本讲稿共46页与水和空气有关的一些重要物理量的数值 1大气压，40C 1大气压，100Cv 常压常温下，空气的密度是水的 1/800v 一般取海水密度为 1大气压，00C 1大气压，800Cv 空气的密度随温度变化相当大，温度高，密度低。v 水的密度随温度变化很小。第43页，本讲稿共46页 150C，海平面(标准大气压)20C，海拔2km 工程大气压（相当于10m水柱底部压强）第44页，本讲稿共46页 00C 1000C -40C 1000Cv 空 气 的 动 力 粘 性 系 数 比 水 小2个 数 量 级，但 空 气 的 运动粘性系数比水大。v 空 气 的 粘 性 系 数 随 温 度 升 高 而 增 大，而 水 的 粘 性 系 数随温度升高而减小。第45页，本讲稿共46页 常温下，水的体积弹性系数 相对压缩（或密度增加）1%，需要增压 约为 200 个大气压，即 2000m 水下的压强。v 一般情况下可以认为水是不可压缩的。第46页，本讲稿共46页