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1、1第一章：绪论第一章：绪论3作用在流体上的力表面力：法向应力、切向应力质量力：直接作用于流体体积上的力，如重力，惯性力，电磁力等。其大小与所考查的流体质量（或体积）有关。单位质量的质量力：一个单位质量流体所受的重力，惯性力等。4.表示压力的几种方法绝对压力、相对压力、真空度第1页/共74页2第一章：绪论第一章：绪论5.静止流体的两个基本特性（也适用于理想流体）特性一：静压力垂直于作用面，且沿作用面的内法线方向。特性二：流体中任意一点的静压力大小与作用面的方向无关，它只是位置（x,y,z）的函数。第2页/共74页3第一章：绪论第一章：绪论第3页/共74页4第一章：绪论第一章：绪论第4页/共74页
2、5第二章：流体静力学第二章：流体静力学一内容总结1欧拉平衡微分方程2静止流体的基本方程式3.静止流体对平板的作用力及压力中心第5页/共74页6第二章：流体静力学第二章：流体静力学4静止流体对曲面的作用力，浮力第6页/共74页7第二章：流体静力学第二章：流体静力学第7页/共74页8第二章：流体静力学第二章：流体静力学10.图示为某驳船横剖面图右半分，ab为1/4圆弧，半径为1m,已知H=4m，求：单位船长abc曲面板上ab段上的总压力。c第8页/共74页9第二章：流体静力学第二章：流体静力学实际情况由于水平方向左右对称，x方向合力为零，只有铅直方向的压力即浮力。第9页/共74页10第三章：流体运
3、动学第三章：流体运动学一、内容总结描述流体运动的两种方法，即拉格朗日法和欧拉法。在流体力学中主要采用欧拉法。1研究流体运动的两种方法拉格郎日法、欧拉法2几个基本概念定常流动与非定常流动、均匀流动与非均匀流动迹线第10页/共74页11第三章：流体运动学第三章：流体运动学流线流线特性：1.流线形状随时间变化。2.定常流动时流线形状不随时间而变，且流线与迹线重合。3.流线不转折，它是光滑曲线。4.流线一般不相交。流管、流束、流量一元流动、二元流动、三元流动有旋运动、无旋运动层流流体、湍流流动3连续性方程式第11页/共74页12第三章：流体运动学第三章：流体运动学4流体微团的运动流体微团运动分三种形态
4、：平移流体象刚体一样平移。变形线变形即应变率，角变形即剪切应变率。旋转流体微团的对角线绕流体微团上某一轴旋转，由旋转角速度矢度量。计算式见教材（3-34）第12页/共74页13第三章：流体运动学第三章：流体运动学第13页/共74页14第三章：流体运动学第三章：流体运动学第14页/共74页15第四章：理想流体动力学第四章：理想流体动力学1欧拉运动微分方程式由微分体积法（微元体法）推导，方程的本质是牛顿第二定理。其矢量式为：在直角坐标系下，该方程有三个分量式，对于不可压缩流体共四个未知数，即三个速度和压力。求解时应补充连续性方程。才能使方程本身封闭。由于该方程为非线性偏微分方程，方程本身的性质决定
5、了目前只能在特殊情况下求解，例如接下来的拉格朗日积分，伯努利积分等。第15页/共74页16第四章：理想流体动力学第四章：理想流体动力学2拉格郎日积分式它是欧拉运动微分方程在特殊情况下的一个解，前提是：（1）理想不可压缩流体，（2）质量力有势（3）无旋运动。其中常数c在全流场任意点上不变。第16页/共74页17第四章：理想流体动力学第四章：理想流体动力学3.伯努利积分式伯努利积分式是欧拉运动微分方程的又一个特殊情况下的解，前提与拉格朗日积分有所不同：（1）理想不可压缩流体（2）质量力有势（3）定常流动（4）积分路径是沿流线的其中常数cl指沿一条流线不变。不同流线，常数cl取值不同。第17页/共7
6、4页18第四章：理想流体动力学第四章：理想流体动力学几何意义：方程的每一项具有长度的量纲，伯努利方程说明位置水头z，速度水头u2/2g，压力水头p/g三项之和（称为总水头）沿一条流线不变，或者说总水头在一条流线上沿流动方向不变。物理意义：方程的每一项为单位重量流体具有的能量，伯努利方程说明单位重量流体的位势能z，压力势能p/g，动能u2/2g三项之和沿一条流线不变（守恒）。三项之和称总能量，即单位重量流体的总机械能在一条流线上沿流动方向守恒。第18页/共74页19第四章：理想流体动力学第四章：理想流体动力学伯努利方程应用中应注意的问题：1）应满足伯努利方程推导中提出的条件，即理想，不可压缩，仅
7、有重力作用的流体做定常流动，2）常数沿一条流线不变，不同流线取值各异。3）针对一条流线上的1，2两点，方程可写为4）方程两边的压力p1,p 2可以是相对压力，也可以是绝对压力，但方程两边必须一致。第19页/共74页20第四章：理想流体动力学第四章：理想流体动力学5）方程两边的位置水头，是距坐标原点的高度，它是一参考值。这一坐标原点称为“基准面”，基准面的选取视解题的方便而定。6）伯努利方程中有六个量，即，z1,z2,p1,p2,u1,u2,通常z1,z2是给定的。流线上的1，2两点，其中一个点是未知量所在的点，另一点的选取，应选在z,p,v，已知处，例如自由表面上的一点，压力p=pa（大气压力
8、），或者是流动的出口处，压力为当地静压，或者是未扰动的无穷远前方处的压力，速度均为已知，由下列图4-1说明：第20页/共74页21第四章：理想流体动力学第四章：理想流体动力学第21页/共74页22第四章：理想流体动力学第四章：理想流体动力学7）从静止流体进入管道的流动，管道入口处的压力不等于周围静压。8）如果管路又分叉，应考虑连续性方程来约束。9）自由面上流体速度近似为零的前提是管道截面积比自由面的面积小的多。10）流体绕过物体的流动中，无穷远处（远离物体处）的压力，速度通常是已知。11）如果方程还不封闭，可与连续性方程联立求解，可减少未知数的个数。第22页/共74页23第四章：理想流体动力学
9、第四章：理想流体动力学12）伯努利方程的应用还有一个限制条件是仅在一个封闭系统内成立，即流动与外界没有热，功等交换，否则应修正方程或补充方程。例如在流线1，2两点之间有能量输入（如水泵等），这时应在方程左边加上水泵给单位重量流体输入的能量项。4.动量定理及动量矩定理第23页/共74页24第四章：理想流体动力学第四章：理想流体动力学如图，求射流的反作用力。不计粘性，流动定常孔，孔口面积A且比容器截面积小得多，自由液面与出口均为大气压力。解：由动量定理，水平方向的合力为：由伯努利方程有小车合力的方向为-R，即方向与射流方向相反。第24页/共74页25第五章：旋涡理论第五章：旋涡理论1旋涡运动的几个
10、基本概念第25页/共74页26第五章：旋涡理论第五章：旋涡理论2汤姆孙定理汤姆孙定理：d/dt=0即封闭沿流体周线的速度环量不随时间而变。前提：理想流体，正压流体（流体的密度仅为压力的函数），质量力有势。流体周线：始终由某些流体质点所组成的任意封曲线。结论：（a）流体周线内的流场初始无旋将始终无旋。（b）流体周线内的流场初始有旋将始终不会消失，即旋涡强度和速度环量保持不变。第26页/共74页27第五章：旋涡理论第五章：旋涡理论3.海姆霍兹定理定理一：同一瞬时，涡管各截面上的涡管强度不变。定理二：理想、正压流体，质量力有势，涡管永远由相同的流体质点所组成，又称涡管保持定理。定理三：理想、正压流体
11、，质量力有势，任何涡管的旋涡强度不随时间变化，又称涡管强度保持定理。第27页/共74页28第五章：旋涡理论第五章：旋涡理论4.毕奥沙伐尔定理不可压缩流场中任意一条涡线，旋涡强度为，其诱导速度场的计算公式：式中：r为空间点p到涡线的向径，为r与ds的夹角，ds为涡线的微分弧长。第28页/共74页29第五章：旋涡理论第五章：旋涡理论对于任意一条直线涡：对于无穷长直线涡：对于半无穷长直线涡：cos第29页/共74页30第五章：旋涡理论第五章：旋涡理论5兰金组合涡兰金组合涡：半径为R的无限长圆柱形涡，在R内，流体象刚一样能轴线旋转，角速度为。速度分布：第30页/共74页31第五章：旋涡理论第五章：旋涡
12、理论压力分布：第31页/共74页32第五章：旋涡理论第五章：旋涡理论兰金涡：铅直圆柱形涡，顶部为自由液面。压力分布：第32页/共74页33第六章：势流理论第六章：势流理论简单平面势流的表示式1)等速直线运动：等速V0平行x轴的平行流动速度势和流函数为：2)源和汇：源心在坐标原点时速度势和流函数在平面极坐标下：第33页/共74页34第六章：势流理论第六章：势流理论3)旋涡速度势和流函数在平面极坐标下为：4)偶极子速度势和流函数为：第34页/共74页35第六章：势流理论第六章：势流理论势流的迭加1)绕圆柱的无环绕流第35页/共74页36第六章：势流理论第六章：势流理论作用力 R=0 阻力D=X=0
13、 升力L=Y=0第36页/共74页37第六章：势流理论第六章：势流理论作用力 R=0 阻力D=X=0 升力L=Y=0第37页/共74页38第六章：势流理论第六章：势流理论作用力 R=0 阻力D=X=0 升力L=Y=0第38页/共74页39第六章：势流理论第六章：势流理论4库塔-儒可夫斯基定理任意形状柱体在理想不可压缩流体中作平面、无旋、无分离、有环流流动时，物体上只受升力作用，阻力为零。升力大小为：L=V0升力方向：顺来流方向逆环流再旋转90。由于在流动平面上，物体剖面上部和下部的流动不对称，从而压力不对称产生压力差，升力便是这一压力差；而在物体剖面前部和后部流动对称，从而压力对称，在x方向相
14、互抵消，故阻力为零。第39页/共74页40第七章第七章 波浪理论波浪理论一、内容小结1.基本参数水深h：平均水平面到底部的垂直距离。波振幅a：波峰或波谷到平均水平面的垂直高度。波高H：波振幅的2倍。波长L：两个相临波峰（或波谷）上对应位置间的距离。周期T：固定处重复出现波峰或波谷的时间间隔，或传播一个波长所需的时间。波速（相速度）C：波的传播速度。波数K：2 距离内波的数目。圆频率：2时间内振动的次数。第40页/共74页41第七章第七章 波浪理论波浪理论2.微振幅波的假设条件：理想、不可压缩流体，平面无旋运动，只受重力作用，波长波振幅3.二元微振幅表面波的基本特性自由面形状（波面方程）：波长：
15、L=2/k周期：T=2/频率：2=kg 波数：k=2/L波速：深水波 浅水波第41页/共74页42第七章第七章 波浪理论波浪理论3）流体质点运动轨迹深水波：流体质点作轨圆运动，中等水深波：流体质点运动轨迹为椭圆，浅水波：流体质点运动轨迹为椭圆。4）压力分布规律（1）当z=0时，服从静水压力分布规律。（2）当z=-h时，在波谷下，底部压力大于静水压力，在波峰下，底部压力小于静水压力。第42页/共74页43第七章第七章 波浪理论波浪理论4.波能以及能量的转移1）流体质点的总能量由动能和位能组成单位宽度流体所具有的位能：单位宽度流体所具有的动能：单位宽度流体所具有的总能量：单位宽度一个波长流体所具有
16、的总能量：第43页/共74页44第七章第七章 波浪理论波浪理论5.波群速6.波阻（兴波阻力）兴波阻力与波幅的平方成正比。第44页/共74页45第七章第七章 波浪理论波浪理论二、例题1.已知无限深水域中的表面波长为80m,求波速、波数、周期、圆频率。第45页/共74页46第八章第八章 粘性流体动力学基础粘性流体动力学基础1作用于粘性流体上的力：粘性流体的表面力：粘性流体的质量力：与理想流体类似如重力，惯性力等2粘性流体应力形式的运动微分方程第46页/共74页47第八章第八章 粘性流体动力学基础粘性流体动力学基础不可压缩流体的纳维-斯托克斯方程第47页/共74页48第九章第九章 相似理论相似理论1
17、.流动的力学相似1）几何相似：两流场中对应长度成同一比例。流场边界的几何相似：对于绕流问题，分为有界流场和无界流场，对于无界流场内边界为物体表面，外边界为无穷远，对于有界流场，应有外边界的几何相似。2）运动相似：两流场中对应点上速度成同一比例，方向相同。3）动力相似：两流场中对应点上各同名力同一比例，方向相同。在几何对应点上，所作用的同名力对应相似，这些作用力包括重力，惯性力，压力，粘性力等。第48页/共74页49第九章第九章 相似理论相似理论量纲：物理参数度量单位的类别称为量纲或因次。基本量纲：基本单位的量纲称为基本量纲，基本量纲是彼此独立的，例如用,LMT来表示长度，质量和时间等，基本量纲
18、的个数与流动问题中所包含的物理参数有关，对于不可压缩流体流动一般只需三个即,LMT（长度，质量和时间），其余物理量均可由基本量纲导出。导出量纲：导出单位的量纲称为导出量纲。量纲齐次性原理：一个具有物理意义的方程中各项的因次必须相同称量纲齐次性。有量纲的方程可以用无量纲形式表示。无量纲数：又称无因次数，例如压力系数第49页/共74页50第九章第九章 相似理论相似理论雷诺数Re弗劳德数Fr斯特劳哈尔数Sr欧拉数Eu第50页/共74页51第九章第九章 相似理论相似理论 量纲分析法指数法(因次分析法)和 定理。要求掌握课程中所涉及的物理量的量纲。第51页/共74页52第九章第九章 相似理论相似理论已知
19、实船长L=100m，Fr=0.4，船模速度U=1m/s，考虑兴波阻力实验下的船模长度和实船速度。解：由佛鲁德数相等第52页/共74页53第九章第九章 相似理论相似理论船模速度1m/s，船模兴波阻力mR=100N，若实船速度6m/s。求：实船与船模的尺寸之比。第53页/共74页54第九章第九章 相似理论相似理论缩尺比为1：64的船模，模型试验测得兴波阻力10N，求原船的兴波阻力。解：由兴波阻力系数相等：佛鲁德数相等第54页/共74页55第九章第九章 相似理论相似理论原船的兴波阻力第55页/共74页56第十章第十章 粘性流体动的一元流动粘性流体动的一元流动1粘性流体流动的两种流动状态1）层流流动：
20、流线为平稳的直线，流体质点互不掺混地做平行分层流动。2）湍流流动：流体质点做不规则运动，在空间存在剧烈掺混。3）过度状态：从层流流动状态到湍流流动状态，之间存在一个发展过程，这一过程称为过渡状态。4）临界雷诺数：当雷诺数大于某一值后，流动处于向湍流的过度状态或者到达湍流状态，工程上将这一雷诺数称为临界雷诺数。5）转捩：由层流向湍流的转变。判别标准：采用临界雷诺数作为判别标准，对于圆管内的流动，Re2300流动为湍流。第56页/共74页57第十章第十章 粘性流体动的一元流动粘性流体动的一元流动6）湍流的基本特征：不规则性，扩散性，耗散性。7）时均值：工程上采用对湍流场的流动参数对时间进行平均后得
21、出的值，例如时均速度，时均压力等。8）湍流度：用于湍流脉动大小的量。9）湍流切应力：第一项称为分子粘性应力，第二项称为湍流附加应力或为雷诺应力。在粘性底层中湍流附加应力项很小，分子粘性应力起主导作用，在固壁上为零。在湍流部分中，分子粘性应力可以忽略，湍流附加应力项起主导作用。第57页/共74页58第十章第十章 粘性流体动的一元流动粘性流体动的一元流动2.等截面圆管内的定常层流（泊肃叶流动）第58页/共74页59第十章第十章 粘性流体动的一元流动粘性流体动的一元流动第59页/共74页60第十章第十章 粘性流体动的一元流动粘性流体动的一元流动3等截面圆管内的定常湍流 第60页/共74页61第十章第
22、十章 粘性流体动的一元流动粘性流体动的一元流动4水头损失沿程水头损失：粘性流体流动与管壁的摩擦而产生。计算公式：层流、湍流均适用。局部水头损失：由于流道截面变化较大的位置，在壁面产生流动分离，形成旋涡，消耗流体的机械能。计算公式：局部阻力系数：一般有实验确定，不同流道形式其值不同。总水头损失的计算公式：第61页/共74页62第十章第十章 粘性流体动的一元流动粘性流体动的一元流动总水头损失的计算公式：第62页/共74页63第十一章第十一章 边界层理论边界层理论1 边界层概念边界层：高Re下绕物体的流动，物面上一薄层范围内粘性的影响显著，在这一薄层之外，流动可以用理想流体流动来处理。这一粘性影响显
23、著的薄层称为边界层，或称附面层。边界层：从物面开始，沿物面法线方向到99%来流速度处的距离。边界层厚度随Re增加而减小，从物体前缘沿流向逐渐增加。2.边界层内的流动状态边界层内的流动分为两种流态：沿流动方向可分为层流边界层和湍流边界层，层流与湍流之间有一过渡区。第63页/共74页64第十一章第十一章 边界层理论边界层理论转捩雷诺数：对光滑平板转捩点的位置：对光滑平板第64页/共74页65第十一章第十一章 边界层理论边界层理论3.边界层基本方程第65页/共74页66第十一章第十一章 边界层理论边界层理论7 平板边界层的计算平板边界层的计算，需先作判别，再选择适当的公式计算。第66页/共74页67
24、第十一章第十一章 边界层理论边界层理论第67页/共74页68第十一章第十一章 边界层理论边界层理论曲面边界层：边界层外边界上的速度沿程变化 U=U(x)边界层外边界上的压力沿程变化 p=p(x)从物体前缘沿物体表面坐标，前部存在顺压区ux/x 0,p/x0;后部存在逆压区ux/x0。边界层分离：边界层离开物体表面，不再附着在物面的现象。边界层分离的条件：存在逆压梯度和粘性效应的综合作用结果。分离点位置的确定（Prandtl流动分离判据）：第68页/共74页69第十一章第十一章 边界层理论边界层理论11.绕物体流动的阻力绕物体流动的总阻力分为：摩擦阻力和压差阻力（形状阻力）两部分。摩擦阻力：物体
25、表面摩擦切应力在来流方向投影的总和，是流体粘性的直接作用结果。形状阻力：物体表面的压力在来流方向投影的总和，由于粘性引起物体前、后压力不平衡所致，是流体粘性的间接作用结果。绕流线型物体流动，若不出现边界层分离，仍然存在形状阻力，只是比相同迎风面积的钝体绕流阻力小的多而已。阻力危机：由于Re的增加到一定数值时，转捩点前移到分离点之前，湍流边界层内的流体动能较大使分离点沿物面后移一段距离，尾流区变窄，从而阻力系数显著降低。第69页/共74页70第十一章第十一章 边界层理论边界层理论12.减小绕流物体的粘性阻力的方法a)尽可能将物体设计成流线型体，避免物面上出现尖点。b)进行边界层控制，控制边界层的
26、途径：减小摩擦阻力：尽可能使边界层稳定在层流状态，并控制边界层厚度及最大厚度位置。减小形状阻力：尽可能阻止和推迟边界层分离。第70页/共74页71第十一章第十一章 边界层理论边界层理论第71页/共74页72第十二章第十二章 机翼理论机翼理论1.无限翼展机翼（二元机翼）几何特性翼剖面的重要参数：弦长b，展长l，拱度f，相对拱度f/b，厚度t，相对厚度t/b，攻角，翼型面积S，展弦比等。根据工程应用的需要，机翼的平面形状多样。展弦比=l2/S对于矩形机翼S=lb,所以=l2/lb=l/b第72页/共74页73第十二章第十二章 机翼理论机翼理论机翼的攻角又分为：几何攻角：来流速度与弦线之间的夹角。零升力角0：当翼型的升力为零时所对应的攻角，即零升力线与弦线之间的夹角。在这一攻角附近，机翼的阻力最小。升力L：绕流物体上、下物面上流动的不对称,引起压力的不对称，在垂直于运动方向产生的压力差。阻力R：二元机翼的总阻力有摩擦阻力和形状阻力两部分组成。第73页/共74页74感谢您的观看！第74页/共74页