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1、工程流体第一章1 1第1页，共35页，编辑于2022年，星期日1、流体力学的概念、流体力学的概念：流流体体力力学学是是力力学学的的一一个个独独立立分分支支，是是一一门门研研究究流流体体的的平平衡衡和和运运动动规规律律及及其其实实际际应应用用的的技技术术科科学学。研研究究速度分布、压强分布、能量损失及作用力速度分布、压强分布、能量损失及作用力。水水利利工工程程、造造船船工工业业、航航空空工工业业、机机械械工工业业、冶冶金金工工业业、化化学学工工业业、石石油油工工业业、土土木木建建筑筑、航航海海、人人体体的的循循环环系统。系统。2、流体力学的广泛应用、流体力学的广泛应用：绪论绪论电力：水电、火电、
2、核电工作介质都是流体电力：水电、火电、核电工作介质都是流体2第2页，共35页，编辑于2022年，星期日航空航天、船舶与海洋航空航天、船舶与海洋applicationLiftV0G弧旋弧旋球球 船舶运船舶运动动地地效效翼翼艇艇 浮浮标标 海海洋洋平平台台 潜潜器器 3第3页，共35页，编辑于2022年，星期日机械与动力、生物运动机械与动力、生物运动application发发 动动机机 四四冲程冲程信信 天天 翁翁滑翔滑翔 Wind Turbine建建 筑筑 与与环境环境 4第4页，共35页，编辑于2022年，星期日3、流体力学的发展简史、流体力学的发展简史：流流体体力力学学的的萌萌芽芽，是是自自
3、距距今今约约22002200年年以以前前，西西西西里里岛岛的的希希腊腊学学者者阿阿基基米米德德写写的的“论论浮浮体体”一一文文开开始始的的。他他对对静静止时的液体力学性质作了第一次科学总结止时的液体力学性质作了第一次科学总结。流流体体力力学学的的主主要要发发展展是是从从牛牛顿顿时时代代开开始始的的，16871687年年牛牛顿顿在在名名著著自自然然哲哲学学的的数数学学原原理理中中讨讨论论了了流流体体的的阻阻力力、波波浪浪运运动动，等等内内容容，使使流流体体力力学学开开始始成成为为力力学学中的一个独立分支。中的一个独立分支。此后，流体力学的发展主要经历了三个阶段：此后，流体力学的发展主要经历了三个
4、阶段：5第5页，共35页，编辑于2022年，星期日1 1）伯努利伯努利所提出的液体运动的能量估计及所提出的液体运动的能量估计及欧拉欧拉所提出所提出的液体运动的解析方法，为研究液体运动的规律奠定了的液体运动的解析方法，为研究液体运动的规律奠定了理论基础，在此基础上形成了一门属于数学的古典理论基础，在此基础上形成了一门属于数学的古典“水水动力学动力学”（或古典（或古典“流体力学流体力学”）。）。2 2）在古典）在古典“水动力学水动力学”的基础上纳维和斯托克思提出了的基础上纳维和斯托克思提出了著名的实际粘性流体的基本运动方程著名的实际粘性流体的基本运动方程N-SN-S方程。方程。从从而为流体力学的长
5、远发展奠定了理论基础。但由于其所而为流体力学的长远发展奠定了理论基础。但由于其所用数学的复杂性和理想流体模型的局限性，不能满意地用数学的复杂性和理想流体模型的局限性，不能满意地解决工程问题，故形成了以实验方法来制定经验公式的解决工程问题，故形成了以实验方法来制定经验公式的“实验流体力学实验流体力学”，但由于有些经验公式缺乏理论基础，但由于有些经验公式缺乏理论基础，使其应用范围狭窄，且无法继续发展使其应用范围狭窄，且无法继续发展6第6页，共35页，编辑于2022年，星期日3 3）从从1919世世纪纪末末起起，人人们们将将理理论论分分析析方方法法和和实实验验分分析析方方法法相相结结合合，以以解解决
6、决实实际际问问题题，同同时时古古典典流流体体力力学学和和实实验验流流体体力力学学的的内内容容也也不不断断更更新新变变化化，如如提提出出了了相相似似理理论论和和量量纲纲分分析析，边边界界层层理理论论和和紊紊流流理理论论等等，在在此此基基础础上上，最最终终形形成成了了理理论论与与实实践践并并重重的的研研究究实实际际流流体体模模型型的的现现代代流流体体力力学学。在在2020世世纪纪6060年年代代以以后后，由由于于计计算算机机的的发发展展与与普普及及，流流体体力力学学的的应应用用更更是是日日益益广广泛。泛。其它重要科学家有：其它重要科学家有：李冰李冰、达达芬奇芬奇 流体力学最新进展：流体力学最新进展
7、：电磁流体力学、两相流体力学、电磁流体力学、两相流体力学、超音速空气动力学、高超音速空气动力学超音速空气动力学、高超音速空气动力学7第7页，共35页，编辑于2022年，星期日4、我国水利事业的历史：、我国水利事业的历史：4000 4000多年前的多年前的“大禹治水大禹治水”的故事的故事顺水之性，治水须引导顺水之性，治水须引导和疏通和疏通 秦朝在公元前秦朝在公元前256256前前210210年修建了我国历史上的三大水利工程年修建了我国历史上的三大水利工程（都江堰都江堰、郑国渠、灵渠）、郑国渠、灵渠）-明渠水流和堰流明渠水流和堰流古代的计时工具古代的计时工具“铜壶滴漏铜壶滴漏”孔口出流孔口出流 清
8、朝雍正年间，何梦瑶在算迪一书中提出流量等于过清朝雍正年间，何梦瑶在算迪一书中提出流量等于过水断面面积乘以断面平均流速的计算方法。水断面面积乘以断面平均流速的计算方法。隋朝（公元隋朝（公元587610587610年）完成的南北大运河年）完成的南北大运河隋朝工匠李春在冀中蛟河修建（公元隋朝工匠李春在冀中蛟河修建（公元605617605617年）的赵州年）的赵州石拱桥石拱桥拱背的拱背的4 4个小拱，既减压主拱的负载，又可宣泄个小拱，既减压主拱的负载，又可宣泄洪水。洪水。8第8页，共35页，编辑于2022年，星期日Key towards Learning数学模型数学模型数学模型数学模型的的的的 建建建
9、建 立立立立物理问题物理问题物理问题物理问题的的的的 提提提提 出出出出数学问题数学问题数学问题数学问题的的的的 求求求求 解解解解算例与应用算例与应用算例与应用算例与应用公式的讨论公式的讨论公式的讨论公式的讨论formulationsolutiondiscussionapplicationEngineeringproject9第9页，共35页，编辑于2022年，星期日5、学习流体力学所需基础知识、学习流体力学所需基础知识：流流体体力力学学在在研研究究流流体体平平衡衡和和机机械械运运动动规规律律时时，要要应应用用物物理理学学及及理理论论力力学学中中有有关关物物理理平平衡衡及及运运动动规规律律的
10、的原原理理，如如力力系系平平衡衡定定理理、动动量量定定理理、动动能能定定理理，等等等等。所所以以物物理理学学和和理理论论力力学学的的知知识识是是学学习习流流体体力学课程必要的基础。高等数学中力学课程必要的基础。高等数学中场论场论也是必须的基础。也是必须的基础。6、学习流体力学难点与对策、学习流体力学难点与对策：1 1）新概念多、抽象、不易理解）新概念多、抽象、不易理解主要概念汇总，多媒体辅助教学，结合实验观察分析主要概念汇总，多媒体辅助教学，结合实验观察分析 2 2）推演繁难）推演繁难 分析各种推导要领，掌握通用的推导方法，如控制体法，理分析各种推导要领，掌握通用的推导方法，如控制体法，理解思
11、路，不要求对各个过程死记硬背解思路，不要求对各个过程死记硬背 3 3）偏微分方程（组）名目繁多。）偏微分方程（组）名目繁多。仅要求部分掌握。重在理解物理意义，适用范围、条件，主仅要求部分掌握。重在理解物理意义，适用范围、条件，主要求解方法。如对要求解方法。如对N-S N-S 方程，仅要求了解而已方程，仅要求了解而已10第10页，共35页，编辑于2022年，星期日FluidMechanicswithEngineeringApplicationsR.L.Daugherty,J.B.FranziniandE.J.Finnemore.8thEdition.NewYork:McGraw-HillBk.C
12、o.流体力学 鲁仲奇鲁仲奇 主编主编 高等教育出版社高等教育出版社流体力学 江宏俊江宏俊 等编等编 高等教育出版社高等教育出版社FluidMechanicsV.L.StreeterandE.B.Wylie.9thEdition.McGraw-HillBk.Co.参考书参考书：1111第11页，共35页，编辑于2022年，星期日考核方法、学习要求、答疑考核方法、学习要求、答疑考核方法：考核方法：1.平时考勤、作业成绩占平时考勤、作业成绩占20；2.期末考试占期末考试占80。学习要求：学习要求：1.重重点点掌掌握握：基基础础流流体体力力学学的的基基本本概概念念、基基本本方方程程、基本应用基本应用2
13、.按按时时、独独立立、认认真真完完成成作作业业。作作业业要要求求画画图图，代代入入数据。数据。答疑：答疑：1.随时、随地欢迎同学们交流；随时、随地欢迎同学们交流；2.主楼主楼F613热工教研室；热工教研室；3.Tel:61772472(O)4.Email:12第12页，共35页，编辑于2022年，星期日主要内容主要内容：第一章第一章 流体及其物理性质流体及其物理性质 （1）流体力学的研究内容、流体的力学定义）流体力学的研究内容、流体的力学定义（2）流流体体的的连连续续介介质质模模型型、不不可可压压缩缩模模型型、理理想想流流体模型体模型（3）流体的压缩性、膨胀性、粘性）流体的压缩性、膨胀性、粘性
14、（4）作用在流体上的力：表面力、质量力）作用在流体上的力：表面力、质量力13第13页，共35页，编辑于2022年，星期日1、定义和特征、定义和特征：力学定义力学定义：受任何微小剪切力都能连续变形的物质受任何微小剪切力都能连续变形的物质。流流体体只只能能承承受受压压力力、但但不不能承受拉力与抵抗拉伸变形。能承受拉力与抵抗拉伸变形。1-11-1 流体的定义、特征和连续流体的定义、特征和连续介质假设介质假设14第14页，共35页，编辑于2022年，星期日 按按集态分类集态分类：液体和气体液体和气体 液体和气体区别：压缩性大小、体积有无液体和气体区别：压缩性大小、体积有无 特征特征：流动性流动性 自由
15、表面自由表面(Free Surface):(Free Surface):气体和液体的交界面气体和液体的交界面2、连续介质模型、连续介质模型：微微观观看看，流流体体由由分分子子组组成成，分分子子间间存存在在间间隙隙，流流体并不连续分布；但只研究流体的体并不连续分布；但只研究流体的宏观机械运动宏观机械运动 流体微团流体微团（流体质点）（流体质点）作为最小研究对象：作为最小研究对象：（1 1）宏观上无限小）宏观上无限小（2 2）微观上足够大）微观上足够大 如在标准状况下，如在标准状况下，1mm1mm3 3液体中含有液体中含有3.4103.4101919个左右的个左右的分子，分子，1mm1mm3 3气
16、体中含有气体中含有2.7102.7101616个左右的分子，相邻分个左右的分子，相邻分子间的距离约为子间的距离约为3.2103.210-7-7cm cm 15第15页，共35页，编辑于2022年，星期日 连连续续介介质质（continuum/continuous continuum/continuous mediummedium）：流流体体质点连续地充满所占空间质点连续地充满所占空间（3 3）有确定物理量）有确定物理量 连连 续续 介介 质质 假假 设设(continuum/continuous continuum/continuous medium medium model)model)：把
17、把流流体体视视为为没没有有间间隙隙地地充充满满所所占占据据的的整整个个空空间间的的一一种种连连续续介介质质，且且其其所所有有的的物物理理量量都都是是空空间间坐坐标标和和时时间的连续函数的一种假设模型：间的连续函数的一种假设模型：f=f(t,x,y,z)。特特例例：分分子子的的自自由由行行程程和和所所涉涉及及的的最最小小有有效效尺尺寸寸可可以以相相比比拟拟时时，如如火火箭箭在在高高空空非非常常稀稀薄薄的的空空气气中中以以及及高真空技术高真空技术16第16页，共35页，编辑于2022年，星期日1、密度、密度(Density)定义：单位体积流体所具有的质量定义：单位体积流体所具有的质量1-21-2
18、密度密度如流体体积如流体体积 V0，流体的质量流体的质量 m，则在该点，则在该点如流体是如流体是均匀的流体均匀的流体，则流体的密度为，则流体的密度为常用流体密度：一般取常用流体密度：一般取水的密度为水的密度为1000kg/m3，水银的密度为水银的密度为13600kg/m3，空气为，空气为1.293kg/m317第17页，共35页，编辑于2022年，星期日2、相对密度（比重）、相对密度（比重）定义：流体的密度和定义：流体的密度和4时水的密度的比值时水的密度的比值3、流体的比容（比体积）、流体的比容（比体积）4、混合气体的密度、混合气体的密度各组分气体的密度各组分气体的密度各组分气体的体积百分含量
19、各组分气体的体积百分含量18第18页，共35页，编辑于2022年，星期日1、压缩性（、压缩性（compressibility）一定温度下、压强增加体积缩小的性质一定温度下、压强增加体积缩小的性质压缩系数（压缩系数（coefficientofvolumecompressibility）k k：单位压强增大体积的相对减小值单位压强增大体积的相对减小值体积模量（体积模量（bulkmodulusofelasticity）K：压缩系数的倒数压缩系数的倒数1-31-3 压缩性和膨胀性压缩性和膨胀性K和流体和流体种类、种类、t、p有关，工程中水近似取有关，工程中水近似取K=2.0GPa19第19页，共35页
20、，编辑于2022年，星期日2、膨胀性（、膨胀性（Expansibility）一定压强下、温度升高体积增大的性质一定压强下、温度升高体积增大的性质体胀系数体胀系数压强不变，单位温度增大流体体积的压强不变，单位温度增大流体体积的相对增加值相对增加值20第20页，共35页，编辑于2022年，星期日3、可压缩流体和不可压缩流体（、可压缩流体和不可压缩流体（compressiblefluid&incompressiblefluid）工程实际中是否考虑流体压缩性，视具体情况：工程实际中是否考虑流体压缩性，视具体情况：不可压缩流体模型不可压缩流体模型：通常情况下液体通常情况下液体可压缩流体可压缩流体：水击现
21、象水击现象（常数）（常数）如空气流速小于如空气流速小于102m/s，烟道，烟道流速不高、压强变化小气体流速不高、压强变化小气体产生激波（冲击波）产生激波（冲击波）吸收大量热量的气体，如爆炸吸收大量热量的气体，如爆炸高速运动的气体高速运动的气体，如音速附近，如音速附近21第21页，共35页，编辑于2022年，星期日例例 使水的体积减小使水的体积减小0.1%0.1%及及1%1%时，应增大压强各为多少？时，应增大压强各为多少？（K K=2000MPa=2000MPa）dV/V=-0.1%p=-2000106（-0.1%）=2106Pa=2.0MPadV/V=-1%p=-2000106（-1%）=20
22、MPa22第22页，共35页，编辑于2022年，星期日1、粘性（、粘性（Viscosity）在运动的状态下，流体所产生的抵抗剪切变形的性质在运动的状态下，流体所产生的抵抗剪切变形的性质粘性流体内粘性流体内摩擦实验摩擦实验1-41-4 粘性粘性粘性流体内摩擦实验示意粘性流体内摩擦实验示意m m动力粘度，简称粘度。与流体的种类、动力粘度，简称粘度。与流体的种类、t和和p有关。有关。单位为单位为Pas录象录象1、录象录象223第23页，共35页，编辑于2022年，星期日2、牛顿内摩擦定律、牛顿内摩擦定律单位面积上切向阻力，即单位面积上切向阻力，即切向应力切向应力 推广到薄层，得推广到薄层，得运动流体
23、所产生的切向应力与速度梯度成正比，运动流体所产生的切向应力与速度梯度成正比，其比例系数为流体的动力粘度，适用于任意速度变其比例系数为流体的动力粘度，适用于任意速度变化情况化情况速度梯度也表示流体微团角变形速度的大小速度梯度也表示流体微团角变形速度的大小24第24页，共35页，编辑于2022年，星期日3、粘度、粘度（1）动力粘度）动力粘度m m：又称绝对粘度、动力粘性系数、粘又称绝对粘度、动力粘性系数、粘度，反映流体粘性大小，单位：度，反映流体粘性大小，单位：Ns/m2,Pas。（2）影响粘度的因素）影响粘度的因素：和种类、：和种类、t和和p有关有关1）种类）种类。一般，相同条件下，液体一般，相
24、同条件下，液体m m大于气体大于气体m m。2 2）p。对常见的流体，如水、气体等，。对常见的流体，如水、气体等，一般可忽略一般可忽略不计不计。25第25页，共35页，编辑于2022年，星期日3）t。是影响粘度的主要因素。是影响粘度的主要因素。t升高，液体升高，液体m m减小，减小，气体气体m m增加增加原因：原因：a.液体液体：分子间吸引力是产生分子间吸引力是产生m m的主要因素的主要因素，当温度升高，分子间距离增大，吸引力减小，所以当温度升高，分子间距离增大，吸引力减小，所以m m值值减小。减小。（3）运动粘度）运动粘度：又称相对粘度、运动粘性系数又称相对粘度、运动粘性系数。b.气体气体：
25、气体分子间距离大，：气体分子间距离大，m m主要是由气体分主要是由气体分子运动动量交换的结果子运动动量交换的结果所引起的。温度升高，分子运所引起的。温度升高，分子运动加快，动量交换频繁，所以动加快，动量交换频繁，所以m m值增加。值增加。26第26页，共35页，编辑于2022年，星期日27第27页，共35页，编辑于2022年，星期日28第28页，共35页，编辑于2022年，星期日非牛顿流体（非牛顿流体（non-newtonianfluids）：不符合上述：不符合上述条件的均称为非牛顿流体。条件的均称为非牛顿流体。牛顿流体（牛顿流体（newtonianfluids）：是指任一点上的切应：是指任一
26、点上的切应力都同速度梯度呈线性函数关系的流体，即力都同速度梯度呈线性函数关系的流体，即遵循牛顿内遵循牛顿内摩擦定律的流体摩擦定律的流体。4、牛顿流体和非牛顿流体、牛顿流体和非牛顿流体牛顿流体：水、空气、汽油、牛顿流体：水、空气、汽油、煤油、苯、乙醇煤油、苯、乙醇拟塑性流体：纸浆拟塑性流体：纸浆膨胀性流体：油漆、油墨膨胀性流体：油漆、油墨理想塑性流体：牙膏理想塑性流体：牙膏29第29页，共35页，编辑于2022年，星期日5、粘性流体和理想流体、粘性流体和理想流体粘性流体（实际流体、粘性流体（实际流体、realfluid、viscousfluid）：理想流体模型（理想流体模型（idealfluid
27、）：完全气体（完全气体（perfectgas）：引入理想流体的意义：引入理想流体的意义：1）在）在粘性表现不出来的场合粘性表现不出来的场合，完全可以当作理想流体，完全可以当作理想流体2）粘性不起主要作用场合粘性不起主要作用场合，先不计粘性影响，后考，先不计粘性影响，后考虑根据试验虑根据试验做必要的修正做必要的修正3）粘性）粘性起主要作用场合起主要作用场合，先研究理想流体先研究理想流体流动，流动，再再研究粘性流体研究粘性流体的流动的流动30第30页，共35页，编辑于2022年，星期日1、表面力（、表面力（surfaceforce）毗邻流体或其它物体毗邻流体或其它物体作用在作用在隔离体表面上隔离体
28、表面上的直接施加的接触力的直接施加的接触力表面力按作用方向可分为：表面力按作用方向可分为：法向力法向力：垂直于作用面：垂直于作用面P切向力切向力：平行于作用面：平行于作用面T应力应力：单位表面积上的表面力单位：单位表面积上的表面力单位：法向应力法向应力p：切向应力切向应力：或或Pa1-5 1-5 作用在流体上的力作用在流体上的力31第31页，共35页，编辑于2022年，星期日2、质量力（、质量力（massforce）是指是指作用于隔离体内每一流体质点上的力，它作用于隔离体内每一流体质点上的力，它的大小与质量成正比的大小与质量成正比，在均匀流体中，质量力与流体，在均匀流体中，质量力与流体体积成正
29、比，又称体积成正比，又称体积力体积力。单位为。单位为N单位质量力单位质量力：单位质量流体所受到的质量力，单位：单位质量流体所受到的质量力，单位：m/s2，与加速度单位一致，与加速度单位一致质量力表示：直角坐标系质量力表示：直角坐标系最常见的质量力有：最常见的质量力有：重力、惯性力重力、惯性力32第32页，共35页，编辑于2022年，星期日第一章小结第一章小结重点掌握以下内容：重点掌握以下内容：（1）流体力学研究内容，流体的力学定义）流体力学研究内容，流体的力学定义（2）流流体体的的连连续续介介质质模模型型、不不可可压压缩缩模模型型、理理想想流体模型流体模型（3）流体的压缩性、膨胀性、粘性）流体
30、的压缩性、膨胀性、粘性作业作业作业作业：2-42-4、2-2-1212（4）作用在流体上的力：表面力、质量力）作用在流体上的力：表面力、质量力33第33页，共35页，编辑于2022年，星期日思考题思考题1.1.为什么水通常被视为不可压缩流体？为什么水通常被视为不可压缩流体？2.2.自来水水龙头突然开启或关闭时，水是自来水水龙头突然开启或关闭时，水是否为不可压缩流体？为什么否为不可压缩流体？为什么?3 3.理想流体有无能量损失？为什么？理想流体有无能量损失？为什么？4.4.流体的粘度与哪些因素有关？它们随温度如流体的粘度与哪些因素有关？它们随温度如何变化？何变化？34第34页，共35页，编辑于2
31、022年，星期日4、流体力学的主要事件、流体力学的主要事件：1738 1738年瑞士数学家：伯努利流体动力学伯努利方程。年瑞士数学家：伯努利流体动力学伯努利方程。2020世纪世纪6060年代以后，计算流体力学得到了迅速的发展。年代以后，计算流体力学得到了迅速的发展。19041904年普朗特提出了边界层理论。年普朗特提出了边界层理论。1919世纪末，相似理论提出，实验和理论分析相结合。世纪末，相似理论提出，实验和理论分析相结合。18581858年亥姆霍兹指出理想流体中旋涡的许多基本性质及旋涡运动理年亥姆霍兹指出理想流体中旋涡的许多基本性质及旋涡运动理论，并于论，并于18871887年提出了脱体绕流理论年提出了脱体绕流理论。18761876年雷诺发现了流体流动的两种流态：层流和紊流。年雷诺发现了流体流动的两种流态：层流和紊流。17551755年欧拉流体运动的一般原理中提出理想流体概念，理想年欧拉流体运动的一般原理中提出理想流体概念，理想流体基本方程和连续方程，提出流体运动的解析方法。流体基本方程和连续方程，提出流体运动的解析方法。18261826年法国工程师纳维，年法国工程师纳维，18451845年英国数学家、物理学家斯托年英国数学家、物理学家斯托克思提出了著名的克思提出了著名的N-SN-S方程。方程。35第35页，共35页，编辑于2022年，星期日