流體力學(xué)及其應(yīng)用.ppt

CompanyLogo Contents 流體力學(xué)的概念 1 流體力學(xué)的理論基礎(chǔ) 2 流體力學(xué)的發(fā)展與典例 3 流體力學(xué)的研究展望 4 CompanyLogo 流體力學(xué)的概述 理論流體力學(xué)的基本方程是納維 斯托克斯方程 簡稱N S方程 納維 斯托克斯方程由一些微分方程組成 通常只有通過一些邊界條件或者通過數(shù)值計算的方式才可以求解 它包含速度v u v w 壓強(qiáng) 密度 粘度溫度等變量 而這些都是位置 x y z 和時間t的函數(shù) 通過質(zhì)量守恒 能量守恒和動量守恒 以及熱力學(xué)方程f P T 和介質(zhì)的材料性質(zhì)我們可以確定這些變量 CompanyLogo 流體的流動曲線 CompanyLogo 流體力學(xué)中研究得最多的流體是水和空氣 它的主要基礎(chǔ)是牛頓運(yùn)動定律和質(zhì)量守恒定律 常常還要用到熱力學(xué)知識 有時還用到宏觀電動力學(xué)的基本定律 本構(gòu)方程和高等數(shù)學(xué) 物理學(xué) 化學(xué)的基礎(chǔ)知識 1738年伯努利出版他的專著時 首先采用了水動力學(xué)這個名詞并作為書名 1880年前后出現(xiàn)了空氣動力學(xué)這個名詞 1935年以后 人們概括了這兩方面的知識 建立了統(tǒng)一的體系 統(tǒng)稱為流體力學(xué) CompanyLogo 流體力學(xué)的應(yīng)用領(lǐng)域 除水和空氣以外 流體還指作為汽輪機(jī)工作介質(zhì)的水蒸氣 潤滑油 地下石油 含泥沙的江水 血液 超高壓作用下的金屬和燃燒后產(chǎn)生成分復(fù)雜的氣體 高溫條件下的等離子體等等 氣象 水利的研究 船舶 飛行器 葉輪機(jī)械和核電站的設(shè)計及其運(yùn)行 可燃?xì)怏w或炸藥的爆炸 汽車制造 聯(lián)眾集群 以及天體物理的若干問題等等 都廣泛地用到流體力學(xué)知識 許多現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)所關(guān)心的問題既受流體力學(xué)的指導(dǎo) 同時也促進(jìn)了它不斷地發(fā)展 1950年后 電子計算機(jī)的發(fā)展又給予流體力學(xué)以極大的推動 CompanyLogo 流體力學(xué)的概念 按照研究對象的運(yùn)動方式分為流體靜力學(xué)和流體動力學(xué) 還可按應(yīng)用范圍分為水力學(xué) 空氣動力學(xué)等等 流體力學(xué) 是研究流體 液體和氣體 的力學(xué)運(yùn)動規(guī)律及其應(yīng)用的學(xué)科 主要研究在各種力的作用下 流體本身的狀態(tài) 以及流體和固體壁面 流體和流體間 流體與其他運(yùn)動形態(tài)之間的相互作用的力學(xué)分支 CompanyLogo 流體力學(xué)的理論基礎(chǔ) 19世紀(jì)科學(xué)家部分地運(yùn)用流體力學(xué) 部分地采用歸納實(shí)驗(yàn)結(jié)果的半經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行研究 這就形成了水力學(xué)1822年 納維建立了粘性流體的基本運(yùn)動方程 1845年 斯托克斯納維 斯托克斯方程 簡稱N S方程 它是流體動力學(xué)的理論基礎(chǔ) 上面說到的歐拉方程正是N S方程在粘度為零時的特例普朗特學(xué)派從1904年到1921年逐步將N S方程作了簡化 從推理 數(shù)學(xué)論證和實(shí)驗(yàn)測量等各個角度 建立了邊界層理論 能實(shí)際計算簡單情形下 邊界層內(nèi)流動狀態(tài)和流體同固體間的粘性力 CompanyLogo 流體力學(xué)的發(fā)展與典例 20世紀(jì)初 飛機(jī)的出現(xiàn)極大地促進(jìn)了空氣動力學(xué)的發(fā)展 航空事業(yè)的發(fā)展 期望能夠揭示飛行器周圍的壓力分布 飛行器的受力狀況和阻力等問題 這就促進(jìn)了流體力學(xué)在實(shí)驗(yàn)和理論分析方面的發(fā)展 20世紀(jì)初 以儒科夫斯基 恰普雷金 普朗特等為代表的科學(xué)家 開創(chuàng)了以無粘不可壓縮流體位勢流理論為基礎(chǔ)的機(jī)翼理論 闡明了機(jī)翼怎樣會受到舉力 從而空氣能把很重的飛機(jī)托上天空 機(jī)翼理論的正確性 使人們重新認(rèn)識無粘流體的理論 肯定了它指導(dǎo)工程設(shè)計的重大意義 CompanyLogo 流過機(jī)翼的氣流與河床中的流水類似 由于機(jī)翼一般是不對稱的 上表面比較凸 而下表面比較平 流過機(jī)翼上表面的氣流就類似于較窄地方的流水 流速較快 而流過機(jī)翼下表面的氣流正好相反 類似于較寬地方的流水 流速較上表面的氣流慢 根據(jù)流體力學(xué)的 CompanyLogo 基本原理 流動慢的大氣壓強(qiáng)較大 而流動快的大氣壓強(qiáng)較小 這樣機(jī)翼下表面的壓強(qiáng)就比上表面的壓強(qiáng)高 換一句話說 就是大氣施加與機(jī)翼下表面的壓力 方向向上 比施加于機(jī)翼上表面的壓力 方向向下 大 二者的壓力差便形成了飛機(jī)的升力 簡單來說 飛機(jī)向前飛行得越快 機(jī)翼產(chǎn)生的氣動升力也就越大 當(dāng)升力大于重力時 飛機(jī)就可以向上爬升 當(dāng)升力小于重力時 飛機(jī)就可以降低高度 CompanyLogo 流體力學(xué)的研究展望 從阿基米德到二十一世紀(jì) 特別是從20世紀(jì)以來 流體力學(xué)已發(fā)展成為基礎(chǔ)科學(xué)體系的一部分 同時又在工業(yè) 農(nóng)業(yè) 交通運(yùn)輸 天文學(xué) 地學(xué) 生物學(xué) 醫(yī)學(xué)等方面得到廣泛應(yīng)用 今后 人們一方面將根據(jù)工程技術(shù)方面的需要進(jìn)行流體力學(xué)應(yīng)用性的研究 另一方面將更深入地開展基礎(chǔ)研究以探求流體的復(fù)雜流動規(guī)律和機(jī)理 后一方面主要包括 通過湍流的