工程流體力學(xué)第一章應(yīng)用技術(shù)ppt課件

1、2021-11-21工程流膂力學(xué)工程流膂力學(xué)艾輝林艾輝林上海運(yùn)用技術(shù)學(xué)院上海運(yùn)用技術(shù)學(xué)院：8180595581805955：mud2003126mud2003126:16574955:16574955汽車阻力:1觀念的變化：空氣對前部的撞擊汽車尾流；2摩擦阻力和壓差阻力：幾個概念和問題3外形的變化：阻力系數(shù)越來越小 省油。幾個概念和問題 早期汽車后部是峻峭的(箱型車)，阻力系數(shù)約0.8。 用流膂力學(xué)原理不斷進(jìn)展改良。Cd=0.45Cd=0.3 用流膂力學(xué)原理不斷進(jìn)展改良。Cd=0.2Cd=0.流膂力學(xué)也是眾多運(yùn)用科學(xué)和工程技術(shù)的根底。由于空氣動力學(xué)的開展，人類研制出23倍聲速的戰(zhàn)斗機(jī)。F-22

2、流膂力學(xué)也是眾多運(yùn)用科學(xué)和工程技術(shù)的根底。由于空氣動力學(xué)的開展，人類研制出2-3倍聲速的戰(zhàn)斗機(jī)。陣風(fēng)使分量超越3百噸，面積達(dá)半個足球場的大型民航客機(jī)，靠空氣的支托象鳥一樣飛行成為能夠，發(fā)明了人類技術(shù)史上的奇觀。利用超高速氣體動力學(xué)，物理化學(xué)流膂力學(xué)和稀薄氣膂力學(xué)的研討成果，人類制造出航天飛機(jī)，建立太空站，實(shí)現(xiàn)了人類登月的夢想。排水量達(dá)50萬噸以上的超大型運(yùn)輸船；航速達(dá)30節(jié)，深潛達(dá)數(shù)百米的核動力潛艇；時速達(dá)200公里的新型地效艇等，它們的設(shè)計(jì)都建立在水動力學(xué)，船舶流膂力學(xué)的根底之上。開展更快更平安更溫馨的交通工具；新能源利用用翼柵及高溫，化學(xué)，多相流動實(shí)際設(shè)計(jì)制呵斥功大型氣輪機(jī)，水輪機(jī)，渦噴發(fā)

3、動機(jī)等動力機(jī)械，為人類提供單機(jī)達(dá)百萬千瓦的強(qiáng)大動力。汽輪機(jī)葉片用翼柵及高溫，化學(xué)，多相流動實(shí)際設(shè)計(jì)制呵斥功大型氣輪機(jī)，水輪機(jī)，渦噴發(fā)動機(jī)等動力機(jī)械，為人類提供單機(jī)達(dá)百萬千瓦的強(qiáng)大動力。水輪機(jī)大型水利樞紐工程，超高層建筑，大跨度橋梁等的設(shè)計(jì)和建造離不開水力學(xué)和風(fēng)工程。大型水利樞紐工程，超高層建筑，大跨度橋梁等的設(shè)計(jì)和建造離不開水力學(xué)和風(fēng)工程。楊浦大橋大型水利樞紐工程，超高層建筑，大跨度橋梁等的設(shè)計(jì)和建造離不開水力學(xué)和風(fēng)工程。21世紀(jì)人類面臨許多艱苦問題的處理，需求流膂力學(xué)的進(jìn)一步開展，它們涉及人類的生存和生活質(zhì)量的提高。全球氣候預(yù)告；衛(wèi)星云圖災(zāi)禍預(yù)告與控制流膂力學(xué)需求與其他學(xué)科交叉，如工程學(xué)，地

4、學(xué)，天文學(xué)，物理學(xué)，資料科學(xué)，生命科學(xué)等，在學(xué)科交叉中開辟新領(lǐng)域，建立新實(shí)際，發(fā)明新方法。毛細(xì)血管流動1 流膂力學(xué)：力學(xué)的一個分支。2 人類:700萬年;流膂力學(xué)開展史:僅2000多年 1早期：農(nóng)田灌溉、航運(yùn) 2今天：已運(yùn)用于環(huán)保、土木、供暖通風(fēng)、化工、機(jī)械、動力、能源、水利、氣候、航空、醫(yī)學(xué)、生物，是現(xiàn)代工業(yè)的一門根底學(xué)科。3 課程教學(xué)目的：引見根本景象、概念、規(guī)律。工 程 流 體 力 學(xué)一 緒 論1.1 根本概念1流體： 廣義：可以流動的物質(zhì)就叫流體， 狹義：氣體和液體，密度和可緊縮性的差別 力學(xué)：微小的剪切力 延續(xù)變形 流動2流膂力學(xué)： 分類：靜力學(xué)和動力學(xué)一 緒 論3研討方法： 空氣：

5、看不見摸不著 水：無色無味 流動形狀變化太快 只能借助手段來進(jìn)展研討： 現(xiàn)場觀測、實(shí)驗(yàn)室模擬、實(shí)際分析、數(shù)值計(jì)算 肉眼難以察看肉眼難以察看 肉眼無法識別肉眼無法識別研討方法：實(shí)際分析 根據(jù)工程實(shí)踐中流動景象的特點(diǎn)，建立流體運(yùn)動的方程及邊境條件，運(yùn)用數(shù)學(xué)工具準(zhǔn)確地或近似地求出方程的解。實(shí)驗(yàn)研討 根據(jù)?；瘜?shí)際對所研討的流動進(jìn)展模擬，經(jīng)過察看和丈量，獲得所需結(jié)果，可直接處理工程中復(fù)雜的問題，并能發(fā)現(xiàn)新的流動景象。 數(shù)值計(jì)算 將流膂力學(xué)方程和邊境條件采用適當(dāng)?shù)姆椒x散化，然后選取適當(dāng)?shù)挠?jì)算方法，用計(jì)算機(jī)求解。開展簡史：是從力學(xué)分枝而出的一門古老學(xué)科。運(yùn)用：動力方面、機(jī)械方面、運(yùn)輸行業(yè)、日常生活等等 4

6、主要義務(wù)：研討流體在靜止和運(yùn)動過程中所遵照的根本規(guī)律以及流體與流體、流體與固體之間在靜止和運(yùn)動時相互之間作用力的計(jì)算。o當(dāng)飛行器以某一速度在靜止空氣中運(yùn)動時，飛行器與空氣的相對運(yùn)動規(guī)律和相互作用力，與飛行器固定不動而讓空氣以同樣大小和相反方向的速度流過飛行器的情況是等效的。相對性原理o可以將飛行器模型固定不動，人工制造直勻氣流風(fēng)洞流過物體，以便察看流動景象，丈量模型遭到的力，進(jìn)展實(shí)驗(yàn)空氣動力學(xué)研討。風(fēng)洞測力實(shí)驗(yàn)風(fēng)洞流動顯示相對性原理 為研討提供了方便水洞實(shí)驗(yàn)室 流動顯示 飛機(jī)尾流顯示(水洞) 風(fēng) 洞風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)計(jì)算網(wǎng)格發(fā) 展 簡 史1.2 開展簡史1公元前250，阿基米德： 、，建立了浮力定律 和

7、液體平衡實(shí)際； 以后一千多年，流膂力學(xué)沒有任何艱苦進(jìn)展。216世紀(jì)初，達(dá)芬奇： “孔口泄流、“不可壓流質(zhì)量守恒延續(xù)性原理；發(fā) 展 簡 史31650年，帕斯卡定律，流體中壓強(qiáng)傳送的過程； 但由于短少：對力與運(yùn)動間關(guān)系的了解、適宜的 數(shù)學(xué)描畫方法，研討偏重于實(shí)際和閱歷總結(jié)、靜力 學(xué)； 流體動力學(xué)是在建立了速度、加速度，質(zhì)量、 動量、能量守恒定律后，借助數(shù)學(xué)工具開展起來的。417世紀(jì)初：牛頓三大定律、微積分，流膂力學(xué)逐漸邁進(jìn)理性研討和繼續(xù)開展階段; 51730：皮托管為實(shí)驗(yàn)觀測和分析提供了工具61738：伯努利方程，V、P、H的關(guān)系，初次將牛頓力學(xué)、流體物理性質(zhì)、壓強(qiáng)3者結(jié)合在了一同。 一書中初次出

8、現(xiàn)了“流膂力學(xué)發(fā) 展 簡 史71748，羅蒙諾索夫：質(zhì)量守恒定律 81752，達(dá)朗貝爾：延續(xù)性方程9歐拉：實(shí)際流膂力學(xué)的奠基人 1753，延續(xù)介質(zhì)假設(shè)； 1755，建立了歐拉方程，初次用數(shù)學(xué)分析研討流膂力學(xué)問題，奠定了實(shí)際流膂力學(xué)的根底。發(fā) 展 簡 史101783，拉格朗日：隨體的概念111823、1845：N-S方程，流體動力學(xué)的實(shí)際根底121883，層流和湍流；1895，粘流時均運(yùn)動方程131904-1921：普朗特、卡門等，邊境層實(shí)際 現(xiàn)代流膂力學(xué)構(gòu)成的標(biāo)志：邊境層實(shí)際的建立； 普朗特：近代流膂力學(xué)和空氣動力學(xué)的奠基人。發(fā) 展 簡 史141903年，萊特兄弟， 飛機(jī)出現(xiàn)促進(jìn)了空氣動力學(xué)的

9、開展。 茹科夫斯基：環(huán)量、升力定理；1520世紀(jì)60年代起，產(chǎn)生了大量的交叉學(xué)科。發(fā) 展 簡 史1.3 流膂力學(xué)在工程上的運(yùn)用1空氣動力學(xué)、氣體動力學(xué)： 航空：大氣層內(nèi)，延續(xù)介質(zhì)力學(xué) 航天：稀薄氣體動力學(xué)滑流、過渡流、自在 分子流；等離子體 潛艇、船舶：液體緊縮性小、粘性大 一 緒 論1.3 流膂力學(xué)在工程上的運(yùn)用1空氣動力學(xué)、氣體動力學(xué)： 汽車：F1 最完美的貼地飛行器 60年代，認(rèn)識到空氣動力學(xué)在賽車設(shè)計(jì)上的重要性；1968年初次出現(xiàn)了繞流翼板，開場利用繞流來控制F1，以后逐漸置信“誰掌握了空氣，誰就掌握了F1. F1各車隊(duì)在空氣動力學(xué)研發(fā)上的破費(fèi)占整個預(yù)算的15%，僅次于引擎；一 緒 論

10、 高級風(fēng)洞：價值約4500萬歐元；30秒內(nèi)，加速到300K/h 設(shè)計(jì)理念：下壓力負(fù)升力、阻力 下壓力：Sonata、Bluebird：190Km/h 波音747起飛速度：280-300Km/h F1直道速度可達(dá)：370Km/h 下壓力約為賽車分量的3.5倍 阻力：速度提高1Km，發(fā)動機(jī)添加7個馬力； 空氣阻力減少1，速度將添加3Km。一 緒 論法拉利的前翼雷諾的前翼2滲流力學(xué)：石油天然氣、地下水、分別和過濾3等離子體、電磁流膂力學(xué) ：核聚變、發(fā)電、宇宙運(yùn)動4多相流膂力學(xué)：沙漠遷移、河流泥沙運(yùn)動、管道保送5環(huán)境流膂力學(xué) ：風(fēng)荷載、水和大氣污染6生物流變學(xué)：血液流動、植物中營養(yǎng)保送7天氣預(yù)告、星系

11、螺旋運(yùn)動、動力機(jī)械、供暖散熱流膂力學(xué)在工程上的運(yùn)用一 緒 論1.4 流體的物理屬性1.4.1 延續(xù)介質(zhì)假設(shè)1流體由做無規(guī)熱運(yùn)動的分子組成，分子間有間隙： 微觀：流體的運(yùn)動、構(gòu)造、物理量是不延續(xù)的 宏觀：均勻、延續(xù)、確定的21cm3水，3.341022個分子，分子間距為3108cm； 個別分子的行為不影響宏觀物理量 延續(xù)介質(zhì)假設(shè)31753年，歐拉提出延續(xù)介質(zhì)假設(shè)：流體為無間隙的延續(xù)體，由延續(xù)存在于整個空間的流體質(zhì)點(diǎn)組成。 當(dāng)微團(tuán)體積趨于 宏觀上充分小、 微觀上充分大的某體積時，密度到達(dá)穩(wěn)定值。但當(dāng)體積繼續(xù)減少到達(dá)分子平均自在程量級時，其密度就不能夠堅(jiān)持為常數(shù)。AxyzvA0v3lv延續(xù)介質(zhì)假設(shè)4

12、延續(xù)介質(zhì)假設(shè)是流膂力學(xué)研討的實(shí)際根底 流體是宏觀的均勻延續(xù)體 流體質(zhì)點(diǎn)的位移 個別分子的位移 流體質(zhì)點(diǎn)靜止該分子團(tuán)的靜止，分子仍在運(yùn)動流體的宏觀性質(zhì)1.4.2 流體的宏觀性質(zhì)1易流動性： 固體：有外形，靜止時可接受法應(yīng)力和切應(yīng)力； 流體：沒有外形，靜止時不能接受切應(yīng)力；切應(yīng)力 會使流體產(chǎn)生恣意大的變形，而且無法恢復(fù)。 F固體1F2t2t1流體流體的宏觀性質(zhì)1.4.2 流體的宏觀性質(zhì)2慣性： 質(zhì)量、密度、比容、重度、相對密度；3萬有引力: G = mg流 體 的 粘 性4粘性： 粘性的表象 流體的運(yùn)動受粘性制約，粘性越大，流動性越差。 牛頓內(nèi)摩擦定律流體在靜止時不表現(xiàn)出粘性。動力粘度 運(yùn)動粘度d

13、ydu 流 體 的 粘 性 粘性構(gòu)成的緣由： 分子間內(nèi)聚力、分子熱運(yùn)動引起的動量交換. 液體： 溫度升高，變??；分子間距小，內(nèi)聚力大，起主要作用，溫度升高間距增大，內(nèi)聚力減小，粘度減小； 氣體： 溫度升高，變大；分子間距大，熱運(yùn)動引起的動量交換為主，溫度升高，熱運(yùn)動加劇，動量交換加劇，粘性增大。流 體 的 粘 性 牛頓流體：溫度不變時，粘度不變；水、空氣、酒精 非牛頓流體：血漿、泥漿、油漆。 理想流體：粘度為0的牛頓流體。在流體的流動曲線中，流體的剪切應(yīng)力和剪切速率之間呈現(xiàn)非線性的曲線關(guān)系，凡不服從牛頓黏性定律的流體稱為非牛頓流體。 流 體 的 粘 性 例題例1： G sin= T = AU/

14、 = Gsin/UA 流 體 的 粘 性例2：知流體粘性=0.065 速度U=1m/s，求F 流 體 的 粘 性例2：F = (1+2)A = du/dy =U/ 1= 0.0651/0.005 = 13N/m2 2= 0.0651/0.015 = 4.33N/m2流 體 的 粘 性例3： = du/dy =2nr/ dA = 2rds = 2rdz/cos dF = dA ztan r cos4 dFr dT32代入dz, rn dzn332zcostan4 dTbaadT T流體的宏觀性質(zhì)5緊縮性：壓力作用下體積減小 氣體：沒有一定體積，易緊縮，為可壓流體； 液體：有一定體積，不易緊縮，看作不可壓。如水： 100atm, V0.5;201000C,V4 體積緊縮系數(shù): ， 單位Pa-1 6膨脹性：溫度升高體積增大 體積膨脹系數(shù):dpddpdV/Vk1-T - Tvd/dddV/V流體的宏