流體力學(xué)及傳熱學(xué)-1

1、工程流體力學(xué)與傳熱學(xué)信息學(xué)院次英第一章第一章 緒緒 論論1.1 流體運動與流體力學(xué)流體運動與流體力學(xué)人類的祖先在海洋里生活了40億年人類在空氣里也生活了700萬年1. ：表面光滑還是粗糙？高爾夫球高爾夫球2. ：來自前部還是后部？汽車阻力汽車阻力3. ：來自下部還是上部？機翼升力機翼升力雖然生活在流體環(huán)境中，人們對一些流體運動卻缺乏認(rèn)識雖然生活在流體環(huán)境中，人們對一些流體運動卻缺乏認(rèn)識: :起初，人們認(rèn)為表面光滑的球飛行阻力小，因此當(dāng)時用皮革制球；這個謎直到20世紀(jì)建立流體力學(xué)邊界層理論后才解開。后來，發(fā)現(xiàn)表面有很多劃痕的舊球反而飛得更遠(yuǎn)；現(xiàn)在的高爾夫球表面有許多窩。高爾夫球高爾夫球5 倍汽車

2、汽車汽車發(fā)明于19世紀(jì)末，人們認(rèn)為汽車高速前進(jìn)時的阻力主要來自車前部對空氣的撞擊，因此早期的汽車后部是陡峭的，稱為箱型車。阻力系數(shù)CD很大，約0.8；實際上，汽車阻力主要取決于后部形成的尾流；20世紀(jì)30年代起，人們開始運用流體力學(xué)原理，改進(jìn)汽車的尾部形狀；經(jīng)過近80年的研究和改進(jìn)，汽車阻力系數(shù)從0.8降至0.137，減少到原來的1/5；目前在汽車外形設(shè)計中，流體力學(xué)性能研究已占主導(dǎo)地位，合理的外形使汽車具有更好的動力學(xué)性能和更低的耗油率。機翼機翼人們的直觀印象是空氣從下面沖擊著鳥的翅膀，把鳥托在空中；19世紀(jì)初流體力學(xué)環(huán)流理論徹底改變了人們的傳統(tǒng)觀念；足球運動的“香蕉球”現(xiàn)象可以幫助理解環(huán)流

3、理論：旋轉(zhuǎn)的球帶動空氣形成環(huán)流，一側(cè)氣體加速，一側(cè)氣體減速，形成壓力差，使足球拐彎。馬格努斯效應(yīng)在炮彈的飛行中觀察到的測量和計算表明上部吸力的貢獻(xiàn)比下部要大得多。機翼的特殊形狀使它不用旋轉(zhuǎn)就能產(chǎn)生環(huán)流，上部流速加快形成吸力，下部流速減慢形成壓力。空氣看不見摸不著，水無色透明，人的肉眼難以空氣看不見摸不著，水無色透明，人的肉眼難以 觀察到真實的流動圖像；觀察到真實的流動圖像；人們之所以不能憑直覺來認(rèn)識流體運動，是因為：2) 2) 即使能看到部分流動形態(tài)，由于變化太快肉眼無法即使能看到部分流動形態(tài)，由于變化太快肉眼無法 辨認(rèn)。辨認(rèn)。地球表面水和空氣的運動是氣象、水文、水利、環(huán)保、農(nóng)業(yè)、航空、地球表

4、面水和空氣的運動是氣象、水文、水利、環(huán)保、農(nóng)業(yè)、航空、航海、漁業(yè)、國防等部門研究的對象航海、漁業(yè)、國防等部門研究的對象航空、航天、造船、機械、動力、冶金、化工、石油、建筑等部門設(shè)航空、航天、造船、機械、動力、冶金、化工、石油、建筑等部門設(shè)備中的工作介質(zhì)都是流體，改進(jìn)流程，提高效率，需要流體力學(xué)知識備中的工作介質(zhì)都是流體，改進(jìn)流程，提高效率，需要流體力學(xué)知識1.2 流體力學(xué)的研究對象、發(fā)展簡況和研究方法流體力學(xué)的研究對象、發(fā)展簡況和研究方法流體流體: : 在靜力平衡時，不能承受拉力或剪力的物體。液體：無形狀，有一定的體積；不易壓縮，存在自由（液）面氣體：既無形狀，也無體積，易于壓縮。1 1、流體

5、力學(xué)的研究對象、流體力學(xué)的研究對象任任 務(wù)務(wù)：流體力學(xué)：研究流體平衡、機械運動的規(guī)律以及在工程實際中的運用流體力學(xué)：研究流體平衡、機械運動的規(guī)律以及在工程實際中的運用。研究流體的運動規(guī)律；研究流體的運動規(guī)律；流體之間或流體與固體之間的相互作用力；流體之間或流體與固體之間的相互作用力；流動過程中動量、能量和質(zhì)量的傳輸規(guī)律等。流動過程中動量、能量和質(zhì)量的傳輸規(guī)律等。2 2、流體力學(xué)的發(fā)展簡況、流體力學(xué)的發(fā)展簡況1 1、經(jīng)驗階段（十七世紀(jì)前）、經(jīng)驗階段（十七世紀(jì)前）大禹治水 4000多年前的大禹治水 古代已有大規(guī)模的治河工程。 (公元前256210年) 秦代，修建了都江堰、鄭國渠、靈渠都江堰、鄭國渠

6、、靈渠三大水利工程對明槽水流和堰流流動規(guī)律的認(rèn)識已經(jīng)達(dá)到相當(dāng)水平。(公元前156前87） 西漢武帝時期，為引洛水灌溉農(nóng)田，在黃土高原上修建了龍首渠龍首渠 創(chuàng)造性地采用了井渠法，即用豎井溝通長十余里的穿山隧洞，有效地防止了黃土的塌方。真州船閘（960-1126） 北宋時期，在運河上修建的真州船閘與十四世紀(jì)末荷蘭的同類船相比,約早三百多年。阿基米德（公元前287212） 歐美諸國歷史上有記載的最早從事流體力學(xué)現(xiàn)象研究的是古希臘學(xué)者阿基米德在公元前250年發(fā)表學(xué)術(shù)論文論浮體，第一個闡明了相對密度的概念，發(fā)現(xiàn)了物體在流體中所受浮力的基本原理阿基米德原理。列奧納德.達(dá).芬奇（14521519） 著名物理

7、學(xué)家和藝術(shù)家，設(shè)計建造了一小型水渠，系統(tǒng)地研究了物體的沉浮、孔口出流、物體的運動阻力以及管道、明渠中水流等問題。斯蒂文（1548-1620） 將用于研究固體平衡的凝結(jié)原理轉(zhuǎn)用到流體上。伽利略（1564-1642） 在流體靜力學(xué)中應(yīng)用了虛位移原理，并首先提出，運動物體的阻 力隨著流體介質(zhì)密度的增大和速度的提高而增大。2 2、理論階段（十七世紀(jì)十九世紀(jì)）、理論階段（十七世紀(jì)十九世紀(jì)）托里拆里（1608-1647） 論證了孔口出流的基本規(guī)律。帕斯卡（B.Pascal,1623-1662） 提出了密閉流體能傳遞壓強的原理-帕斯卡原理。牛 頓（1642-1727） 提出牛頓內(nèi)摩擦定律伯努利（170017

8、82） 建立了流體位勢能、壓強勢能和動能之間的能量轉(zhuǎn)換關(guān)系伯努利方程。歐 拉（17071783） 提出了流體的連續(xù)介質(zhì)模型，建立了連續(xù)性微分方程和理想流體的運動微分方程，給出了不可壓縮理想流體運動的一般解析方法。拉格朗日（17361813） 提出了新的流體動力學(xué)微分方程，并提出了流函數(shù)的概念。納 維 （ 17851836 法國） 首先提出了不可壓縮粘性流體的運動微分方程組。斯托克斯（ 18191903，英國） 嚴(yán)格地導(dǎo)出了這些方程，并把流體質(zhì)點的運動分解為平動、轉(zhuǎn)動、均勻膨脹或壓縮及由剪切所引起的變形運動。統(tǒng)稱為納維-斯托克斯方程。弗勞德（1810-1879） 提出了船模試驗的相似準(zhǔn)則數(shù)-弗勞

9、德數(shù)。亥姆霍茲（1821-1894）和基爾霍夫（1824-1887） 提出了表征旋渦基本性質(zhì)的旋渦定理、帶射流的物體繞流阻力等學(xué)術(shù)成就。雷 諾（1842-1912） 用實驗證實了粘性流體的兩種流動狀態(tài)層流和紊流的存在，找到了實驗研究粘性流體流動規(guī)律的相似準(zhǔn)則數(shù)雷諾數(shù)。普朗特（18751953） 建立了邊界層理論，解釋了阻力產(chǎn)生的機制。錢學(xué)森 在火箭、導(dǎo)彈、航天器的總體、動力、制導(dǎo)、氣動力、結(jié)構(gòu)、材料、計算機、質(zhì)量控制和科技管理等領(lǐng)域的豐富知識，為中國火箭導(dǎo)彈和航天事業(yè)的創(chuàng)建與發(fā)展作出了杰出的貢獻(xiàn)。周培源 理論學(xué)家、流體力學(xué)家主要從事物理學(xué)的基礎(chǔ)理論中難度最大的兩個方面即愛因斯坦廣義相對論引力論

10、和流體力學(xué)中的湍流理論的研究與教學(xué)并取得出色成果。3 3、第三階段、第三階段( (二十世紀(jì)初至中葉二十世紀(jì)初至中葉) )4 4、第四階段、第四階段多學(xué)科互相滲透多學(xué)科互相滲透流體力學(xué)理論、實驗全面開展，航空航天迅速發(fā)展。工業(yè)流體力學(xué)、實驗流體力學(xué)、地球流體力學(xué)、非牛頓流體力學(xué)、多相流體力學(xué)、生物流體力學(xué)等都已形成獨立的學(xué)科3 3、研究方法、研究方法流體力學(xué)研究方法分三個方面，它們相互配合，互為補充。流體力學(xué)研究方法分三個方面，它們相互配合，互為補充。研究方法研究方法理論分析方法理論分析方法實驗方法實驗方法數(shù)值分析方法數(shù)值分析方法建立模型建立模型推導(dǎo)方程推導(dǎo)方程求解方程求解方程解釋結(jié)果解釋結(jié)果建

11、立力學(xué)模型；用物理學(xué)基本定律推導(dǎo)流體力學(xué)控制方程；用數(shù)學(xué)方法求解方程；檢驗和解釋求解結(jié)果。理論分析方法理論分析方法: :在相似理論指導(dǎo)下，建立模型實驗裝置；用流體測量技術(shù)測量模型實驗中的流動參數(shù)；處理和分析實驗數(shù)據(jù)并將它歸納為經(jīng)驗公式。實驗?zāi)M方法實驗?zāi)M方法: :相似理論相似理論模型試驗?zāi)Ｐ驮囼灉y量測量數(shù)據(jù)分析數(shù)據(jù)分析風(fēng)洞實驗：風(fēng)洞實驗：重力溢流式實驗水洞重力溢流式實驗水洞現(xiàn)代測量技術(shù)在計算機，光學(xué)和圖象技術(shù)配合下在提高空間分辨律和現(xiàn)代測量技術(shù)在計算機，光學(xué)和圖象技術(shù)配合下在提高空間分辨律和實時測量方面已取得長足進(jìn)展。實時測量方面已取得長足進(jìn)展。數(shù)值方法：數(shù)值方法：計算流體力學(xué)計算流體力學(xué)有

12、限差分法有限差分法有限元法有限元法邊界元法邊界元法譜分析等譜分析等對流體力學(xué)數(shù)學(xué)方程作簡化和數(shù)值離散化，編制程序作數(shù)值計算，將計算結(jié)果與實驗或理論分析結(jié)果比較。如飛行器、汽車、河道、橋梁、渦輪機流場計算；湍流、流動穩(wěn)定性、如飛行器、汽車、河道、橋梁、渦輪機流場計算；湍流、流動穩(wěn)定性、非線性流動中的數(shù)值模擬；非線性流動中的數(shù)值模擬；長江口枯季床面剪應(yīng)力場計算長江口枯季床面剪應(yīng)力場計算1.3 流體力學(xué)基本概念流體力學(xué)基本概念假定流體是由無窮多個、無窮小的、緊密毗鄰、連續(xù)不斷的流體質(zhì)點所構(gòu)假定流體是由無窮多個、無窮小的、緊密毗鄰、連續(xù)不斷的流體質(zhì)點所構(gòu)成的一種絕無間隙的連續(xù)介質(zhì)。成的一種絕無間隙的連

13、續(xù)介質(zhì)。含義：含義：1) 宏觀上足夠小，宏觀體積極限為0；2) 微觀上足夠大，其行為已經(jīng)表現(xiàn)出大量分子的統(tǒng)計學(xué)性質(zhì)；3) 任意時刻都具有一定的宏觀物理量，如質(zhì)量、溫度、壓強、密度等；4) 質(zhì)點的形狀可以任意劃定，因而質(zhì)點和質(zhì)點之間可以沒有空隙。流體狀態(tài)的宏觀物理量如速度、壓強、密度、溫度等都可以作為空間空間和時間的連續(xù)函數(shù)時間的連續(xù)函數(shù)1 1、流體質(zhì)點、流體質(zhì)點（基本單位）（基本單位）宏觀尺寸非常小而微觀尺寸又足夠大的任意一個物理實體。宏觀尺寸非常小而微觀尺寸又足夠大的任意一個物理實體。2 2、連續(xù)介質(zhì)假設(shè)（、連續(xù)介質(zhì)假設(shè)（17531753年歐拉）年歐拉）密度：密度： 單位體積內(nèi)流體的質(zhì)量1.

14、4 流體的主要物理性質(zhì)流體的主要物理性質(zhì)1 1、流體的密度與重度、流體的密度與重度dVdmVmV0lim單位：3/mkg重度：重度： 單位體積的流體所受的重力dVdGVGV0lim單位：3/mN壓縮性：壓縮性：溫度一定時，流體在外力作用下，其體積縮小的性質(zhì)2 2、壓縮性和膨脹性、壓縮性和膨脹性體積壓縮系數(shù)：溫度一定時，每增加單位壓強所引起的體積相對變化量dpdVVdpVdVp1 體積彈性模量:體積壓縮系數(shù) 的倒數(shù)p pE 1 越大，流體越容易壓縮，反之，不容易壓縮p 單位：Nm /2單位：2/mN熱膨脹性：熱膨脹性： 壓力不變時，溫度升高，流體體積增大的性質(zhì)體積膨脹系數(shù)：壓力一定時，溫度增加一

15、個單位，體積相對變化量dtdVVdtVdVt1 說明：說明：1) 氣體和液體都是可壓縮的；2) 通常將氣體視為可壓縮流體，液體視為不可壓縮流體。3) 水下爆炸時，水也要視為可壓縮流體；當(dāng)氣體流速比較低時也 可以視為不可壓縮流體。單位：1/3 3、表面張力、表面張力定義：使液體表面處于拉伸狀態(tài)的力為表面張力表面張力的產(chǎn)生：液、氣接觸自由表面表面張力產(chǎn)生的原因：由于內(nèi)聚力的不同而導(dǎo)致 （分子受力不平衡）毛細(xì)現(xiàn)象毛細(xì)現(xiàn)象毛細(xì)現(xiàn)象：液體與固體壁接觸時，液體沿壁上升或下降的現(xiàn)象。毛細(xì)現(xiàn)象由表面張力及接觸角潤濕與不潤濕的程度 表面張力表面張力 庫侖把一塊薄圓板用細(xì)金屬絲平吊在液體中，將圓板繞中心轉(zhuǎn)過一角度

16、后放開，靠金屬絲的扭轉(zhuǎn)作用，圓板開始往返擺動，由于液體的粘性作用，圓板擺動幅度逐漸衰減，直至靜止。庫侖分別測量了普通板、涂臘板和細(xì)沙板三種圓板的衰減時間。3 3、黏性、黏性流體內(nèi)摩擦的概念最早由牛頓提出。庫侖用實驗得到證實。黏性：流體微團(tuán)發(fā)生相對運動時所產(chǎn)生的抵抗變形、阻礙流動的性質(zhì)。衰減的原因衰減的原因，不是圓板與液體之間的相互摩擦，而是液體內(nèi)部的摩擦液體內(nèi)部的摩擦。三種圓板的衰減時間均相等。三種圓板的衰減時間均相等。庫侖得出結(jié)論結(jié)論:牛頓內(nèi)摩擦定律牛頓內(nèi)摩擦定律牛頓1686年提出了確定流體內(nèi)摩擦力的所謂“牛頓內(nèi)摩擦定律”。A、B為長寬都是足夠大的平板，互相平行，設(shè)B板以u0運動，A板不動。

17、由于粘性流體將粘附于它所接觸的表面上（流體的邊界無滑移條件） u上=u0 u下=0A板B板相鄰流層發(fā)生相對運動時：T：快層對慢層產(chǎn)生一個切力切力T T，使慢層加速，方向與流向相同。T：慢層對快層有一個反作用力T，使快層減速，方向與流向相反， 這種阻止運動的力，稱為阻力阻力。1) 兩平板間流體流層：速度自上而下遞減，按直線分布；2) 取出兩層：快層：快層：u ududu慢層：慢層：u u3) T與 T：大小相等，方向相反的一對力，分別作用在兩個流體層的接觸 面上，這對力是在流體內(nèi)部產(chǎn)生的，叫內(nèi)摩擦力。流體相對運動時，層間內(nèi)摩擦力T的大小與接觸面積、速度梯度成正比，與流體種類及溫度有關(guān)，而與接觸面

18、上的壓力無關(guān)。dyduAT 4) 牛頓內(nèi)摩擦定律的內(nèi)容：dyduAT 5) 黏性切應(yīng)力“”是為保持T T，永遠(yuǎn)為正值而設(shè)。公式適用條件：牛頓流體做層流運動6) 黏性系數(shù)稱為流體的動力黏性系數(shù)或動力黏度,表征流體黏性大小，通常用實驗方法確定。dydu 單位： 工程中常常用到運動黏度運動黏度用下式表示 定義：NS/m2 或 PaS 單位：m2/S7) 牛頓流體和非牛頓流體牛頓流體牛頓流體: : 切應(yīng)力和速度梯度滿足線性關(guān)系。圖中A所示。非牛頓流體：非牛頓流體： 切應(yīng)力和速度梯度之間不滿足線性關(guān)系的流體。圖中B、C、D均屬非牛頓流體。 流體黏性形成原因流體黏性形成原因兩層液體之間的黏性力主要由兩層液體之間的黏性力主要由分子內(nèi)聚力分子內(nèi)聚力形成形成兩層氣體之間的黏性力主要由兩層氣體之間的黏性力主要由分子動量交換分子動量交換形成形成一般僅隨溫度變化，液體溫度升高黏度減小減小，氣體溫度升高黏度增大增大。8) 黏性流體和理想流體黏性流體黏性流體 實際中的流體都具有粘性，因為都是由分子組成，都存在分子間的引力和分子的熱運動，故都具有黏性。理想流體（假想沒有黏性的流體）理想流