哈爾濱工業(yè)大學(xué)課程流體力學(xué)課件

哈爾濱工業(yè)大學(xué)精品課程——流體力學(xué)本課程由哈爾濱工業(yè)大學(xué)教授主講，涵蓋了流體力學(xué)的基本理論和應(yīng)用。課程內(nèi)容包括流體靜力學(xué)、流體動力學(xué)、邊界層理論、湍流等。課程概述課程目標(biāo)掌握流體力學(xué)基本理論和方法培養(yǎng)解決實際工程問題的能力課程內(nèi)容流體靜力學(xué)，流體動力學(xué)，邊界層理論，湍流模型，氣體動力學(xué)計算流體力學(xué)，流固耦合學(xué)習(xí)方式課堂講授，實驗教學(xué)，課后練習(xí)積極參與討論，注重實踐應(yīng)用流體力學(xué)的基本概念流體流體是能夠流動并改變形狀的物質(zhì)。液體和氣體都是流體。黏性黏性是流體抵抗流動的性質(zhì)，即流體內(nèi)部各層之間存在摩擦力，會使能量損失。密度密度是單位體積流體的質(zhì)量。密度決定流體的壓縮性，密度大的流體不易壓縮。壓力壓力是流體作用在物體表面上的力與物體表面的面積之比，是流體靜力學(xué)的重要概念。流體靜力學(xué)靜止流體流體靜力學(xué)研究的是靜止或處于平衡狀態(tài)的流體的性質(zhì)和規(guī)律。壓力靜止流體中，由于自身重力作用而產(chǎn)生的壓力稱為靜壓，其大小與深度成正比。浮力浸沒在流體中的物體受到一個向上托舉的力，稱為浮力，其大小等于物體所排開流體的重量。阿基米德原理浮力大小等于物體排開流體的重量，這是流體靜力學(xué)中的一個重要定律。壓力公式壓力是流體對物體表面產(chǎn)生的作用力，其公式如下：P壓力單位：帕斯卡(Pa)F力單位：牛頓(N)A面積單位：平方米(m2)壓力公式是流體力學(xué)中的基本公式，它描述了流體壓力與作用力、作用面積之間的關(guān)系。浮力與阿基米德原理浮力的概念物體在流體中受到向上的力，稱為浮力。浮力的大小等于物體排開流體的重量。阿基米德原理物體在流體中所受的浮力，大小等于物體排開流體的重量。浮力應(yīng)用浮力原理在日常生活和工程領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用，例如船舶、氣球、潛水艇等。流體動力學(xué)1運動流體研究流體的運動規(guī)律，描述流體在各種力的作用下的運動狀態(tài)。2連續(xù)性方程質(zhì)量守恒定律的應(yīng)用，描述流體運動中流量與流速之間的關(guān)系。3伯努利方程能量守恒定律在流體中的應(yīng)用，描述流體壓力、速度和高度之間的關(guān)系。4粘性流動研究流體內(nèi)部摩擦力的影響，解釋流體流動中的能量損失現(xiàn)象。連續(xù)性方程連續(xù)性方程是流體力學(xué)中的一個基本定理，描述了流體在運動過程中質(zhì)量守恒的規(guī)律。它基于質(zhì)量守恒原理，表明在穩(wěn)定流場中，流過任何控制面的質(zhì)量流量保持不變。公式：ρ?A?v?=ρ?A?v?ρ：流體密度A：橫截面積v：流體速度伯努利方程伯努利方程描述了流體在流動過程中，壓力、速度和高度之間的關(guān)系。伯努利方程可以應(yīng)用于各種工程問題，如管道流動、噴嘴設(shè)計和機(jī)翼升力分析。流速測量11.流速測量儀器常用的流速測量儀器包括皮托管、超聲波流量計、渦輪流量計、電磁流量計等。22.測量原理不同的流速測量儀器采用不同的測量原理，例如皮托管利用伯努利原理測量流速，超聲波流量計利用聲波在流體中的傳播速度測量流速。33.應(yīng)用場景流速測量廣泛應(yīng)用于管道流體、風(fēng)機(jī)氣流、水力發(fā)電、水資源管理等領(lǐng)域。44.誤差分析流速測量存在誤差，需要分析誤差來源并采取措施降低誤差。管道流動層流層流是指流體流動時各層流體平行流動，沒有相互混合，速度分布均勻.在層流狀態(tài)下，流體流動阻力較小，傳熱效率較高.湍流湍流是指流體流動時各層流體相互混合，速度分布不均勻.湍流狀態(tài)下，流體流動阻力較大，傳熱效率較低，但混合效率更高.管道壓力損失管道壓力損失是指流體在管道中流動時，由于摩擦力等因素造成的壓力降低。管道壓力損失主要分為沿程壓力損失和局部壓力損失。沿程壓力損失是由于流體與管道壁面之間的摩擦引起的，其大小與流體的粘度、流速、管道長度和直徑有關(guān)。局部壓力損失是由于管道中存在的彎頭、閥門、突然擴(kuò)大或縮小等局部阻力造成的。計算管道壓力損失，可以幫助工程師們設(shè)計管道系統(tǒng)，例如選擇合適的管徑、材質(zhì)和長度，以滿足流量和壓力要求。管網(wǎng)設(shè)計管網(wǎng)布局優(yōu)化管網(wǎng)設(shè)計是根據(jù)實際需求，合理規(guī)劃管道的布局，連接各個節(jié)點，以滿足供水、供氣或其他流體輸送需求。管徑尺寸選擇選擇合適的管徑，確保流量需求，同時考慮成本效益和經(jīng)濟(jì)性，避免過度投資或造成流量不足。水泵選型及配置根據(jù)管網(wǎng)的長度、流量需求，選擇合適的水泵類型和功率，以保證足夠的壓頭和流量，滿足管網(wǎng)的運行需求。閥門和流量計配置選擇合適的閥門和流量計，對管網(wǎng)進(jìn)行控制和監(jiān)控，保證系統(tǒng)正常運行，并實現(xiàn)流量的精確測量和控制。流量測量流量測量是流體力學(xué)研究中重要的環(huán)節(jié)，通過測量流體在單位時間內(nèi)通過特定截面的體積，可以獲得流速、流量等重要參數(shù)。1文丘里管通過測量文丘里管前后壓差，計算流量。2渦輪流量計利用旋轉(zhuǎn)葉片感知流體速度，計算流量。3電磁流量計利用電磁感應(yīng)原理，測量導(dǎo)電流體的流量。4超聲波流量計利用超聲波在流體中的傳播時間，計算流量。不同類型的流量計適用于不同的流體和測量范圍，需要根據(jù)實際情況選擇合適的流量計。流場分析流場分析是流體力學(xué)研究中的重要環(huán)節(jié)，通過對流場中速度、壓力、溫度等物理量的分布進(jìn)行分析，可以更深入地理解流體運動規(guī)律。實驗測量、數(shù)值模擬和理論分析是常用的流場分析方法，根據(jù)具體問題選擇合適的分析方法，可以有效地解決工程實際問題。流固耦合結(jié)構(gòu)力學(xué)流體動力學(xué)模型將流體壓力和剪切力作為邊界條件應(yīng)用于結(jié)構(gòu)模型。流體力學(xué)結(jié)構(gòu)變形和運動會改變周圍流體的流動狀態(tài)。耦合分析流體和結(jié)構(gòu)之間的相互作用和反饋是復(fù)雜的非線性問題。邊界層理論粘性影響邊界層是指流體與固體表面之間的一層薄薄的流體層，流體在該層內(nèi)受到粘性力的影響。速度梯度邊界層內(nèi)流體速度從固體表面的零速度逐漸增加到主流速度，形成速度梯度。層流與湍流邊界層可以分為層流邊界層和湍流邊界層，層流邊界層內(nèi)流體流動平穩(wěn)有序，而湍流邊界層內(nèi)流體流動混亂無序。重要性邊界層理論對理解流體與固體之間的相互作用，以及分析和解決流體流動問題至關(guān)重要。黏性流動黏性流體黏性流體是指具有內(nèi)部摩擦力的流體。常見的黏性流體包括水、油、空氣等。黏性流動是流體運動的一種基本形式，它在許多工程應(yīng)用中發(fā)揮著重要作用，例如管道流動、飛行器設(shè)計和氣象預(yù)報等。黏性系數(shù)黏性系數(shù)是流體黏性的量度，它表示流體抵抗剪切變形的能力。黏性系數(shù)越大，流體越難流動。溫度和壓力會影響流體的黏性系數(shù)。一般而言，溫度越高，黏性系數(shù)越低；壓力越高，黏性系數(shù)越高。湍流模型湍流特征湍流是流體運動的一種復(fù)雜形式，具有隨機(jī)性、無序性和不可預(yù)測性。數(shù)學(xué)模型建立湍流模型是為了用數(shù)學(xué)方法描述湍流現(xiàn)象，并進(jìn)行數(shù)值模擬。應(yīng)用領(lǐng)域湍流模型廣泛應(yīng)用于航空航天、能源、環(huán)境等領(lǐng)域，解決復(fù)雜流體問題。模型分類常見的湍流模型包括雷諾平均模型、大渦模擬模型、直接數(shù)值模擬模型等。氣體動力學(xué)高速流動氣體動力學(xué)研究高速流動現(xiàn)象，例如飛機(jī)飛行?？蓧嚎s性氣體可壓縮性在高速流動中變得顯著，影響流動特性。熱力學(xué)效應(yīng)高速流動會產(chǎn)生顯著的熱量，需要考慮熱力學(xué)效應(yīng)。工程應(yīng)用氣體動力學(xué)原理應(yīng)用于航空航天、渦輪機(jī)等領(lǐng)域。壓縮性流動1速度效應(yīng)流體速度接近或超過聲速時，其密度發(fā)生顯著變化，導(dǎo)致流動性質(zhì)顯著改變。2氣體可壓縮性可壓縮性流動主要發(fā)生在氣體中，因為氣體密度更容易受到壓力和溫度的影響。3馬赫數(shù)馬赫數(shù)是流體速度與聲速的比值，用于描述流體的可壓縮性程度。4應(yīng)用領(lǐng)域航空航天、高速鐵路、燃?xì)廨啓C(jī)等領(lǐng)域涉及可壓縮流動，對其進(jìn)行深入研究具有重要意義。氣動力問題升力與阻力氣動力是流體作用在物體上的力，包括升力、阻力、側(cè)向力等，它們直接影響飛行器的飛行狀態(tài)和效率。機(jī)翼設(shè)計機(jī)翼形狀和角度影響升力和阻力，工程師設(shè)計機(jī)翼形狀以優(yōu)化飛機(jī)的升力系數(shù)和阻力系數(shù)。空氣動力學(xué)空氣動力學(xué)研究氣體流動產(chǎn)生的力，例如飛行器的升力、阻力和推力，以及它們之間的相互作用。流動可視化技術(shù)流動可視化技術(shù)通過各種方法將流體運動呈現(xiàn)出來，直觀地展示流體的速度、壓力、溫度等信息，幫助人們理解流體現(xiàn)象，設(shè)計更優(yōu)化的流體系統(tǒng)，提高效率，降低成本，并進(jìn)行安全評估。常見的流動可視化技術(shù)包括粒子圖像測速(PIV)、激光誘導(dǎo)熒光(LIF)、陰影攝影、油墨流線法等。每種技術(shù)都有其獨特的優(yōu)勢和適用范圍，為研究人員提供了強(qiáng)大的工具，用于深入研究流體現(xiàn)象。計算流體力學(xué)定義計算流體力學(xué)（CFD）是一種使用數(shù)值方法來模擬流體流動行為的學(xué)科。CFD利用計算機(jī)程序解決流體力學(xué)問題，例如流體動力學(xué)，熱傳遞和質(zhì)量傳遞。CFD建模步驟1幾何建模構(gòu)建研究對象的幾何模型，包括三維形狀、邊界條件和初始條件。2網(wǎng)格劃分將連續(xù)的幾何空間離散化為有限個網(wǎng)格單元，用于數(shù)值計算。3求解器設(shè)置選擇合適的數(shù)值方法和求解器，并設(shè)置控制參數(shù)，如時間步長、收斂準(zhǔn)則等。4邊界條件定義模型邊界上的流體性質(zhì)和邊界條件，如速度、壓力、溫度等。5求解計算根據(jù)所選擇的數(shù)值方法和邊界條件，進(jìn)行數(shù)值計算，得到流場結(jié)果。6后處理分析對計算結(jié)果進(jìn)行分析和可視化，提取關(guān)鍵信息，并進(jìn)行驗證和評估。數(shù)值求解方法有限差分法將連續(xù)的微分方程離散化為差分方程，用差分代替微分，求解流體力學(xué)問題。有限元法將流場劃分為有限個單元，利用單元節(jié)點上的值進(jìn)行插值，求解流體力學(xué)方程。有限體積法將流場劃分成有限個控制體積，對控制體積進(jìn)行積分，求解流體力學(xué)方程。譜方法采用正交函數(shù)展開流場變量，求解流體力學(xué)方程，適用于求解周期性問題。物理模型驗證與應(yīng)用實驗驗證將計算結(jié)果與實際實驗結(jié)果進(jìn)行比較，驗證模型的準(zhǔn)確性和可靠性。通過比較數(shù)值模擬結(jié)果和實驗數(shù)據(jù)，可以評估模型的誤差，并對模型進(jìn)行修正或改進(jìn)。工程應(yīng)用將CFD模型應(yīng)用于實際工程問題，進(jìn)行設(shè)計優(yōu)化、性能預(yù)測和故障診斷。例如，利用CFD技術(shù)進(jìn)行水利工程、航空航天、汽車設(shè)計等方面的模擬分析，指導(dǎo)實際工程的建設(shè)和運行。案例分析通過分析具體工程項目的案例，展現(xiàn)CFD模型在解決實際問題中的應(yīng)用效果。例如，可以介紹利用CFD技術(shù)對橋梁風(fēng)荷載、飛機(jī)氣動特性、管道流動等問題的研究和分析。相關(guān)實驗設(shè)備風(fēng)洞用于模擬飛行器在不同氣流條件下的流動狀態(tài)。水箱用于研究流體在水中的流動規(guī)律，例如船舶的阻力，水輪機(jī)的工作原理等。壓力傳感器用于測量流體的壓力，進(jìn)而研究流體的流動特性。其他設(shè)備速度傳感器流量計數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)創(chuàng)新實踐與工程應(yīng)用11.項目案例將課程知識應(yīng)用于實際工程項目，例如橋梁設(shè)計、水利工程、航空航天等領(lǐng)域。22.仿真模擬利用CFD軟件進(jìn)行流體力學(xué)問題的數(shù)值模擬，驗證理論分析結(jié)果。33.實驗驗證通過實驗驗證理論模型和仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，提升對流體力學(xué)現(xiàn)象的理解。44.創(chuàng)新設(shè)計基于流體力學(xué)原理，設(shè)計新型的流體機(jī)械或裝置，解決工程實際問題。課程資源與學(xué)習(xí)方法豐富課程資源本課程提供優(yōu)質(zhì)的教學(xué)課件、視頻資源、習(xí)題庫等，幫助學(xué)生深入理解流體力學(xué)原理。多維學(xué)習(xí)方法鼓勵學(xué)生積極參與課堂互動、課后練習(xí)、實驗操作，并充分利用圖書館資源進(jìn)行深入學(xué)習(xí)。實踐與理論結(jié)合通過實驗課程和課題研究，將理論知識與實際應(yīng)用相結(jié)合，提升學(xué)生解決實際工程問題的能力。在線