流體力學第一章緒論.ppt

1、工程流體力學,制作、主講：韓家德 TELEXIT,適用專業(yè)：熱能工程,課程知識體系,第一單元：基本概念流體及性質,EXIT,第二單元：流體靜力學平衡與受力,第三單元：運動學運動描述,第四單元：理想流體動力學歐拉方程，平面勢流、漩渦理論基礎,第五單元：粘性流體動力學方程及應用,第六單元：相似原理實驗解法,EXIT,教材：工程流體力學（第二版），高等教育出版社，陳卓如主編,學時：60（理論授課52，實驗8）,考核辦法：平時30%（實驗1/3，出勤1/3，作業(yè)1/3），期末考試70%。,第一章 緒論,工程流體力學學科基礎課。,EXIT,流體概念、性質，流體力學的任務、研究對

2、象及方法。,第一節(jié) 流體及其性質,1、流體：在微小的剪切力連續(xù)作用下，就會發(fā)生無休止變形的物質。,EXIT,2、性質,流動性區(qū)別于固體?？沙惺軌毫?，不能承受拉力。 無固定形狀。流體分為： 液體、氣體。,有質量或重量,（2）、比容：單位質量流體占據(jù)的容積,EXIT,注意：、均是壓強和溫度的函數(shù)。,EXIT,（3）、重度：單位體積流體具有的重量,（4）、比重：均質流體重量與1標準大氣壓下 4同體積蒸餾水重量之比。,（5）、相對密度：均質流體質量與1標準大氣壓下4同體積蒸餾水質量之比。用d 表示。,、流體壓縮性與膨脹性,（2）、壓縮率：T不變，壓強變化時的體積 相對變化率,標志可壓縮性大小。,EXI

3、T,（1）、熱膨脹率：壓強不變，流體溫度變化 1時的體積相對變化率，用表示,實際流體都是可壓縮的。 不可壓縮流體模型：（與均質流體不同）,注意：在研究水擊現(xiàn)象時，液體壓縮性是不容忽視的，按可壓縮對待。同樣，流速小于50m/s氣流，p變化不大時，也可按不可壓縮流體處理。,EXIT,體積彈性系數(shù)K：壓縮率的倒數(shù)。,（1）粘性：流體內產生內摩擦力的性質。阻礙流體運動，造成損失。 產生原因：a、分子間吸引力產生阻力。 b、分子不規(guī)則熱運動和動量交換產生阻力。,EXIT,、 流體粘性,（2）牛頓粘性定律內摩擦定律,與流體性質有關的比例系數(shù)， 稱動力粘度或粘度系數(shù)，Pa.s，,EXIT,內摩擦力（粘性力）

4、與法向速度梯度成正比，與接觸面積大小成正比，與流體性質有關。,滿足牛頓粘性定律的流體，稱牛頓流體，否則稱非牛頓流體（包括塑性流體和假塑性流體），如泥漿、污水；油漆、紙漿液等。我們僅研究牛頓流體。,EXIT,du/dy,0,牛頓流體,塑性流體,假塑性流體,在國際單位制中，單位為Pa.s 稱動力粘度是因量綱中有力學因素,EXIT,1）、動力粘度,（3）粘性表示方法,2）、運動粘度引入量,我國用恩氏粘度 E,200立方厘米流體在恩氏粘度計中流出時間t1與同體積蒸餾水在20時流出的時間t2比值。,EXIT,3）、相對粘度或條件粘度,對于液體，溫度升高，粘度下降， 對于氣體，溫度升高，粘度升高。,EXI

5、T,溫度對粘度的影響 ：,t、0溫度為t、t0時的粘度,假設的一種無粘性（=0）的流體模型，稱為理性流體。,第二節(jié) 研究對象和任務,（2）任務：建立描述流體運動的基本方程，確定流場中速度v、壓強 p 的分布規(guī)律；探求能量轉換及阻力損失的計算方法，解決流體與限制其流動的固體壁之間的相互作用力問題。,（1）對象：流體力學是研究流體平衡和運動 規(guī)律的一門科學。,EXIT,第三節(jié) 流體力學的研究方法,1、一般方法： 確定研究課題。 建立物理、數(shù)學模型 理論分析和實驗研究，形成理論。 檢驗、修正和完善理論。,EXIT,流場：研究的所有流體質點的集合。,EXIT,質點：含有流體微觀粒子且占據(jù)空間一個 坐標

6、點的微元，或稱流體微團。,微元：含有足夠多流體微觀粒子的微小體積。,如何把流場的物理問題用數(shù)學方法描述建立微分方程？,引入：連續(xù)性介質模型。,2、思路,連續(xù)介質模型： （1）定義：由足夠數(shù)量的微觀粒子組成的流體微團，連續(xù)充滿它占據(jù)的空間，彼此間無任何間隙。由歐拉首先建立，也稱歐拉介質模型。 （2）物理意義：模型化的流體介質的一系列參數(shù)如壓強、速度、加速度、密度、比容等可看成是連續(xù)分布的，可表示為坐標和時間的連續(xù)可微函數(shù)，從而可用數(shù)學手段進行研究。,EXIT,建方程的對象為流體微團。,EXIT,平衡和運動都要進行受力分析作用在微團上的力？,作用在流體微團上的力：質量力和面積力,質量力：與質量成正

7、比的力，用FQ表示，如重力、勻加速運動的慣性力、勻角速度旋轉的離心力。重力為外質量力。,單位質量流體受的力，稱單位質量力，大小即為加速度值。用 f 表示，在xyz-o坐標系中，f 的三分量為fx、fy、fz。在重力場中，fx0，fy0，fz-g，負號表示 fz 方向與重力方向相反。除特別說明，一般規(guī)定z正向豎直向上。,EXIT,面積力:作用在微團表面上與表面積大小成正比的力，也稱表面力，是內力。, 單位面積上的表面力稱為應力，分為切應力、壓強。粘性力為切力。,EXIT,平衡流體中不存在切應力，只有壓強。,表面張力是作用于自由表面上的切力。（自學）,依據(jù)力平衡可給出平衡微分方程，依據(jù)牛頓第二定律

8、可給出運動微分方程動量微分方程，同時，流動滿足質量守恒可給出連續(xù)性方程第一任務。,微分方程也稱為控制方程，加上積分條件，積分得到速度和壓強分布和能量守恒形式第二任務。,EXIT,由能量守恒可以解決能量損失問題第三任務。,由得到的速度和壓強分布，依據(jù)動量定理可以解決與固體壁作用力問題第四任務。,第四節(jié) 流體力學的發(fā)展簡史, 阿基米德，D.C250，論浮力，提出流體靜力學的浮力定律。 十五世紀末，達芬奇，研究了沉浮問題、孔口出流、物體運動阻力、流體在管路中和水渠中的流動問題。 十六、十七世紀，牛頓、伯努利、歐拉、伽利略、托利拆利及帕斯卡，作了大量的研究，由歐拉建立了經(jīng)典流體力學；牛頓，粘性定律。

9、達朗伯佯謬：“物體在理想流體中運動時，沒有對運動的阻力”，導致粘性流體動力學創(chuàng)立。,EXIT,分支： “理論流體力學”，“工程流體力學”“水力學”+“空氣動力學” 。 十九世紀，納維、斯托克斯，粘性流體運動的微分方程，即著名的N-S方程，亥姆霍茲、柯西霍夫，研究漩渦運動和分離運動。 重要的、有應用價值的是伯努利方程，它反映了流體流動過程中的能量守恒。 普朗特，邊界層理論，邊界層微分方程組 卡門，邊界層動量積分方程 激波理論，空間空氣動力學（自學）,EXIT,第五節(jié) 應用,EXIT,幻影2000,EXIT,大型民航客機，運輸機。,EXIT,EXIT,制造出航天飛機，建立太空站，實現(xiàn)了人類登月的夢

10、想。,EXIT,EXIT,海上采油平臺,EXIT,排水量達50萬噸以上的超大型運輸船；,EXIT,航速達30節(jié)，深潛達數(shù)百米的核動力潛艇,EXIT,時速達200公里的新型地效艇,EXIT,大型氣輪機,汽輪機葉片,EXIT,大型水輪機,水輪機,EXIT,大型水利樞紐工程,EXIT,EXIT,EXIT,楊浦大橋,EXIT,全球氣象預報（衛(wèi)星云圖）,EXIT,凝汽電廠的冷凝塔,EXIT,災害預報與控制,EXIT,高速交通工具,EXIT,各種工業(yè)裝置的優(yōu)化設計，降低能耗，減少污染,EXIT,毛細血管流動,EXIT,6、動力黏度、運動黏度、相對黏度的概念和量 綱（單位）,EXIT,本章小結：,2、連續(xù)性介質模型的定義和物理意義,1、研究流體力學問題的方法,3、作用在流體上的力 ：質量力和表面力,4、牛頓粘性定律,5、理想流體、牛頓流體、不可壓縮流體的概念,例1：一可動和一不動平板分別置于液體中， 間距h0.5mm。可動板V0.25m/s，水平右移，維持V不變，加在動板上的外應力為2Pa。求。,假定速度線性分布（層流），有,EXIT,解：由坐標系，按內摩擦定律：