流體力學(xué)第一章緒論.ppt

1、工程流體力學(xué),制作、主講：韓家德 TELEXIT,適用專業(yè)：熱能工程,課程知識(shí)體系,第一單元：基本概念流體及性質(zhì),EXIT,第二單元：流體靜力學(xué)平衡與受力,第三單元：運(yùn)動(dòng)學(xué)運(yùn)動(dòng)描述,第四單元：理想流體動(dòng)力學(xué)歐拉方程，平面勢流、漩渦理論基礎(chǔ),第五單元：粘性流體動(dòng)力學(xué)方程及應(yīng)用,第六單元：相似原理實(shí)驗(yàn)解法,EXIT,教材：工程流體力學(xué)（第二版），高等教育出版社，陳卓如主編,學(xué)時(shí)：60（理論授課52，實(shí)驗(yàn)8）,考核辦法：平時(shí)30%（實(shí)驗(yàn)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(xué)學(xué)科基礎(chǔ)課。,EXIT,流體概念、性質(zhì)，流體力學(xué)的任務(wù)、研究對

2、象及方法。,第一節(jié) 流體及其性質(zhì),1、流體：在微小的剪切力連續(xù)作用下，就會(huì)發(fā)生無休止變形的物質(zhì)。,EXIT,2、性質(zhì),流動(dòng)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(zhì)量或重量,（2）、比容：單位質(zhì)量流體占據(jù)的容積,EXIT,注意：、均是壓強(qiáng)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(zhì)流體重量與1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下 4同體積蒸餾水重量之比。,（5）、相對密度：均質(zhì)流體質(zhì)量與1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下4同體積蒸餾水質(zhì)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(qiáng)變化時(shí)的體積 相對變化率,標(biāo)志可壓縮性大小。,EXI

3、T,（1）、熱膨脹率：壓強(qiáng)不變，流體溫度變化 1時(shí)的體積相對變化率，用表示,實(shí)際流體都是可壓縮的。 不可壓縮流體模型：（與均質(zhì)流體不同）,注意：在研究水擊現(xiàn)象時(shí)，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(shí)，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(nèi)產(chǎn)生內(nèi)摩擦力的性質(zhì)。阻礙流體運(yùn)動(dòng)，造成損失。 產(chǎn)生原因：a、分子間吸引力產(chǎn)生阻力。 b、分子不規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)和動(dòng)量交換產(chǎn)生阻力。,EXIT,、 流體粘性,（2）牛頓粘性定律內(nèi)摩擦定律,與流體性質(zhì)有關(guān)的比例系數(shù)， 稱動(dòng)力粘度或粘度系數(shù)，Pa.s，,EXIT,內(nèi)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(zhì)有關(guān)。,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(dòng)力粘度是因量綱中有力學(xué)因素,EXIT,1）、動(dòng)力粘度,（3）粘性表示方法,2）、運(yùn)動(dòng)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(jì)中流出時(shí)間t1與同體積蒸餾水在20時(shí)流出的時(shí)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(shí)的粘度,假設(shè)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(wù),（2）任務(wù)：建立描述流體運(yùn)動(dòng)的基本方程，確定流場中速度v、壓強(qiáng) p 的分布規(guī)律；探求能量轉(zhuǎn)換及阻力損失的計(jì)算方法，解決流體與限制其流動(dòng)的固體壁之間的相互作用力問題。,（1）對象：流體力學(xué)是研究流體平衡和運(yùn)動(dòng) 規(guī)律的一門科學(xué)。,EXIT,第三節(jié) 流體力學(xué)的研究方法,1、一般方法： 確定研究課題。 建立物理、數(shù)學(xué)模型 理論分析和實(shí)驗(yàn)研究，形成理論。 檢驗(yàn)、修正和完善理論。,EXIT,流場：研究的所有流體質(zhì)點(diǎn)的集合。,EXIT,質(zhì)點(diǎn)：含有流體微觀粒子且占據(jù)空間一個(gè) 坐標(biāo)

6、點(diǎn)的微元，或稱流體微團(tuán)。,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(xué)方法描述建立微分方程？,引入：連續(xù)性介質(zhì)模型。,2、思路,連續(xù)介質(zhì)模型： （1）定義：由足夠數(shù)量的微觀粒子組成的流體微團(tuán)，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(zhì)模型。 （2）物理意義：模型化的流體介質(zhì)的一系列參數(shù)如壓強(qiáng)、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(biāo)和時(shí)間的連續(xù)可微函數(shù)，從而可用數(shù)學(xué)手段進(jìn)行研究。,EXIT,建方程的對象為流體微團(tuán)。,EXIT,平衡和運(yùn)動(dòng)都要進(jìn)行受力分析作用在微團(tuán)上的力？,作用在流體微團(tuán)上的力：質(zhì)量力和面積力,質(zhì)量力：與質(zhì)量成正

7、比的力，用FQ表示，如重力、勻加速運(yùn)動(dòng)的慣性力、勻角速度旋轉(zhuǎn)的離心力。重力為外質(zhì)量力。,單位質(zhì)量流體受的力，稱單位質(zhì)量力，大小即為加速度值。用 f 表示，在xyz-o坐標(biāo)系中，f 的三分量為fx、fy、fz。在重力場中，fx0，fy0，fz-g，負(fù)號(hào)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(tuán)表面上與表面積大小成正比的力，也稱表面力，是內(nèi)力。, 單位面積上的表面力稱為應(yīng)力，分為切應(yīng)力、壓強(qiáng)。粘性力為切力。,EXIT,平衡流體中不存在切應(yīng)力，只有壓強(qiáng)。,表面張力是作用于自由表面上的切力。（自學(xué)）,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(yùn)動(dòng)微分方程動(dòng)量微分方程，同時(shí)，流動(dòng)滿足質(zhì)量守恒可給出連續(xù)性方程第一任務(wù)。,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(qiáng)分布和能量守恒形式第二任務(wù)。,EXIT,由能量守恒可以解決能量損失問題第三任務(wù)。,由得到的速度和壓強(qiáng)分布，依據(jù)動(dòng)量定理可以解決與固體壁作用力問題第四任務(wù)。,第四節(jié) 流體力學(xué)的發(fā)展簡史, 阿基米德，D.C250，論浮力，提出流體靜力學(xué)的浮力定律。 十五世紀(jì)末，達(dá)芬奇，研究了沉浮問題、孔口出流、物體運(yùn)動(dòng)阻力、流體在管路中和水渠中的流動(dòng)問題。 十六、十七世紀(jì)，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(xué)；牛頓，粘性定律。

9、達(dá)朗伯佯謬：“物體在理想流體中運(yùn)動(dòng)時(shí)，沒有對運(yùn)動(dòng)的阻力”，導(dǎo)致粘性流體動(dòng)力學(xué)創(chuàng)立。,EXIT,分支： “理論流體力學(xué)”，“工程流體力學(xué)”“水力學(xué)”+“空氣動(dòng)力學(xué)” 。 十九世紀(jì)，納維、斯托克斯，粘性流體運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)和分離運(yùn)動(dòng)。 重要的、有應(yīng)用價(jià)值的是伯努利方程，它反映了流體流動(dòng)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(dòng)量積分方程 激波理論，空間空氣動(dòng)力學(xué)（自學(xué)）,EXIT,第五節(jié) 應(yīng)用,EXIT,幻影2000,EXIT,大型民航客機(jī)，運(yùn)輸機(jī)。,EXIT,EXIT,制造出航天飛機(jī)，建立太空站，實(shí)現(xiàn)了人類登月的夢

10、想。,EXIT,EXIT,海上采油平臺(tái),EXIT,排水量達(dá)50萬噸以上的超大型運(yùn)輸船；,EXIT,航速達(dá)30節(jié)，深潛達(dá)數(shù)百米的核動(dòng)力潛艇,EXIT,時(shí)速達(dá)200公里的新型地效艇,EXIT,大型氣輪機(jī),汽輪機(jī)葉片,EXIT,大型水輪機(jī),水輪機(jī),EXIT,大型水利樞紐工程,EXIT,EXIT,EXIT,楊浦大橋,EXIT,全球氣象預(yù)報(bào)（衛(wèi)星云圖）,EXIT,凝汽電廠的冷凝塔,EXIT,災(zāi)害預(yù)報(bào)與控制,EXIT,高速交通工具,EXIT,各種工業(yè)裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)，降低能耗，減少污染,EXIT,毛細(xì)血管流動(dòng),EXIT,6、動(dòng)力黏度、運(yùn)動(dòng)黏度、相對黏度的概念和量 綱（單位）,EXIT,本章小結(jié)：,2、連續(xù)性介質(zhì)模型的定義和物理意義,1、研究流體力學(xué)問題的方法,3、作用在流體上的力 ：質(zhì)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(dòng)和一不動(dòng)平板分別置于液體中， 間距h0.5mm?？蓜?dòng)板V0.25m/s，水平右移，維持V不變，加在動(dòng)板上的外應(yīng)力為2Pa。求。,假定速度線性分布（層流），有,EXIT,解：由坐標(biāo)系，按內(nèi)摩擦定律：