1、流 體 力 學 Fluid Mechanics田書玲南京航空航天大學航空宇航學院第一部分什么是流體？有何特征？什么是流體？有何特征？n自然界中物質存在形式：自然界中物質存在形式：n固體固體n液體液體n氣體氣體n液體和氣體統(tǒng)稱流體液體和氣體統(tǒng)稱流體n固體、液體和氣體放置于密閉容器內：固體、液體和氣體放置于密閉容器內：n固體保持原有體積和形狀；固體保持原有體積和形狀；n液體保持原有體積，形狀適應容器；液體保持原有體積，形狀適應容器；n氣體將充滿容器氣體將充滿容器。n流體極易發(fā)生剪切變形，靜止時不能承受剪切力流體極易發(fā)生剪切變形，靜止時不能承受剪切力力學范疇內的幾個劃分力學范疇內的幾個劃分力力 學學

2、 流體力學流體力學流體靜力學流體靜力學流體動力學流體動力學液體動力學液體動力學氣體動力學氣體動力學空氣動力學空氣動力學其它力學其它力學空氣動力學基礎部分空氣動力學基礎部分（課程結構）（課程結構）n預備知識預備知識n偏微分方程、矢量分析偏微分方程、矢量分析n場論、在矢量場內的微積分場論、在矢量場內的微積分n守恒律、熱力學定律守恒律、熱力學定律n流體力學流體力學基本原理和分析方法基本原理和分析方法n無粘不可壓流動無粘不可壓流動nBernoulli 方程方程、位流理論與基本解位流理論與基本解、K-J定理定理n無粘可壓流動無粘可壓流動n熱力學定律熱力學定律、等熵流動等熵流動、激波理論激波理論、高速管流

3、高速管流n粘性流動粘性流動邊界層理論邊界層理論初步初步部件空氣動力學部件空氣動力學（后續(xù)課程結構）（后續(xù)課程結構）n低速翼型理論低速翼型理論n幾何特點、幾何特點、K-J后緣條件、薄翼型理論后緣條件、薄翼型理論n低速機翼氣動特性低速機翼氣動特性nB-S定律、升力線（面）理論定律、升力線（面）理論n亞音速空氣動力學亞音速空氣動力學n小擾動線化理論、薄翼型（機翼）氣動特性小擾動線化理論、薄翼型（機翼）氣動特性n超音速空氣動力學超音速空氣動力學n薄翼型線化理論、跨音速流動、高超音速流動薄翼型線化理論、跨音速流動、高超音速流動n計算流體力學（計算流體力學（CFD）n網格生成、控制方程解算網格生成、控制方

4、程解算參考文獻參考文獻n徐華舫，徐華舫，空氣動力學基礎空氣動力學基礎，北航版，北航版nH. Schlichting, Boundary layer theory, 7EdnJ.D. Anderson, Introduction to FlightnE.L. Houghton & P.W. Carpenter, Aerodynamics for Engineering StudentsnG.K. Batchelor, An Introduction to Fluid DynamicsnD.J. Tritton, Physical Fluid Dynamicsnhttp:/ Anderso

5、n Fundamentals of Aerodynamics.第一章第一章 流體力學的基礎知識流體力學的基礎知識n基本任務和應用領域基本任務和應用領域n流體力學的研究方法流體力學的研究方法n流體力學發(fā)展概述流體力學發(fā)展概述n流體介質的物理特性流體介質的物理特性n氣動力、力矩及氣動力系數(shù)氣動力、力矩及氣動力系數(shù)n矢量和積分矢量和積分n控制體、流體微團以及物質導數(shù)控制體、流體微團以及物質導數(shù)第一章第一章 流體力學的基礎知識流體力學的基礎知識n基本任務基本任務和應用領域和應用領域n流體力學的研究方法流體力學的研究方法n流體力學發(fā)展概述流體力學發(fā)展概述n流體介質的物理特性流體介質的物理特性n氣動力、力

6、矩及氣動力系數(shù)氣動力、力矩及氣動力系數(shù)n矢量和積分矢量和積分n控制體、流體微團以及物質導數(shù)控制體、流體微團以及物質導數(shù)流體力學的基本任務流體力學的基本任務n流體力學是研究流體與周圍物體存在相流體力學是研究流體與周圍物體存在相對運動時的對運動時的運動規(guī)律運動規(guī)律和和力的作用力的作用的科學的科學n研究對象：與物體相對運動流體研究對象：與物體相對運動流體n探尋流體運動的基本規(guī)律探尋流體運動的基本規(guī)律n研究流體與固體之間的相互作用研究流體與固體之間的相互作用n應用流體力學規(guī)律解決工程技術問題應用流體力學規(guī)律解決工程技術問題n預測流體力學新的發(fā)展方向預測流體力學新的發(fā)展方向第一章第一章 流體力學的基礎知

7、識流體力學的基礎知識n基本任務和基本任務和應用領域應用領域n流體力學的研究方法流體力學的研究方法n流體力學發(fā)展概述流體力學發(fā)展概述n流體介質的物理特性流體介質的物理特性n氣動力、力矩及氣動力系數(shù)氣動力、力矩及氣動力系數(shù)n矢量和積分矢量和積分n控制體、流體微團以及物質導數(shù)控制體、流體微團以及物質導數(shù)研究流體運動的科學研究流體運動的科學航空航天航空航天研究流體運動的科學研究流體運動的科學生物學、仿生學與醫(yī)學生物學、仿生學與醫(yī)學研究流體運動的科學研究流體運動的科學建筑學、風工程建筑學、風工程研究流體運動的科學研究流體運動的科學地球物理、大氣動力學、氣象學地球物理、大氣動力學、氣象學應用領域應用領域第

8、一章第一章 流體力學的基礎知識流體力學的基礎知識n基本任務和應用領域基本任務和應用領域n流體力學的流體力學的研究方法研究方法n流體力學發(fā)展概述流體力學發(fā)展概述n流體介質的物理特性流體介質的物理特性n氣動力、力矩及氣動力系數(shù)氣動力、力矩及氣動力系數(shù)n矢量和積分矢量和積分n控制體、流體微團以及物質導數(shù)控制體、流體微團以及物質導數(shù)主要研究方法主要研究方法n實驗研究實驗研究n理論分析理論分析n數(shù)值計算數(shù)值計算實驗設備實驗設備風洞風洞 wind tunnel80 x120ft, NASAs Ames Res. Center, 1999水洞水洞 water tank激波管激波管 shock tube實驗測

9、試技術實驗測試技術n機械機械n光、電、聲、熱光、電、聲、熱流動顯示技術流動顯示技術實驗研究方法實驗研究方法n實驗準備工作要求較高實驗準備工作要求較高n盡可能排除不必要的影響因素盡可能排除不必要的影響因素n可能涉及機械、力學、光學、電子可能涉及機械、力學、光學、電子實驗結果較為真實、直接、可靠實驗結果較為真實、直接、可靠 模型尺寸限制模型尺寸限制 實驗邊界的影響實驗邊界的影響 準備周期長準備周期長 影響因素多，測量過程易受干擾影響因素多，測量過程易受干擾 大量的人力和物力消耗大量的人力和物力消耗理論分析方法理論分析方法n流動的模型化流動的模型化問題的抽象表達問題的抽象表達n找出主要因素，忽略次要

10、因素找出主要因素，忽略次要因素n控制方程的建立與解算控制方程的建立與解算n后處理和分析后處理和分析 未計及因素的修正未計及因素的修正數(shù)值計算方法數(shù)值計算方法n求解方法多樣化求解方法多樣化n有限差分有限差分( (FDM) )、有限元、有限元( (FEM) )、有限體積、有限體積方法方法( (FVM) )、譜方法、譜方法n對常規(guī)問題耗費相對較小對常規(guī)問題耗費相對較小n可用于解算復雜流場的流動可用于解算復雜流場的流動n計算者必須對精度、穩(wěn)定性、模型的合計算者必須對精度、穩(wěn)定性、模型的合理性有清楚的認識理性有清楚的認識n某些流動難以精確模擬某些流動難以精確模擬第一章第一章 流體力學的基礎知識流體力學的

11、基礎知識n基本任務和應用領域基本任務和應用領域n流體力學的研究方法流體力學的研究方法n流體力學發(fā)展概述流體力學發(fā)展概述n流體介質的物理特性流體介質的物理特性n氣動力、力矩及氣動力系數(shù)氣動力、力矩及氣動力系數(shù)n矢量和積分矢量和積分n控制體、流體微團以及物質導數(shù)控制體、流體微團以及物質導數(shù)流體力學發(fā)展概述流體力學發(fā)展概述（-1800）nI. Newton，船舶的阻力, 1726nD. Bernoulli, Hydrodynamica, 1738nL. Euler, 不可壓無粘流動方程組，1755nDAlembert 疑題, 1744nLagrange, 流體動力學解析方法的提出Daniel I.

12、Bernoulli (1700-1782)Leonhard Paul Euler (1707-1783)Jean le Rond dAlembert (1717 1783) 流體力學發(fā)展概述流體力學發(fā)展概述（1800- ）Simon-Denis Poisson (1781 1840) Pierre-Simon, marquis de Laplace (1749 - 1827)nPoisson,解決了繞球的無旋流動, 1826nLaplace, Laplace方程, 1827nRankine, 奇點法解Laplace方程，位流理論，1868nHelmholtz,漩渦運動理論，流動穩(wěn)定性Willi

13、am John Macquorn Rankine (18201872) Hermann Ludwig Ferdinand von Helmholtz(1821 1894) 流體力學發(fā)展概述流體力學發(fā)展概述（1800- ）nNavier-Stokes, 粘性流體的一般方程, 1826,1845nO.Reynolds, 湍流,1876-1883, Reynolds平均方程, 1895nRankine(1870)-Hugoniot(1887)激波關系式nWright, Flyer-1, 1903nKutta-Joukowski(1906)升力公式Claude-Louis Navier (1785 1

14、836)Sir George Gabriel Stokes1st Baronet FRS (18191903)Osborne Reynolds (18421912) Nikolai Y. Zhukovsky (1847 1921)Martin Wilhelm Kutta(1867-1944) 流體力學發(fā)展概述流體力學發(fā)展概述（1800- ）nPrantdl, n邊界層理論, 1904; 升力線理論,1918-1919n湍流邊界層的混合長模型,1925;nTollmien(1929)-Schlichting(1933),T-S不穩(wěn)定性nVon Karman積分關系式nVon Karman-Tsi

15、en公式，1944Ludwig Prandtl (1875 1953)Walter Tollmien (1900-1968)Hermann Schlichting (1907-1982)Theodore von Krmn(1881 1963)錢學森(1911-2009)第一章第一章 流體力學的基礎知識流體力學的基礎知識n基本任務和應用領域基本任務和應用領域n流體力學的研究方法流體力學的研究方法n流體力學發(fā)展概述流體力學發(fā)展概述n流體介質的物理特性流體介質的物理特性n氣動力、力矩及氣動力系數(shù)氣動力、力矩及氣動力系數(shù)n矢量和積分矢量和積分n控制體、流體微團以及物質導數(shù)控制體、流體微團以及物質導數(shù)流

16、體介質的物理特性流體介質的物理特性n連續(xù)介質假設連續(xù)介質假設n流體流動的相關物理量流體流動的相關物理量n完全氣體狀態(tài)方程完全氣體狀態(tài)方程n壓縮性、粘性和傳熱性壓縮性、粘性和傳熱性n流體的模型化流體的模型化連續(xù)介質假設連續(xù)介質假設n分子平均自由程分子平均自由程 和物體特征尺寸和物體特征尺寸d dn自由分子流自由分子流/ /非連續(xù)流動非連續(xù)流動n 和和d d在同一量級在同一量級n連續(xù)流動連續(xù)流動 continnum flow n dn低密度流動低密度流動n連續(xù)介質假設連續(xù)介質假設流體介質的物理特性流體介質的物理特性n連續(xù)介質假設連續(xù)介質假設n流體流動的相關物理量流體流動的相關物理量n完全氣體狀態(tài)方

17、程完全氣體狀態(tài)方程n壓縮性、粘性和傳熱性壓縮性、粘性和傳熱性n流體的模型化流體的模型化流動相關的物理量流動相關的物理量流體的流體的dvdmdv0limdvdm流體的流體的dAdFdAdFpdA0lim流體的溫度流體的溫度32KEkTEKk流體的速度流體的速度StreamlineABFluid element流體介質的物理特性流體介質的物理特性n連續(xù)介質假設連續(xù)介質假設n流體流動的相關物理量流體流動的相關物理量n完全氣體狀態(tài)方程完全氣體狀態(tài)方程n壓縮性、粘性和傳熱性壓縮性、粘性和傳熱性n流體的模型化流體的模型化完全氣體狀態(tài)方程完全氣體狀態(tài)方程：),(TpppRT流體介質的物理特性流體介質的物理特

18、性n連續(xù)介質假設連續(xù)介質假設n流體流動的相關物理量流體流動的相關物理量n完全氣體狀態(tài)方程完全氣體狀態(tài)方程n壓縮性、粘性和傳熱性壓縮性、粘性和傳熱性n流體的模型化流體的模型化流體的壓縮性流體的壓縮性VdVdpE/ddpE VdVd流體的粘性流體的粘性nvvAA空氣粘性實驗流體的粘性流體的粘性空氣粘柱實驗模型（臥式轉盤）流體的粘性流體的粘性nu流體的粘性流體的粘性n氣體氣體 隨溫度升高而增大隨溫度升高而增大n液體液體 隨溫度升高而減小隨溫度升高而減小CTCT15.28815.2885 . 10流體的熱傳導特性流體的熱傳導特性nTq Tn流體介質的物理特性流體介質的物理特性n連續(xù)介質假設連續(xù)介質假設

19、n流體流動的相關物理量流體流動的相關物理量n完全氣體狀態(tài)方程完全氣體狀態(tài)方程n壓縮性、粘性和傳熱性壓縮性、粘性和傳熱性n流體的模型化流體的模型化流體的模型化流體的模型化n流體具有多方面的物理屬性流體具有多方面的物理屬性n考慮所有物理屬性，問題非常復雜考慮所有物理屬性，問題非常復雜n關注主導物理屬性，忽略次要物理屬性關注主導物理屬性，忽略次要物理屬性n根據實際流動問題，簡化出各種流體模型根據實際流動問題，簡化出各種流體模型流體流動的不同范疇流體流動的不同范疇n流動速度流動速度（Mach理想流體模型理想流體模型不可壓流體模型不可壓流體模型絕熱流體模型絕熱流體模型00const0t第一章第一章 流體力學的基礎知識流體力學的基礎知識n基本任務和應用領域基本任務和應用領域n流體力學的研究方法流體力學的研究方法n流體力學發(fā)展概述流體力學發(fā)展概述n流體介質的物理特性流體介質的物理特性n氣動力、力矩及氣動力系數(shù)氣動力、力矩及氣動力系數(shù)n矢量和積分矢量和積分n控制體、流體微團以及物質導數(shù)控制體、流體微團以及物質導數(shù)安225Vpx0VcossinsincosANDANLuuuuuuuudspdAdspdN)cossin()sincos(Figure 1.11 in Andersons F