工程流體力學(xué)機(jī)械工程學(xué)院主講:楊陽(博士、副教授2013年03月本課程的性質(zhì)和任務(wù)《工程流體力學(xué)》是機(jī)械設(shè)計(jì)制造及自動(dòng)化、車輛工程、材料成形與控制工程等專業(yè)一門主要技術(shù)基礎(chǔ)課程。它的主要任料成形與控制工程等專業(yè)門它的主要任務(wù)是通過各教學(xué)環(huán)節(jié),運(yùn)用各種教學(xué)手段和方法,使學(xué)生掌握流體運(yùn)動(dòng)的基本概念、基本原理、基本計(jì)算方法;培養(yǎng)學(xué)生分流體運(yùn)動(dòng)的基本概念基本原基本計(jì)算方法培養(yǎng)學(xué)生分析、解決問題的能力和實(shí)驗(yàn)技能,為學(xué)習(xí)后繼課程、從事工程技術(shù)工作和科學(xué)研究以及開拓新技術(shù)領(lǐng)域打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)?？倢W(xué)時(shí):32總學(xué)時(shí)教學(xué)方法:課堂講授與實(shí)驗(yàn)教學(xué)相結(jié)合,采用多媒體演示完成。考試方式閉卷考試方式:閉卷第一章緒論?有關(guān)流體運(yùn)動(dòng)與流體力學(xué)的三個(gè)問題;?流體力學(xué)的發(fā)展概況;?流體力學(xué)的概念;?流體力學(xué)的概述與應(yīng)用;?流體力學(xué)課程的性質(zhì)、目的、基本要求;流體力學(xué)課程的性質(zhì)目的基本要求;?流體力學(xué)的研究方法;?流體的連續(xù)介質(zhì)模型;?流體的主要物理性質(zhì)——慣性、粘性、壓縮性;?理想流體與實(shí)際流體、可壓縮流體與不可壓縮流體、牛頓流體與非牛頓流體概念頓流體與非牛頓流體概念。第一節(jié)流體力學(xué)及其發(fā)展概況有關(guān)流體運(yùn)動(dòng)與流體力學(xué)的問題人類雖然長(zhǎng)期生活在空氣和水環(huán)境中,對(duì)一些流體運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象卻缺乏認(rèn)識(shí),現(xiàn)舉三例。A.高爾夫球:表面光滑還是粗糙?B.汽車阻力:來自前部還是后部?C.機(jī)翼升力:來自下部還是上部?A.高爾夫球:表面光滑還是粗糙?高爾夫球運(yùn)動(dòng)起源于15世紀(jì)的蘇格蘭,當(dāng)時(shí)人們認(rèn)為表面光滑的球飛行阻力小,因此用皮革制球。表面光滑的球飛行阻力小因此用皮革制球后來發(fā)現(xiàn)表面有很多劃痕的舊球反而飛得更遠(yuǎn),這個(gè)謎直到20世紀(jì)建立流體力學(xué)邊界層理論后才解開?，F(xiàn)在的高爾夫球表面有很多窩坑,在同樣大小和重量下,飛行距離為光滑球的5倍。思考題:表面凹窩狀的高爾夫球飛得更遠(yuǎn)是因?yàn)?考表窩的高爾夫球得為A與氣流接觸的外表面積減小了;凹窩狀表面使球更容易旋轉(zhuǎn)B凹窩狀表面使球更容易旋轉(zhuǎn);C其它。汽車發(fā)明于19世紀(jì)末當(dāng)時(shí)人們認(rèn)為汽車的阻力主要來B.汽車阻力:來自前部還是后部?汽車發(fā)明于19世紀(jì)末,當(dāng)時(shí)人們認(rèn)為汽車的阻力主要來自前部對(duì)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)(C很大,約為0.8。箱型車阻力系數(shù)D很大約為實(shí)際上汽車阻力主要來自后部形成的尾流,稱為形狀阻力。50-60年代改進(jìn)為船型,阻力系數(shù)為0.45。20世紀(jì)30年代起,人們開始運(yùn)用流體力學(xué)原理改進(jìn)汽車尾部形狀,出現(xiàn)甲殼蟲型阻力系數(shù)降至06出現(xiàn)甲殼蟲型,阻力系數(shù)降至0.6。80年代經(jīng)過風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)研究后,又改進(jìn)為魚型,阻力系數(shù)為03,90年代后,科研人員研制開發(fā)的未來型汽車阻力系數(shù)僅為0137進(jìn)為魚型,阻力系數(shù)為0.3,汽車,阻力系數(shù)僅為0.137。目前在汽車外形設(shè)計(jì)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(dòng)力學(xué)性能和更低的耗油率外形使汽車具有更好的動(dòng)力學(xué)性能和更低的耗油率。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C.機(jī)翼升力:來自下部還是上部?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)初建立的流體力學(xué)環(huán)量理論,徹底改變了人們的傳統(tǒng)觀念。脫體渦量與機(jī)翼環(huán)量大小相等方向相反足球的香蕉球現(xiàn)象可幫助理解環(huán)量理論流體力學(xué)的任務(wù)和應(yīng)用豐富多彩的流動(dòng)圖案背后隱藏著復(fù)雜的力學(xué)規(guī)律,具有高度智慧的人類為揭示流動(dòng)奧秘建立了流體力學(xué)學(xué)科,研究和解決生產(chǎn)、科研、生活中的流體運(yùn)動(dòng)問題就是流體力學(xué)的任務(wù)。生活中的流體運(yùn)動(dòng)問題就是流體力學(xué)的任務(wù)航空、航海、水利、水文、氣象、環(huán)境保護(hù)、農(nóng)業(yè)、漁業(yè)國防等部門必需掌握水和空氣的宏觀運(yùn)動(dòng)規(guī)律業(yè)、國防等部門必需掌握水和空氣的宏觀運(yùn)動(dòng)規(guī)律。航空、航天、造船、機(jī)械、動(dòng)力、冶金、化工、石油等部門設(shè)備中工作介質(zhì)都是流體,為了改進(jìn)流程、提高效率需要流體力學(xué)的知識(shí)。油壓千斤頂磨床油壓系統(tǒng)1、活塞右移2、活塞左移3、溢流閥溢流4、油泵卸荷體液利用流體動(dòng)力的液力變矩器后驅(qū)式前驅(qū)式AT轎車的驅(qū)動(dòng)形式流體力學(xué)發(fā)展簡(jiǎn)史流體力學(xué)是在人類同自然界作斗爭(zhēng)和在生產(chǎn)實(shí)踐中逐步發(fā)展起來的。古時(shí)中國有大禹治水疏通江河的傳說;秦朝李冰父子帶領(lǐng)勞動(dòng)人民修建的都江堰,至今還在發(fā)揮著作用;大約與此同時(shí),古羅馬人建成了大規(guī)模的供水管道系統(tǒng)等視頻規(guī)模的供水管道系統(tǒng)等。對(duì)流體力學(xué)學(xué)科的形成作出第一個(gè)貢獻(xiàn)的是古對(duì)流體力學(xué)學(xué)科的形成作出第個(gè)貢獻(xiàn)的是古希臘的阿基米德,他建立了包括物理浮力定律和浮體穩(wěn)定性在內(nèi)的液體平衡理論奠定了流體靜力學(xué)體穩(wěn)定性在內(nèi)的液體平衡理論,奠定了流體靜力學(xué)的基礎(chǔ)。此后千余年間,流體力學(xué)沒有重大發(fā)展。直到15世紀(jì),意大利達(dá)·芬奇的著作才談到水波、管流、水力機(jī)械、鳥的飛翔原理等問題;17世紀(jì),管流水力機(jī)械鳥的飛翔原理等問題17世紀(jì)帕斯卡闡明了靜止流體中壓力的概念。流體力學(xué)尤其是流體動(dòng)力學(xué)作為一門嚴(yán)密的科學(xué),卻是隨著經(jīng)典力學(xué)建立了速度、加速度,力、流場(chǎng)等概念,以及質(zhì)量、動(dòng)量、能量三個(gè)守恒定律的奠定之后才逐步形成的。17世紀(jì),力學(xué)奠基人牛頓研究了在流體中運(yùn)動(dòng)的物體所受到的阻力,得到阻力與流體密度、物體迎流截面積以及運(yùn)動(dòng)速度的平方成正比的關(guān)系。他針對(duì)粘性流體運(yùn)動(dòng)時(shí)的內(nèi)摩擦力也提出了牛頓粘性定律。但是,牛頓還沒有建立起流體動(dòng)力學(xué)的理論基礎(chǔ),他提出的許多力學(xué)模型和結(jié)論同實(shí)際情形還有較大的差別。法國皮托發(fā)明了測(cè)量流速的皮托管;達(dá)朗貝爾對(duì)運(yùn)河中船只的阻力進(jìn)行了許多實(shí)驗(yàn)工作,證實(shí)了阻力同物體運(yùn)動(dòng)速度之間的平方關(guān)系。作證實(shí)了阻力同物體運(yùn)動(dòng)速度之間的平方關(guān)系瑞士的歐拉采用了連續(xù)介質(zhì)的概念,把靜力學(xué)中壓力的概念推廣到運(yùn)動(dòng)流體中,建立了歐拉方程,正確地用微分方程組描述了無粘流體的運(yùn)動(dòng);伯努利從經(jīng)典力學(xué)的能量守恒出發(fā),研究供水管道中水的流動(dòng),精心地安排了實(shí)驗(yàn)并加以分析,得到了流體定常運(yùn)動(dòng)下的流速、壓力、管道高程之間的關(guān)系--伯努利方程。歐拉方程和伯努利方程的建立,是流體動(dòng)力學(xué)作為一個(gè)分支學(xué)科建立的標(biāo)志,從此開始了用微分方程和實(shí)驗(yàn)測(cè)量進(jìn)行流體運(yùn)動(dòng)定量研究的階段。普朗特學(xué)派從1904年到1921年逐步將N-S方程普朗特學(xué)派從1904年到1921年逐步將NS方程作了簡(jiǎn)化,從推理、數(shù)學(xué)論證和實(shí)驗(yàn)測(cè)量等各個(gè)角度,建立了邊界層理論,能實(shí)際計(jì)算簡(jiǎn)單情形下,度建立了邊界層理論能實(shí)際計(jì)算簡(jiǎn)單情形下邊界層內(nèi)流動(dòng)狀態(tài)和流體同固體間的粘性力。同時(shí)普朗克又提出了許多新概念,并廣泛地應(yīng)用到飛機(jī)和汽輪機(jī)的設(shè)計(jì)中去。這一理論既明確了用到飛機(jī)和汽輪機(jī)的設(shè)計(jì)中去這理論既明確了理想流體的適用范圍,又能計(jì)算物體運(yùn)動(dòng)時(shí)遇到的摩擦阻力。使上述兩種情況得到了統(tǒng)一。摩擦阻力使上述兩種情況得到了統(tǒng)20世紀(jì)初,飛機(jī)的出現(xiàn)極大地促進(jìn)了空氣動(dòng)力世紀(jì)初飛機(jī)的出現(xiàn)極大地促進(jìn)了空氣動(dòng)力學(xué)的發(fā)展。航空事業(yè)的發(fā)展,期望能夠揭示飛行器周圍的壓力分布飛行器的受力狀況和阻力等問題周圍的壓力分布、飛行器的受力狀況和阻力等問題,這就促進(jìn)了流體力學(xué)在實(shí)驗(yàn)和理論分析方面的發(fā)展。20世紀(jì)初,以儒科夫斯基、恰普雷金、普朗克等為代表的科學(xué)家,開創(chuàng)了以無粘不可壓縮流體位勢(shì)流理論為基礎(chǔ)的機(jī)翼理論,闡明了機(jī)翼怎樣會(huì)受到舉力,從而空氣能把很重的飛機(jī)托上天空機(jī)翼到舉力,從而空氣能把很重的飛機(jī)托上天空。機(jī)翼理論的正確性,使人們重新認(rèn)識(shí)無粘流體的理論,肯定了它指導(dǎo)工程設(shè)計(jì)的重大意義?？隙酥笇?dǎo)程設(shè)計(jì)的大意義機(jī)翼理論和邊界層理論的建立和發(fā)展是流體力學(xué)的次重大進(jìn)展,它使無粘流體理論同粘性流體學(xué)的一次重大進(jìn)展它使無粘流體理論同粘性流體的邊界層理論很好地結(jié)合起來。隨著汽輪機(jī)的完善和飛機(jī)飛行速度提高,又迅速擴(kuò)展了從19世紀(jì)就開始的對(duì)空氣密度變化效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)和理論研究,為高速飛行提供了理論指導(dǎo)。20世紀(jì)40年代以后,由于噴氣推進(jìn)和火箭技術(shù)的應(yīng)用,實(shí)現(xiàn)了航天飛行,使氣體高速流動(dòng)的研究的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了航天飛行使氣體高速流動(dòng)的研究進(jìn)展迅速,形成了氣體動(dòng)力學(xué)、物理-化學(xué)流體動(dòng)力學(xué)等分支學(xué)科學(xué)等分支學(xué)科。以這些理論為基礎(chǔ),20世紀(jì)40年代,關(guān)于炸藥或天然氣等介質(zhì)中發(fā)生的爆轟波又形成了新的理論,為研究原子彈、炸藥等起爆后,激波在空氣或水中的傳播,發(fā)展了爆炸波理論。流體力學(xué)又發(fā)展了許多分支,如高超聲速空氣動(dòng)力學(xué)、超音速空氣動(dòng)力學(xué)、稀薄空氣動(dòng)力學(xué)、電磁流體力學(xué)、計(jì)算流體力學(xué)、兩相(氣液或氣固流等等流等等。這些巨大進(jìn)展是和采用各種數(shù)學(xué)分析方法和建立大型、精密的實(shí)驗(yàn)設(shè)備和儀器等研究手段分不開的的。從年代子計(jì)算機(jī)斷完善使原來用50年代起,電子計(jì)算機(jī)不斷完善,使原來用分析方法難以進(jìn)行研究的課題,可以用數(shù)值計(jì)算方法來進(jìn)行出現(xiàn)了計(jì)算流體力學(xué)這新的分支學(xué)科法來進(jìn)行,出現(xiàn)了計(jì)算流體力學(xué)這一新的分支學(xué)科。與此同時(shí)由于民用和軍用產(chǎn)的需要液體動(dòng)與此同時(shí),由于民用和軍用生產(chǎn)的需要,液體動(dòng)力學(xué)等學(xué)科也有很大進(jìn)展。20世紀(jì)60年代,根據(jù)結(jié)構(gòu)力學(xué)和固體力學(xué)的需要,出現(xiàn)了計(jì)算彈性力學(xué)問題的有限元法。經(jīng)過十多年的發(fā)展,有限元分析這項(xiàng)新的計(jì)算方法又開始在流體力學(xué)中應(yīng)用,尤其是在低速流和流體邊界形狀甚為復(fù)雜問題中,優(yōu)越性更加顯著。近年來又開始了用有限元方法研究高速流的問題,也出現(xiàn)了有限元方法和差分方法的互相滲透和融合。從20世紀(jì)60年代起,流體力學(xué)開始了流體力學(xué)和其他學(xué)科的互相交叉滲透,形成新的交叉學(xué)科或邊緣學(xué)科,如物理-化學(xué)流體動(dòng)力學(xué)、磁流體力學(xué)等;原來基本上只是定性地描述的問題,逐步得到定量的研究,生物流變學(xué)就是一個(gè)例子。第二節(jié)流體力學(xué)的概念和研究對(duì)象一、流體力學(xué)概念流體力學(xué)是力學(xué)的一個(gè)獨(dú)立分支,是一門研究流體的平衡和流體機(jī)械運(yùn)動(dòng)規(guī)律及其實(shí)際應(yīng)用的技術(shù)科學(xué)。體機(jī)械動(dòng)規(guī)律其實(shí)際應(yīng)用技術(shù)科學(xué)所研究的基本規(guī)律,有兩大組成部分:關(guān)于流體平衡的規(guī)律,它研究流體處于靜止(或相對(duì)平衡狀態(tài)時(shí)作用于流體上的各種力之間的關(guān)系關(guān)于流體運(yùn)動(dòng)的規(guī)律,它研究流體在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí),作用于流體的力與運(yùn)動(dòng)要素之間的關(guān)系以及流體的運(yùn)動(dòng)特征與能量轉(zhuǎn)狀態(tài)時(shí),作用于流體上的各種力之間的關(guān)系——流體靜力學(xué);體的力與運(yùn)動(dòng)要素之間的關(guān)系,以及流體的運(yùn)動(dòng)特征與能量轉(zhuǎn)換等——流體動(dòng)力學(xué)。流體力學(xué)在研究流體平衡和機(jī)械運(yùn)動(dòng)規(guī)律時(shí),要應(yīng)用物理學(xué)及理論力學(xué)中有關(guān)物理平衡及運(yùn)動(dòng)規(guī)律的原理,如力系平衡定理、動(dòng)量定理、動(dòng)能定理,等等。因?yàn)榱黧w在平衡或運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下,也同樣遵循等等因?yàn)榱黧w在平衡或運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下也同樣遵循這些普遍的原理。所以物理學(xué)和理論力學(xué)的知識(shí)是學(xué)習(xí)流體力學(xué)課程必要的基礎(chǔ)。學(xué)習(xí)流體力學(xué)課程必要的基礎(chǔ)理論研究方法通過對(duì)液體物理性質(zhì)和流動(dòng)特性的科學(xué)抽象(近似,提出合理的理論模型。根據(jù)機(jī)械運(yùn)動(dòng)的普遍規(guī)律,建立控制液體運(yùn)動(dòng)的閉合方程組,將原來的具體流動(dòng)問題轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)問題,閉合方程組將原來的具體流動(dòng)問題轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)問題在相應(yīng)的邊界條件和初始條件下求解。理論研究方法的關(guān)鍵在于提出理論模型,并能運(yùn)用數(shù)學(xué)方法求出理論結(jié)果,達(dá)到揭示液體運(yùn)動(dòng)規(guī)律的用數(shù)學(xué)方法求出理論結(jié)果達(dá)到揭示液體運(yùn)動(dòng)規(guī)律的目的。但由于數(shù)學(xué)上的困難,許多實(shí)際流動(dòng)問題還難以精確求解以精確求解。理論方法中,流體力學(xué)引用的主要定理有:質(zhì)量守恒定律動(dòng)量守恒定律牛頓運(yùn)動(dòng)第二定律機(jī)械能轉(zhuǎn)化與守恒定律實(shí)驗(yàn)研究方法應(yīng)用流體力學(xué)是一門理論和實(shí)踐緊密結(jié)合的應(yīng)用流體力學(xué)是門理論和實(shí)踐緊密結(jié)合的基礎(chǔ)學(xué)科。它的許多實(shí)用公式和系數(shù)都是由實(shí)驗(yàn)得來的。至今,工程中的許多問題,即使能用現(xiàn)代理來的至今工程中的許多問題即使能用現(xiàn)代理論分析與數(shù)值計(jì)算求解的,最終還要借助實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)修正。修正數(shù)值研究方法數(shù)值方法是在計(jì)算機(jī)應(yīng)用的基礎(chǔ)上,采用各種數(shù)值方法是在計(jì)算機(jī)應(yīng)用的基礎(chǔ)上采用各種離散化方法(有限差分法、有限元法等,建立各種數(shù)值模型,通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算和數(shù)值實(shí)驗(yàn),得數(shù)值模型通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算和數(shù)值實(shí)驗(yàn)得到在時(shí)間和空間上許多數(shù)字組成的集合體,最終獲得定量描述流場(chǎng)的數(shù)值解。近二三十年來,這一方法得定量描述流場(chǎng)的數(shù)值解近二三十年來這方法得到很大發(fā)展,已形成專門學(xué)科——計(jì)算流體力學(xué)。二、流體的基本特征在地球上物質(zhì)存在的主要形式有z物質(zhì)的三態(tài)在地球上,物質(zhì)存在的主要形式有:固體、液體和氣體。流體和固體的區(qū)別:從力學(xué)分析的意義上看,在于它們對(duì)外力抵抗的能力不同。固體具有抵抗壓力、拉力和切力三種能力。因而在外力作用下,通常只發(fā)生較小的變形,而且而在外力作用下通常只發(fā)生較小的變形而且到一定程度后變形就停止。固體固體單元的變形流體由于不能保持一定的形狀,所以它僅能抵抗壓力而不能抵抗拉力和切力。它受到拉力作用時(shí)就要發(fā)生連續(xù)不斷的變形即流動(dòng)。流體包括液體和氣體。流體流體單元的變形兩者均具有易流動(dòng)性,即在任何微小切應(yīng)力作用下都會(huì)發(fā)生變形或流動(dòng)z液體和氣體的共同點(diǎn):用下都會(huì)發(fā)生變形或流動(dòng)。液體氣體的別z液體和氣體的區(qū)別:(1(2液體有一定的體積,存在一個(gè)自由液面;氣體(1氣體易于壓縮;而液體難于壓縮;能充滿任意形狀的容器,無一定的體積,不存在自由液面。第三節(jié)流體的主要物理性質(zhì)一、慣性一切物質(zhì)都具有質(zhì)量,流體也部例外。質(zhì)量是物質(zhì)的基本屬性之一,是物體慣性大小的量度,質(zhì)量越大,慣性也越大單位體積流體的質(zhì)量稱為密度(d