1、工程流體力學Engineering Fluid Mechanics,顧 璇 Email：,緒論（INTRODUCTION）,為什么要學習流體力學,緒論（INTRODUCTION）,流體力學現(xiàn)象隨處可見,緒論（INTRODUCTION）,流體力學： 研究流體平衡和運動規(guī)律的科學 研究任務： 研究流體所遵循的宏觀運動規(guī)律以及流體和 周圍物體之間的相互作用 地位： 是一門重要的專業(yè)基礎課,緒論（INTRODUCTION）,流體力學在工程中的應用 航空航天航海,船舶運動,地效翼艇 （WIG）,浮標,海洋平臺,潛器,能源動力,飛機發(fā)動機,蒸汽機車,緒論（INTRODUCTION）,建筑與環(huán)境,楊浦大橋,

2、節(jié)能型建筑,緒論（INTRODUCTION）,氣象科學,氣象云圖,龍卷風,緒論（INTRODUCTION）,環(huán)境控制,污水凈化設備模型,電廠冷卻塔,緒論（INTRODUCTION）,緒論（INTRODUCTION）,和流體力學相關的工程領域,計算流體力學,氣體動力學,非牛頓流體力學,磁流體力學,環(huán)境流體力學,化學流體力學,多相流體力學,爆炸力學,學,力,體,流,流體力學派生出很多新的分支,緒論（INTRODUCTION）,流體力學在中國,錢學森 錢學森：浙江省杭州市人， 他在火箭、導彈、航天器的總體、動力、制導、氣動力、結構、材料、計算機、質量控制和科技管理等領域的豐富知識，為中國火箭導彈和航

3、天事業(yè)的創(chuàng)建與發(fā)展作出了杰出的貢獻。1957年獲中國科學院自然科學一等獎，1979年獲美國加州理工學院杰出校友獎，1985年獲國家科技進步獎特等獎。1989年獲小羅克維爾獎章和世界級科學與工程名人稱號，1991年被國務院、中央軍委授予“國家杰出貢獻科學家”榮譽稱號和一級英模獎章。,緒論（INTRODUCTION）,流體力學在中國,周培源：1902年8月28日出生，江蘇宜興人。理論學家、流體力學家主要從事物理學的基礎理論中難度最大的兩個方面即愛因斯坦廣義相對論引力論和流體力學中的湍流理論的研究與教學并取得出色成果。,吳仲華：在1952年發(fā)表的在軸流式、 徑流式和混流式亞聲速和超聲速葉輪機械中的三

4、元流普遍理論和在1975年發(fā)表的使用非正交曲線坐標的葉輪機械三元流動的基本方程及其解法兩篇論文中所建立的葉輪機械三元流理論，至今仍是國內外許多優(yōu)良葉輪機械設計計算的主要依據(jù)。,緒論（INTRODUCTION）,流體力學的西方史,阿基米德（Archimedes，公元前287212） 歐美諸國歷史上有記載的最早從事流體力學現(xiàn)象研究的是古希臘學者阿基米德在公元前250年發(fā)表學術論文論浮體，第一個闡明了相對密度的概念，發(fā)現(xiàn)了物體在流體中所受浮力的基本原理阿基米德原理。,緒論（INTRODUCTION）,流體力學的西方史,列奧納德.達.芬奇 （Leonardo.da.Vinci,14521519） 著名

5、物理學家和藝術家 設計建造了一小型水渠，系統(tǒng)地研究了物體的沉浮、孔口出流、物體的運動阻力以及管道、明渠中水流等問題。,伽利略（Galileo,1564-1642） 在流體靜力學中應用了虛位移原理，并首先提出，運動物體的阻力隨著流體介質密度的增大和速度的提高而增大。 托里析利（E.Torricelli,1608-1647） 論證了孔口出流的基本規(guī)律。,緒論（INTRODUCTION）,流體力學的西方史,牛 頓 是英國偉大的數(shù)學家、物理學家、天文學家和自然哲學家。1642年12月25日生于英格蘭林肯郡格蘭瑟姆附近的沃爾索普村，1727年3月20日在倫敦病逝。牛頓在科學上最卓越的貢獻是微積分和經(jīng)典力

6、學的創(chuàng)建。牛頓的成就，恩格斯在英國狀況十八世紀中概括得最為完整：牛頓由于發(fā)明了萬有引力定律而創(chuàng)立了科學的天文學，由于進行了光的分解而創(chuàng)立了科學的光學，由于創(chuàng)立了二項式定理和無限理論而創(chuàng)立了科學的數(shù)學，由于認識了力的本性而創(chuàng)立了科學的力學。,緒論（INTRODUCTION）,伯努利（D.Bernoulli，17001782）瑞士科學家 在1738年出版的名著流體動力學中，建立了流體位勢能、壓強勢能和動能之間的能量轉換關系伯努利方程。在此歷史階段，諸學者的工作奠定了流體靜力學的基礎，促進了流體動力學的發(fā)展。,流體力學的西方史,緒論（INTRODUCTION）,流體力學的西方史,歐 拉（L.Eule

7、r，17071783） 是經(jīng)典流體力學的奠基人，1755年發(fā)表流體運動的一般原理，提出了流體的連續(xù)介質模型，建立了連續(xù)性微分方程和理想流體的運動微分方程，給出了不可壓縮理想流體運動的一般解析方法。他提出了研究流體運動的兩種不同方法及速度勢的概念，并論證了速度勢應當滿足的運動條件和方程。,緒論（INTRODUCTION）,流體力學的西方史,拉格朗日（J.-L.Lagrange,17361813） 提出了新的流體動力學微分方程，使流體動力學的解析方法有了進一步發(fā)展。嚴格地論證了速度勢的存在，并提出了流函數(shù)的概念，為應用復變函數(shù)去解析流體定常的和非定常的平面無旋運動開辟了道路。,緒論（INTRODU

8、CTION）,流體力學的西方史,弗勞德（W.Froude，1810-1879）對船舶阻力和搖擺的研究頗有貢獻，他提出了船模試驗的相似準則數(shù)-弗勞德數(shù)，建立了現(xiàn)代船模試驗技術的基礎。 亥姆霍茲（H.von Helmholtz,1821-1894）和基爾霍夫（G.R.Kirchhoff,1824-1887）對旋渦運動和分離流動進行了大量的理論分析和實驗研究，提出了表征旋渦基本性質的旋渦定理、帶射流的物體繞流阻力等學術成就。,緒論（INTRODUCTION）,流體力學的西方史,納維（C.-L.-M.-H.Navier）首先提出了不可壓縮粘性流體的運動微分方程組。斯托克斯（G.G.Stokes）嚴格地

9、導出了這些方程，并把流體質點的運動分解為平動、轉動、均勻膨脹或壓縮及由剪切所引起的變形運動。后來引用時，便統(tǒng)稱該方程為納維-斯托克斯方程。,納維（L.Navier，17851836，法國）,斯托克斯（G.Stokes，18191903，英國）,緒論（INTRODUCTION）,流體力學的西方史,謝 才（A.de Chzy法國 ）在1755年便總結出明渠均勻流公式-謝才公式，一直沿用至今。 雷 諾（O.Reynolds，1842-1912）1883年用實驗證實了粘性流體的兩種流動狀態(tài)層流和紊流的客觀存在，找到了實驗研究粘性流體流動規(guī)律的相似準則數(shù)雷諾數(shù)，以及判別層流和紊流的臨界雷諾數(shù)，為流動阻力

10、的研究奠定了基礎。,緒論（INTRODUCTION）,流體力學的西方史,瑞 利（L.J.W.Reyleigh，1842-1919英國）在相似原理的基礎上，提出了實驗研究的量綱分析法中的一種方法-瑞利法。 庫 塔（M.W.Kutta，18671944）1902年就曾提出過繞流物體上的升力理論，但沒有在通行的刊物上發(fā)表。 儒科夫斯基（.,18471921）從1906年起，發(fā)表了論依附渦流等論文，找到了翼型升力和繞翼型的環(huán)流之間的關系，建立了二維升力理論的數(shù)學基礎。他還研究過螺旋槳的渦流理論以及低速翼型和螺旋槳槳葉剖面等。他的研究成果，對空氣動力學的理論和實驗研究都有重要貢獻，為近代高效能飛機設計奠

11、定了基礎。,緒論（INTRODUCTION）,流體力學的西方史,普朗特（L.Prandtl，18751953） 建立了邊界層理論，解釋了阻力產(chǎn)生的機制。以后又針對航空技術和其他工程技術中出現(xiàn)的紊流邊界層，提出混合長度理論。1918-1919年間，論述了大展弦比的有限翼展機翼理論，對現(xiàn)代航空工業(yè)的發(fā)展作出了重要的貢獻。 卡 門（T.von Krmn，1881-1963）在1911-1912年連續(xù)發(fā)表的論文中，提出了分析帶旋渦尾流及其所產(chǎn)生的阻力的理論，人們稱這種尾渦的排列為卡門渦街。在1930年的論文中，提出了計算紊流粗糙管阻力系數(shù)的理論公式。嗣后，在紊流邊界層理論、超聲速空氣動力學、火箭及噴氣

12、技術等方面都有不少貢獻,緒論（INTRODUCTION）,流體 力學 研究 內容,流體動力學 Fluid Dynamics,流體運動學 Fluid Kinematics,流體靜力學 Fluid Statics,緒論（INTRODUCTION）,流體動力學的特例，研究外力作用下流體平衡的條件及壓強分布,用幾何觀點來研究流體的運動而不涉及力的問題,用力學的觀點來研究流體的運動，研究外力作用下流體的運動規(guī)律，及流體與固體間的相互作用,Fluid Statics,Fluid Kinematics,Fluid Dynamics,緒論（INTRODUCTION）,目 錄,緒論（INTRODUCTION）,

13、流體力學的研究方法,緒論（INTRODUCTION）,流體力學研究方法的比較,緒論（INTRODUCTION）,緒論（INTRODUCTION）,讀書 教材+參考書 復習 進一步消化 認真做習題 可討論，交流，答疑,如何學習本門課程,緒論（INTRODUCTION）,參考書目： 夏泰淳工程流體力學（及配套習題解析）上海交通大學出版社 陳卓如工程流體力學第二版 高等教育出版社 丁祖榮工程流體力學（上、下冊）機械工業(yè)出版社 丁祖榮流體力學（上、中、下冊）高等教育出版社 吳望一流體力學（上、下冊）北京大學出版社 莊禮賢流體力學中國科學技術大學出版社,目 錄,流體及其物理性質（Fluid and It

14、s Properties）,流體 通俗理解：能夠流動的物質叫流體 力學解釋：在任何微小的剪切力的作用下都能夠發(fā)生連續(xù)變形的物質稱為流體。,一、流體的定義和特征,流體與固體在力學特性上最本質的區(qū)別在于：二者承受剪應力和產(chǎn)生剪切變形能力上的不同。,流體與固體的宏觀差別： 固體可保持一定體積和形狀 液體可保持一定體積不能保持形狀 氣體既不能保持體積也能不保持形狀,流體及其物理性質（Fluid and Its Properties）,易流動性,定義：流體在靜止時不能承受剪力，抵抗剪切變形的 性質,流體及其物理性質（Fluid and Its Properties）,流體及其物理性質（Fluid and

15、 Its Properties）,液體和氣體的區(qū)別,流體及其物理性質（Fluid and Its Properties）,原因： 分子間距不同導致分子間作用力不同,當受到物體擾動時，流體所表現(xiàn)出的是大量分子運動體現(xiàn)出的宏觀特性變化如壓強、密度等，而不是個別分子的行為。 流體力學所關注的正是這樣的宏觀特征而不是個別分子的微觀特征。,連續(xù)介質（Continuum）的概念,分子間隙,連續(xù)介質,流體及其物理性質（Fluid and Its Properties）,流體質點概念、連續(xù)介質模型,流體及其物理性質（Fluid and Its Properties）,（1）流體質點：也稱流體微團，是指尺度大小

16、同一切流動空間相比微不足道且又含有大量分子，具有一定質量的流體微元。 （2）連續(xù)介質：質點連續(xù)地充滿所占空間的流體或固體。,流體及其物理性質（Fluid and Its Properties）,連續(xù)介質模型：把流體視為沒有間隙地充滿它所占據(jù)的整個空間的一種連續(xù)介質，且其所有的物理量都是空間坐標和時間的連續(xù)函數(shù)的一種假設模型，如u=u(t,x,y,z)。,流體及其物理性質（Fluid and Its Properties）,優(yōu)點： 1）可以不考慮復雜的微觀粒子運動。 2）物理量是時空連續(xù)函數(shù)，則可以利用連續(xù)函數(shù)這一數(shù)學工具來研究問題。,流體及其物理性質（Fluid and Its Propert

17、ies）,表面力 作用在所考慮的流體(或稱分離體)表面上，與接觸面積成正比。,三、作用在流體上的力（表面力和質量力）,表面力的合力:,單位表面力的法向分力 切向分力,流體及其物理性質（Fluid and Its Properties）,質量力 作用在流體的每一個質點(或微團)上，與流體質量成正比。,三、作用在流體上的力（表面力和質量力）,總質量力:,單位質量力f定義,特點:(1)作用在流體體積上，隨空間位置和時間變化。 (2)單位質量力及其在各個坐標軸的分量的單位為m/s2，與加速度的單位相同,流體及其物理性質（Fluid and Its Properties）,三、作用在流體上的力（表面力和

18、質量力）,質量力,單位質量力分量的表現(xiàn)形式,流體及其物理性質（Fluid and Its Properties）,46,四 流體的主要物理性質,1. 流體的密度（Density） 定義：單位體積流體所具有的質量，用符號來表示。 物理意義：是流體的重要屬性之一，它表征流體在空間某點質量的密集程度。 表達式： 對于流體中各點密度相同的均質流體 式中： 流體的密度，kg/m3； m 流體的質量，kg； V流體的體積，m3。,流體及其物理性質（Fluid and Its Properties）,2020/9/3,對于各點密度不同的非均質流體，在流體的空間中某點取包含該點的微小體積 ，該體積內流體的質量

19、 則該點的密度為 2、流體的相對密度（Relative Density） 流體的相對密度是指某種流體的密度與4時水的密度的比值，用符號d來表示。,流體及其物理性質（Fluid and Its Properties）,48,流體的密度隨壓強和溫度的變化而變化,密度常用值： 水 =1000 kg/m3 （常溫常壓） 水銀 =13600 kg/m3 空氣 =1.2 kg/m3,流體及其物理性質（Fluid and Its Properties）,2020/9/3,49,3 流體的比體積 （Specific Volume）定義：流體密度的倒數(shù)，即單位質量流體所占據(jù)的體積。表達式：4 混合氣體的密度按各

20、組分氣體所占體積百分數(shù)來計算,流體及其物理性質（Fluid and Its Properties）,2020/9/3,50,例2.1 已經(jīng)測得鍋爐煙氣各組分氣體的體積百分數(shù)分別為：CO213.6%, SO20.4%, O24.2%,N275.6%,H2O6.2%，試求煙氣的密度。,流體及其物理性質（Fluid and Its Properties）,2020/9/3,流體的壓縮性和膨脹性 隨著壓強的增加，流體體積縮小 隨著溫度的增高，流體體積膨脹 這是所有流體的共同屬性 1、流體的膨脹性 流體膨脹性的大小用體積膨脹系數(shù) 來表示，它表示當壓強不變時，升高一個單位溫度所引起流體體積的相對增加量，即

21、,流體及其物理性質（Fluid and Its Properties）,2020/9/3,水的體脹系數(shù) （1/）,流體及其物理性質（Fluid and Its Properties）,53,2、流體的壓縮性,表示:體積壓縮系數(shù) 物理意義：當溫度保持不變時，單位壓強增量引起流體體積的相對縮小量 式中 流體的體積壓縮系數(shù)，m2/N； 流體壓強的增加量，Pa； 原有流體的體積，m3； 流體體積的增加量，m3。 體積模量：壓縮系數(shù)的倒數(shù)，用K表示。,流體及其物理性質（Fluid and Its Properties）,2020/9/3,氣體的壓縮性要比液體的壓縮性大得多 氣體的密度隨著溫度和壓強的改變

22、將發(fā)生顯著的變化。 對于完全氣體，其密度與溫度和壓強的關系可用熱力學中的狀態(tài)方程表示， 在工程上，不同壓強和溫度下氣體的密度可按下式計算： 為標準狀態(tài)(0,101325Pa)下某種氣體的密度。如空氣的 1.293kg/m3；煙氣的 1.34kg/m3。 為在溫度t、壓強 N/下，某種氣體的密度。,流體及其物理性質（Fluid and Its Properties）,2020/9/3,例2-2 在厚壁圓筒中受到壓縮的水，當壓強為1MPa時，其體積為1000cm3 ，當壓強增至5 MPa時，其體積變?yōu)?98cm3 ，求水的體積模量K,流體及其物理性質（Fluid and Its Propertie

23、s）,可壓縮流體和不可壓縮流體 壓縮性是流體的基本屬性。任何流體都是可以壓縮的，只不過可壓縮的程度不同而已。 不可壓縮流體: =0的流體。 不可壓均質流體:密度為常數(shù)的流體。 可壓縮流體：密度隨溫度和壓強變化的流體。 在實際工程中，要不要考慮流體的壓縮性，要視具體情況而定。 管道中水擊和水下爆炸 鍋爐尾部煙道和通風管道中的氣體 氣體對物體流動的相對速度比聲速要小得多時,流體及其物理性質（Fluid and Its Properties）,壁面不滑移假設,由于流體的易變形性，流體與固壁可實現(xiàn)分子量級的粘附作用。通過分子內聚力使粘附在固壁上的流體質點與固壁一起運動。, 壁面不滑移假設已獲得大量實驗

24、證實，被稱為壁面不滑移條件。,流體及其物理性質（Fluid and Its Properties）,58,流體的粘性,定義：流體微團間發(fā)生相對滑移時（流體內部質點間或流層間的相對運動）產(chǎn)生切向阻力以反抗相對運動的性質。,流體及其物理性質（Fluid and Its Properties）,流體的黏性實驗,實驗結果：,寫成等式：,式中 F 流體層接觸面上的內摩擦力，N； A流體層間的接觸面積，m2； du/dy垂直于流動方向上的速度梯度，1/s； 動力粘度，Pas。,流體及其物理性質（Fluid and Its Properties）,牛頓內摩擦定律,式中： 粘性切應力，是單位面積上的內 摩擦力

25、，N/m2 或Pa。 牛頓內摩擦定律：流體運動時，相鄰流層間所產(chǎn)生的切應力與剪切變形的速率成正比。,流體及其物理性質（Fluid and Its Properties）,說明：1）流體的切應力與速度梯度、剪切變形速率(角變形率)成正比。 2）流體的切應力與動力粘性系數(shù)成正比。 3）對于平衡流體du/dy=0或理想流體=0，所以不產(chǎn)生切應力， =0。 4）牛頓1686年提出，后人驗證.,流體及其物理性質（Fluid and Its Properties）,流體及其物理性質（Fluid and Its Properties）,1、賓漢型流體： 00，n=1,=Const,2、假(偽)塑性流體： 0

26、=0，n1,3、牛頓流體： 0=0，n=1,=Const,4、膨脹流體： 0=0，n1,5、理想流體： 0=0，=0,流體,流體及其物理性質（Fluid and Its Properties）,粘性的量度 1）定義：粘性大小由粘度來量度。流體的粘度是由流動流體的內聚力和分子的動量交換所引起的。 2）分類 動力粘度：是反映流體粘滯性大小的系數(shù)，單位Ns/m2 運動粘度：又稱運動粘性系數(shù)，單位m2/s,流體及其物理性質（Fluid and Its Properties）,流體及其物理性質（Fluid and Its Properties）,氣體動力黏度隨溫度的變化可近似用Sutherland公式：

27、 混合氣體的動力黏度可以用下列近似關系式,流體及其物理性質（Fluid and Its Properties）,粘度的影響因素 （1）流體種類：相同條件下液體的粘度一般大于氣體 的粘度。 （2）壓強：常見的流體水、氣體等， 值隨壓強的變 化不 大，一般可忽略不計。 （3）溫度：是影響粘度的主要因素。當溫度升高時， 液體的粘度減小，氣體的粘度增加。,流體及其物理性質（Fluid and Its Properties）,理想流體（簡化的力學模型）： =0 （不考慮粘性）,流體及其物理性質（Fluid and Its Properties）,粘性流體（實際流體）： 0 （考慮粘性）,例2-3 氣缸的內徑D=152.6mm，活塞的直徑d=152.4mm，長l=304.8mm。已知潤滑油的運動粘度v=9.14410-5m2 /s，密度為920kg/m3 ,活塞的運動速度為6m/s,試求克服摩擦阻力所消耗的功率。 例2-4 試計算例2-1中所述煙氣在標準狀態(tài)下的動力黏度和運動黏度。,流體及其物理性質（Fluid and Its Properties）,液體的表面性質 表面張力 表面張力現(xiàn)象：空氣中的雨滴呈球狀，液體的自由表面好像一個被拉緊了的彈性薄膜。 定義： 在液體表面，分子作用范圍內，由于分子引力大 于斥力，在表面沿表面方向產(chǎn)生張力。 方向：與液體