1、課程安排,教 材： 張也影流體力學(xué)高等教育出版社 參考書：吳望一流體力學(xué)北京大學(xué)出版社 丁祖榮流體力學(xué)上海交通大學(xué)出版社,學(xué)時(shí)數(shù)：4844（理論課）4（實(shí)驗(yàn)課） 課程性質(zhì)：技術(shù)基礎(chǔ)課,第一節(jié) 緒論,學(xué)習(xí)基礎(chǔ) “高等數(shù)學(xué)”、“線性代數(shù)”、“理論力學(xué)”、“材料力學(xué)”、部分“矢量分析”方面的知識 學(xué)習(xí)方法 預(yù)習(xí)聽講復(fù)習(xí),一、流體的定義和特征,物質(zhì)三態(tài)： 在自然界，物質(zhì)的常見存在狀態(tài)是固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)、處在這三種形態(tài)下的物質(zhì)分別成為固體、液體和氣體。而又把液體和氣體合稱為流體。 從力學(xué)角度上講： 固體：既能承受壓力，也能承受拉力與抵抗拉伸變形的 流體：只能承受壓力，一般情形下是不能承受拉力與抵抗拉伸變

2、形的,液體和氣體的區(qū)別,氣體容易被壓縮：而液體卻難于壓縮 液體具有一定體積，因而存在一個(gè)自由液面；而氣體能夠充滿任意形狀的容器，即沒有一定的體積，也就不存在自由液面。,液體和氣體的共同點(diǎn),二者均具有以流動性，在微小切應(yīng)力作用下均會發(fā)生變形或流動，因此他們統(tǒng)稱為流體。,二、流體力學(xué)的任務(wù),（1）什么是流體力學(xué)？ （2）流體力學(xué)的基本任務(wù)？,二、流體力學(xué)的任務(wù),流體力學(xué)： 宏觀力學(xué)。 Fluid Mechanics, Fluid Hydrodynamics， Hydrodynamics,研究任務(wù)： 研究流體所遵循的宏觀運(yùn)動規(guī)律以及流體和周圍物體之間的相互作用。,三、流體力學(xué)的研究對象,流體力學(xué)的研

3、究對象就是流體（液體和氣體兩大類）以及在其中運(yùn)動的物體,四、流體力學(xué)的研究方法,目前常用的研究方法有： 理論分析 實(shí)驗(yàn)研究 數(shù)值計(jì)算,研究方法,理論分析: 根據(jù)實(shí)際問題建立理論模型 涉及微分體積法 速度勢法 保角變換法 實(shí)驗(yàn)研究方法: 根據(jù)實(shí)際問題利用相似理論建立實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?選擇流動介質(zhì) 設(shè)備包括風(fēng)洞、水槽、水洞、激波管、測試管系等 數(shù)值計(jì)算方法 ：根據(jù)理論分析的方法建立數(shù)學(xué)模型，選擇合適的計(jì)算方法，包括有限差分法、有限元法、特征線法、邊界元法等，利用商業(yè)軟件和自編程序計(jì)算，得出結(jié)果，用實(shí)驗(yàn)方法加以驗(yàn)證。,理論分析方法,目前流體力學(xué)理論研究的主攻方向是：湍流、流動穩(wěn)定性、渦運(yùn)動、水動力學(xué)、水波動

4、力學(xué)、復(fù)雜流動、多相流動等。理論分析結(jié)果能揭示流動的內(nèi)在規(guī)律，具有普遍適用性，但分析范圍有限。,理論分析方法,實(shí)驗(yàn)研究方法,典型的流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)有：風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)、水洞實(shí)驗(yàn)、水池實(shí)驗(yàn)等。,實(shí)驗(yàn)研究方法,實(shí)驗(yàn)研究方法,數(shù)值計(jì)算方法,數(shù)值計(jì)算方法,數(shù)值計(jì)算方法,思考題,隨著計(jì)算機(jī)性能不斷完善，容量不斷擴(kuò)大，你認(rèn)為數(shù)值計(jì)算方法最終可以替代 A、 理論分析方法。 B、實(shí)驗(yàn)方法。 C、都不能。,流體力學(xué)在工程中的應(yīng)用,航空航天航海,船舶運(yùn)動,地效翼艇 （WIG）,浮標(biāo),海洋平臺,潛器,流體力學(xué)在工程中的應(yīng)用,能源動力,發(fā)動機(jī) 四沖程,Wind Turbine,能源動力,飛機(jī)發(fā)動機(jī),蒸汽機(jī)車,流體力學(xué)也是眾多應(yīng)用

5、科學(xué)和工程技術(shù)的基礎(chǔ)。,由于空氣動力學(xué)的發(fā)展，人類研制出3倍聲速的戰(zhàn)斗機(jī)。,F-15,EXIT,例：飛機(jī)為什么能飛？各種飛機(jī)都是靠空氣動力克服自身重力實(shí)現(xiàn)升空的。,飛機(jī)在空中飛行，必然有外力作用。在水平飛行中，飛機(jī)上主要作用著4種力，它們是升力（Y）、阻力（X）、推力（P）和重力（G）。飛機(jī)的受力直接影響飛機(jī)的運(yùn)動狀態(tài)，它們相互平衡時(shí)，飛機(jī)便作水平勻速直線飛行。 盡管有各個(gè)部件的配合，但是最主要的是飛機(jī)有一對采用特殊剖面形狀的機(jī)翼。翼剖面又稱翼型。大家知道，機(jī)翼外形都是采用對稱流線形設(shè)計(jì)。根據(jù)流體的連續(xù)性和伯努利定理可知，相對遠(yuǎn)前方的空氣來說，流經(jīng)上翼面的氣流受擠，流速加快，壓力減小，甚至形成

6、吸力（負(fù)壓力）；而流過下翼面的氣流流速減慢。于是上下翼面就形成了壓力差。這個(gè)壓力差就是空氣動力。按力的分解法則，將其沿飛行方向分解成向上的升力和向后的阻力。阻力由發(fā)動機(jī)提供的推力克服，升力正好可克服自身的重力，將飛機(jī)托向空中。這就是飛機(jī)會飛的奧秘。,利用超高速氣體動力學(xué)，物理化學(xué)流體力學(xué)和稀薄氣體力學(xué)的研究成果，人類制造出航天飛機(jī)，建立太空站，實(shí)現(xiàn)了人類登月的夢想。,EXIT,流體力學(xué)需要與其他學(xué)科交叉，如工程學(xué)，地學(xué)，天文學(xué)，物理學(xué)，材料科學(xué)，生命科學(xué)等，在學(xué)科交叉中開拓新領(lǐng)域，建立新理論，創(chuàng)造新方法。,星云,EXIT,生物仿生學(xué),信天翁滑翔,應(yīng)用廣泛已派生出很多新的分支: 電磁流體力學(xué)、生

7、物流體力學(xué) 化學(xué)流體力學(xué)、地球流體力學(xué) 高溫氣體動力學(xué)、非牛頓流體力學(xué) 爆炸力學(xué)、流變學(xué)、計(jì)算流體力學(xué)等,EXIT,有關(guān)流體運(yùn)動的三個(gè)問題,1.高爾夫球：飛得遠(yuǎn)應(yīng)該表面光滑還是粗糙？ 2.汽車：阻力來自前部還是后部 3.機(jī)翼：升力來自下部還是上部,高爾夫球：飛得遠(yuǎn)應(yīng)該表面光滑還是粗糙？,思考題,表面凹窩狀的高爾夫球飛得更遠(yuǎn)是因?yàn)椋?A、與氣流接觸的外表面積減小了； B、凹窩狀表面使球更容易旋轉(zhuǎn)； C、其他。,汽車：阻力來自前部還是后部,汽車：阻力來自前部還是后部,機(jī)翼：升力來自下部還是上部,思考題,直升飛機(jī)沒有機(jī)翼，靠旋轉(zhuǎn)的漿翼產(chǎn)生升力，你認(rèn)為它產(chǎn)生環(huán)量的機(jī)理是 A 、 與旋轉(zhuǎn)的足球一樣； B

8、、與固定的機(jī)翼一樣； C、其他。,第二節(jié) 流體質(zhì)點(diǎn)與連續(xù)介質(zhì),流體的物理屬性 流體質(zhì)點(diǎn)的概念 連續(xù)介質(zhì)的概念,流體的物理屬性,流體的三個(gè)基本屬性： 由大量分子組成； 分子不斷作隨機(jī)熱運(yùn)動； 分子與分子之間存在著分子力的作用,流體的微觀特性,分子運(yùn)動特性。 時(shí)間上：隨機(jī)性； 空間上：不連續(xù)性。,流體的宏觀特性,液體有一定的體積無一定的形狀。 氣體既無一定體積也無一定形狀。,思考題,下圖是否適用于靜止流體？ A、是 B、不是；,流體的物理屬性,流體在力學(xué)性能上表現(xiàn)出的特點(diǎn)流動性： 1、流體不能承受拉力，因而流體內(nèi)部不存在抵抗拉伸變形的拉應(yīng)力。 2、流體在宏觀平衡狀態(tài)下不能承受剪切力，任何微小的剪切

9、力都會導(dǎo)致流體連續(xù)變形、平衡破壞、產(chǎn)生流動。,流體質(zhì)點(diǎn)假設(shè),所謂流體質(zhì)點(diǎn)就是流體中宏觀尺寸非常小而微觀尺寸又足夠大的任意一個(gè)物理實(shí)體。 假設(shè)： 流體質(zhì)點(diǎn)無線尺度；流體質(zhì)點(diǎn)具有宏觀特性；流體質(zhì)點(diǎn)的物理量值為周圍臨界體積 范圍內(nèi)物理量的統(tǒng)計(jì)平均值。,流體連續(xù)介質(zhì)模型,將流體作為由無窮多稠密、沒有間隙的流體質(zhì)點(diǎn)構(gòu)成的連續(xù)介質(zhì)，這就是1755年歐拉提出的“連續(xù)介質(zhì)模型”。 在連續(xù)性假設(shè)之下，表征流體狀態(tài)的宏觀物理量如速度、壓強(qiáng)、密度、溫度等在空間和時(shí)間上都是連續(xù)分布的，都可以作為空間和時(shí)間的連續(xù)函數(shù)。,連續(xù)介質(zhì)假設(shè),連續(xù)介質(zhì)假設(shè)：流體是由連續(xù)分布的流體質(zhì)點(diǎn)組成的介質(zhì)。 l .可運(yùn)用連續(xù)函數(shù)論數(shù)學(xué)工具描

10、述和分析流體運(yùn)動。 2 .連續(xù)介質(zhì)和流體質(zhì)點(diǎn)假設(shè)是對實(shí)際流體的數(shù)學(xué)抽象，就像幾何學(xué)對自然物圖形的抽象一樣 3 .只有在稀薄氣體和激波層內(nèi)等少數(shù)情況下，連續(xù)介質(zhì)假設(shè)才不適用,思考題,連續(xù)介質(zhì)假設(shè)不適用于稀薄氣體是因?yàn)?A、稀薄氣體的分子數(shù)太少，無法取統(tǒng)計(jì)平均值； B、要達(dá)到確定的統(tǒng)計(jì)平均值的臨界體積與物體相比太大。,流體的易變形性,l 、流體與固體的分子結(jié)構(gòu)存在差異，流體具有易變形性。 2 、流體的力學(xué)定義：流體不能抵抗任何剪切力作用下的剪切變形趨勢。 3 、流體的易變形性是流體的決定性特征，這決定了流體的許多特征行為：,思考題,有人說固體具有確定的形狀而流體沒有。據(jù)此定義常溫下一塊瀝青屬于固體

11、還是流體？ A、固體； B、流體。,思考題,固體表面凹凸不平，因此兩個(gè)固體表面接觸時(shí)總是存在縫隙。你認(rèn)為這種說法 A、對； B、錯(cuò)； C、不完全對,選C .因?yàn)閷蓧K固體表面都用磨床加工研磨后可以達(dá)到無縫隙接觸，如塊規(guī),第三節(jié) 流體的密度 相對密度 比體積,非均質(zhì) ： ( ) 均質(zhì)流體 比體積 密度的倒數(shù) 相對密度 式中 流體的密度（kg/m 3）； 4時(shí)水的密度（kg/m3 ）。,1、密度 單位體內(nèi)流體所具有的質(zhì)量，表征流體在空間的密集程度,2、重度：單位體積流體的重量，（specific weight） 均質(zhì)： 非均質(zhì)： 單位：牛頓/米3 （N/m3） 3、密度與重度的關(guān)系 牛頓第二定律：

12、 g9.8m/s2 水的重度：9800N/m3,第四節(jié) 流體的壓縮性和膨脹性,流體的膨脹性 當(dāng)壓強(qiáng)一定時(shí)，流體溫度變化體積改變的性質(zhì)稱為流體的膨脹性，膨脹性的大小用溫度膨脹系數(shù)來表示。 膨脹性系數(shù) 式中 或 為溫度增量； 為相應(yīng)的體積變化率。由于溫度升高體積膨脹，故二者同號。 的單位為1/K或1/。 水在不同溫度下的膨脹系數(shù)如表14所示。,第四節(jié)流體的壓縮性和膨脹性,當(dāng)溫度一定時(shí)，流體壓強(qiáng)變化體積改變的性質(zhì)稱為流體的壓縮性，壓縮性的大小用體積壓縮率來表示。,單位為：1/Pa,第四節(jié) 流體的壓縮性和膨脹性,流體的體積模量 在工程上也常用壓縮率的倒數(shù)來表示壓縮性，即令其為K。,思考題,1、推導(dǎo)氣體

13、的膨脹系數(shù) 2、推導(dǎo)氣體的壓縮率 3、推導(dǎo)流體團(tuán)質(zhì)量不變時(shí)，流體團(tuán)的體積模量,流體的有限增量形式,第四節(jié) 流體的壓縮性和膨脹性,為了研究問題的方便，規(guī)定等溫壓縮率 和體積膨脹系數(shù) 完全為零的流體叫做不可壓縮流體。 氣體和液體都是可壓縮的，通常將氣體視為可壓縮流體，液體視為不可壓縮流體。 水下爆炸：水也要視為可壓縮流體；當(dāng)氣體流速比較低時(shí)也可以視為不可壓縮流體。,可壓縮流體和不可壓縮流體,幾點(diǎn)說明：,嚴(yán)格地說，不存在完全不可壓縮的流體。,一般情況下的液體都可視為不可壓縮流體，管路中壓降較大時(shí)，應(yīng)作為可壓縮流體。 （發(fā)生水擊、水下爆破）。,對于氣體，當(dāng)所受壓強(qiáng)變化相對較小時(shí)，可視為不可壓縮流體。

14、（鍋爐尾部煙道）,流體的可壓縮性與流體內(nèi)聲音傳播速度的關(guān)系,由于流體的可壓縮性決定流體內(nèi)微弱擾動波的傳播速度，即流體內(nèi)聲音的傳播速度，故常用聲速來表示流體的可壓縮性聲速c與體積模量的關(guān)系為： 20時(shí)，水中聲速為1480m/s，空氣中聲速為340m/s，聲速越大表明流體越不易被壓縮。,例題一,P17,例題二,流體內(nèi)微小擾動波的傳播速度就是聲速，與流體的可壓縮性有關(guān)。流體可壓縮性越小，聲速越：（a） 小；（b） 大； 水中聲速比空氣中的聲速（a） ??；（b） 大；,例題三、水的可壓縮性,海水的密度與壓強(qiáng)的關(guān)系，可用如下經(jīng)驗(yàn)公式表示 上式中pa，a均為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的值。設(shè)海面上水的密度為 = 1030

15、 kg / m3，試求在海洋深處10 km處水的密度 、重度和相對密度？,第五節(jié) 流體的粘性,流體除易變形性外，還有抗拒快速變形的一面，稱為粘性。（當(dāng)用棒旋撥臉盆中部的水時(shí)，盆內(nèi)的水體被帶動作整體旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。把棒取出后，水旋轉(zhuǎn)速度逐漸減小，直到靜止，這個(gè)例子就說明了流體除了流動性外還具有帶動或阻止鄰近流體運(yùn)動的特性粘性）,第五節(jié) 流體的粘性流體粘性的表現(xiàn),表現(xiàn)一：相鄰兩層流體作相對運(yùn)動時(shí)有內(nèi)摩擦作用。 表現(xiàn)二：流體對固體表面的粘附作用。,流體的粘性 流體流動時(shí)產(chǎn)生內(nèi)摩擦力的性質(zhì)稱為流體的黏性。流體內(nèi)摩擦的概念最早由牛頓（I.Newton,1687，）提出。由庫侖（CACoulomb,1784，）

16、用實(shí)驗(yàn)得到證實(shí)。,第五節(jié) 流體的粘性,庫侖把一塊薄圓板用細(xì)金屬絲平吊在液體中，將圓板繞中心轉(zhuǎn)過一角度后放開，靠金屬絲的扭轉(zhuǎn)作用，圓板開始往返擺動，由于液體的粘性作用，圓板擺動幅度逐漸衰減，直至靜止。庫侖分別測量了普通板、涂臘板和細(xì)沙板，三種圓板的衰減時(shí)間。,三種圓板的衰減時(shí)間均相等。庫侖得出結(jié)論: 衰減的原因，不是圓板與液體之間的相互摩擦 ，而是液體內(nèi)部的摩擦 。,說明： 黏性產(chǎn)生的原因是由于分子間的引力 理想流體不表現(xiàn)出黏性 靜止流體不表現(xiàn)出黏性,液體的內(nèi)聚力,氣體的表觀切應(yīng)力,思考題,1、在庫侖實(shí)驗(yàn)中，三塊圓板的衰減時(shí)間比較是： A、細(xì)砂面普通面涂蠟面；B、涂蠟面普通面細(xì)砂面；C、細(xì)砂面=

17、普通面=涂蠟面； 2、流體內(nèi)摩擦是兩層流體之間的摩擦力，流體與固壁之間的摩擦力屬于 A、外摩擦力；B、內(nèi)摩擦力；C、兩者都不是。,速度梯度,牛頓內(nèi)摩擦定律（Newtons law of internal friction）1686,牛頓在自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理中假設(shè)：“流體兩部分由于缺乏潤滑而引起的阻力與速度梯度成正比”。 牛頓在1687年進(jìn)一步假設(shè)：流體內(nèi)摩擦力與兩層流體間的相對速度成正比。,據(jù)實(shí)驗(yàn)可得流體對上板的摩擦力為， 其切應(yīng)力為 其中u稱為粘度,牛頓內(nèi)摩擦定律,上式稱為牛頓粘性定律，它表明： 粘性切應(yīng)力與速度梯度成正比而非速度； 粘性切應(yīng)力與角變形速率成正比而非角變形量； 比例系數(shù)稱動力

18、粘度，簡稱粘度，粘度只能影響流動的快慢，卻不能停止流動。,流體內(nèi)摩擦切應(yīng)力（垂直于y的平面上的流體切應(yīng)力 ）,動力粘性系數(shù),V0上板移動速度,牛頓內(nèi)摩擦定律,公式適用條件：牛頓流體做層流運(yùn)動 物理意義：促使流體流動產(chǎn)生單位速度梯度的剪應(yīng)力。粘度總是與速度梯度相聯(lián)系，只有在運(yùn)動時(shí)才顯現(xiàn)出來。 牛頓粘性定律已獲得大量實(shí)驗(yàn)證實(shí)。 與固體的虎克定律作對比：f=kx,例題： 管流粘性切應(yīng)力分布,已知：粘度為u 的流體在半徑為R 的圓管中做定常層流，流量為 Q。設(shè)在圓管截面上軸向速度是拋物線分布為； 求：管壁的粘性切應(yīng)力和管軸上的粘性切應(yīng)力。,粘性,與垂直于流動方向的速度梯度du/dy成正比,與接觸面的面積A成正比,與流體的種類有關(guān),與接觸面上壓強(qiáng)P 無關(guān),牛頓流體和非牛頓流體,牛頓流體: 剪應(yīng)力和變形速率滿足線性關(guān)系。圖中A所示。絕大部分常用流體都是牛頓流體。如水、空氣、汽油、酒精。 如果測得 非牛頓流體：剪切應(yīng)力和變形速率之間不滿足線性關(guān)系的流體。 圖中B、C、D均屬非牛頓流體。,=常數(shù),則這種流體稱為牛頓流體。,牛頓流體與非牛頓流體,牛頓流體：適合牛頓內(nèi)摩擦定律的流體本書討論的流體 非牛頓流