9/20/2024工程流体力学工程流体力学艾辉林艾辉林上海应用技术学院上海应用技术学院TelTel：1368180595513681805955EmailEmail：mud2003mud2003 126.com126.comqq:16574955qq:16574955汽车阻力:（1）观念的变迁：空气对前部的撞击汽车尾流；（2）摩擦阻力和压差阻力：几个概念和问题（3）外形的变迁：阻力系数越来越小 省油。几个概念和问题 早期汽车后部是陡峭的(箱型车)，阻力系数约0.8。 用流体力学原理不断进行改进。Cd=0.45Cd=0.3 用流体力学原理不断进行改进。Cd=0.2Cd=0.137流体力学也是众多应用科学和工程技术的基础。由于空气动力学的发展，人类研制出23倍声速的战斗机。EXITF-22EXIT流体力学也是众多应用科学和工程技术的基础。由于空气动力学的发展，人类研制出2-3倍声速的战斗机。阵风使重量超过3百吨，面积达半个足球场的大型民航客机，靠空气的支托象鸟一样飞行成为可能，创造了人类技术史上的奇迹。EXIT利用超高速气体动力学，物理化学流体力学和稀薄气体力学的研究成果，人类制造出航天飞机，建立太空站，实现了人类登月的梦想。EXIT排水量达50万吨以上的超大型运输船；EXIT航速达30节，深潜达数百米的核动力潜艇；EXIT时速达200公里的新型地效艇等，它们的设计都建立在水动力学，船舶流体力学的基础之上。EXIT发展更快更安全更舒适的交通工具；EXIT新能源利用用翼栅及高温，化学，多相流动理论设计制造成功大型气轮机，水轮机，涡喷发动机等动力机械，为人类提供单机达百万千瓦的强大动力。汽轮机叶片EXIT用翼栅及高温，化学，多相流动理论设计制造成功大型气轮机，水轮机，涡喷发动机等动力机械，为人类提供单机达百万千瓦的强大动力。水轮机EXIT大型水利枢纽工程，超高层建筑，大跨度桥梁等的设计和建造离不开水力学和风工程。EXIT大型水利枢纽工程，超高层建筑，大跨度桥梁等的设计和建造离不开水力学和风工程。杨浦大桥EXIT大型水利枢纽工程，超高层建筑，大跨度桥梁等的设计和建造离不开水力学和风工程。EXIT21世纪人类面临许多重大问题的解决，需要流体力学的进一步发展，它们涉及人类的生存和生活质量的提高。全球气象预报；（卫星云图）EXIT灾害预报与控制EXIT流体力学需要与其他学科交叉，如工程学，地学，天文学，物理学，材料科学，生命科学等，在学科交叉中开拓新领域，建立新理论，创造新方法。毛细血管流动EXIT1 流体力学：力学的一个分支。2 人类:700万年;流体力学发展史:仅2000多年 （1）早期：农田灌溉、航运 （2）今天：已应用于环保、土木、供暖通风、化工、机械、动力、能源、水利、气象、航空、医学、生物，是现代工业的一门基础学科。3 课程教学目的：介绍基本现象、概念、规律。工 程 流 体 力 学一 绪 论1.1 基本概念（1）流体： 广义：能够流动的物质就叫流体， 狭义：气体和液体，密度和可压缩性的差别 力学：微小的剪切力 连续变形 流动（2）流体力学： 分类：静力学和动力学一 绪 论（3）研究方法： 空气：看不见摸不着 水：无色无味 流动形态变化太快 只能借助手段来进行研究： 现场观测、实验室模拟、理论分析、数值计算 肉眼难以观察肉眼难以观察 肉眼无法辨认肉眼无法辨认研究方法：理论分析 根据工程实际中流动现象的特点，建立流体运动的方程及边界条件，运用数学工具准确地或近似地求出方程的解。实验研究 根据模化理论对所研究的流动进行模拟，通过观察和测量，获得所需结果，可直接解决工程中复杂的问题，并能发现新的流动现象。 数值计算 将流体力学方程和边界条件采用适当的方法离散化，然后选取适当的计算方法，用计算机求解。发展简史：是从力学分枝而出的一门古老学科。应用：动力方面、机械方面、运输行业、日常生活等等 （4）主要任务：研究流体在静止和运动过程中所遵循的基本规律以及流体与流体、流体与固体之间在静止和运动时相互之间作用力的计算。o当飞行器以某一速度在静止空气中运动时，飞行器与空气的相对运动规律和相互作用力，与飞行器固定不动而让空气以同样大小和相反方向的速度流过飞行器的情况是等效的。相对性原理o可以将飞行器模型固定不动，人工制造直匀气流（风洞）流过物体，以便观察流动现象，测量模型受到的力，进行试验空气动力学研究。风洞测力实验风洞流动显示相对性原理 为研究提供了方便水洞实验室 流动显示 飞机尾流显示(水洞) 风 洞风洞试验计算网格发 展 简 史1.2 发展简史（1）公元前250，阿基米德： 流体静力学、论浮体，建立了浮力定律 和液体平衡理论； 此后一千多年，流体力学没有任何重大进展。（2）16世纪初，达芬奇： “孔口泄流”、“不可压流质量守恒连续性原理”；发 展 简 史（3）1650年，帕斯卡定律，流体中压强传递的过程； 但由于缺少：对力与运动间关系的了解、合适的 数学描述方法，研究偏重于实践和经验总结、静力 学； 流体动力学是在建立了速度、加速度，质量、 动量、能量守恒定律后，借助数学工具发展起来的。（4）17世纪初：牛顿三大定律、微积分，流体力学逐步迈进理性研究和持续发展阶段; （5）1730：皮托管为实验观测和分析提供了工具（6）1738：伯努利方程，V、P、H的关系，首次将牛顿力学、流体物理性质、压强3者结合在了一起。 流体动力学一书中首次出现了“流体力学”发 展 简 史（7）1748，罗蒙诺索夫：质量守恒定律 （8）1752，达朗贝尔：连续性方程（9）欧拉：理论流体力学的奠基人 1753，连续介质假设； 1755，建立了欧拉方程，首次用数学分析研究流体力学问题，奠定了理论流体力学的基础。发 展 简 史（10）1783，拉格朗日：随体的概念（11）1823、1845：N-S方程，流体动力学的理论基础（12）1883，层流和湍流；1895，粘流时均运动方程（13）1904-1921：普朗特、卡门等，边界层理论 现代流体力学形成的标志：边界层理论的建立； 普朗特：近代流体力学和空气动力学的奠基人。发 展 简 史（14）1903年，莱特兄弟， 飞机出现促进了空气动力学的发展。 茹科夫斯基：环量、升力定理；（15）20世纪60年代起，产生了大量的交叉学科。发 展 简 史1.3 流体力学在工程上的应用（1）空气动力学、气体动力学： 航空：大气层内，连续介质力学 航天：稀薄气体动力学（滑流、过渡流、自由 分子流）；等离子体 潜艇、船舶：液体压缩性小、粘性大 一 绪 论1.3 流体力学在工程上的应用（1）空气动力学、气体动力学： 汽车：F1 最完美的贴地飞行器 60年代，意识到空气动力学在赛车设计上的重要性；1968年首次出现了绕流翼板，开始利用绕流来控制F1，此后逐渐相信“谁掌握了空气，谁就掌握了F1”. F1各车队在空气动力学研发上的花费占整个预算的15%，仅次于引擎；一 绪 论 高级风洞：价值约4500万欧元；30秒内，加速到300K/h 设计理念：下压力（负升力）、阻力 下压力：Sonata、Bluebird：190Km/h 波音747起飞速度：280-300Km/h F1直道速度可达：370Km/h 下压力约为赛车重量的3.5倍 阻力：速度提高1Km，发动机增加7个马力； 空气阻力减少1，速度将增加3Km。一 绪 论法拉利的前翼雷诺的前翼（2）渗流力学：石油天然气、地下水、分离和过滤（3）等离子体、电磁流体力学 ：核聚变、发电、宇宙运动（4）多相流体力学：沙漠迁移、河流泥沙运动、管道输送（5）环境流体力学 ：风荷载、水和大气污染（6）生物流变学：血液流动、植物中营养输送（7）天气预报、星系螺旋运动、动力机械、供暖散热流体力学在工程上的应用一 绪 论1.4 流体的物理属性1.4.1 连续介质假设（1）流体由做无规热运动的分子组成，分子间有间隙： 微观：流体的运动、结构、物理量是不连续的 宏观：均匀、连续、确定的（2）1cm3水，3.341022个分子，分子间距为3108cm； 个别分子的行为不影响宏观物理量 连续介质假设（3）1753年，欧拉提出连续介质假设：流体为无间隙的连续体，由连续存在于整个空间的流体质点组成。 当微团体积趋于 宏观上充分小、 微观上充分大的某体积时，密度达到稳定值。但当体积继续缩小达到分子平均自由程量级时，其密度就不可能保持为常数。Axyz连续介质假设（4）连续介质假设是流体力学研究的理论基础 流体是宏观的均匀连续体 流体质点的位移 个别分子的位移 流体质点静止该分子团的静止，分子仍在运动流体的宏观性质1.4.2 流体的宏观性质（1）易流动性： 固体：有形状，静止时可承受法应力和切应力； 流体：没有形状，静止时不能承受切应力；切应力 会使流体产生任意大的变形，而且无法恢复。 F固体1F2t2t1流体流体的宏观性质1.4.2 流体的宏观性质（2）惯性： 质量、密度、比容、重度、相对密度；（3）万有引力: G = mg流 体 的 粘 性（4）粘性： 粘性的表象 流体的运动受粘性制约，粘性越大，流动性越差。 牛顿内摩擦定律流体在静止时不表现出粘性。动力粘度 运动粘度流 体 的 粘 性 粘性形成的原因： 分子间内聚力、分子热运动引起的动量交换. 液体： 温度升高，变小；分子间距小，内聚力大，起主要作用，温度升高间距增大，内聚力减小，粘度减小； 气体： 温度升高，变大；分子间距大，热运动引起的动量交换为主，温度升高，热运动加剧，动量交换加剧，粘性增大。流 体 的 粘 性 牛顿流体：温度不变时，粘度不变；水、空气、酒精 非牛顿流体：血浆、泥浆、油漆。 理想流体：粘度为0的牛顿流体。在流体的流动曲线中，流体的剪切应力和剪切速率之间呈现非线性的曲线关系，凡不服从牛顿黏性定律的流体称为非牛顿流体。 流 体 的 粘 性 例题例1： G sin= T = AU/ = Gsin/UA 流 体 的 粘 性例2：已知流体粘性=0.065 速度U=1m/s，求F 流 体 的 粘 性例2：F = (1+2)A = du/dy =U/ 1= 0.0651/0.005 = 13N/m2 2= 0.0651/0.015 = 4.33N/m2流 体 的 粘 性例3： = du/dy =2nr/ dA = 2rds = 2rdz/cos dF = dA 流体的宏观性质（5）压缩性：压力作用下体积减小 气体：没有一定体积，易压缩，为可压流体； 液体：有一定体积，不易压缩，看作不可压。如水： 100atm, V0.5;201000C,V4 体积压缩系数: ， 单位Pa-1 （6）膨胀性：温度升高体积增大 体积膨胀系数:流体的宏观性质（7）表面张力特性： 表面张力： 液体内部，总吸引力为0；自由表面，液体一侧吸引力大，自由表面有收缩的趋势。 表面张力系数：为单位长度表面所受的张力，单位为N/m。 毛细现象： ， 作用于流体上的力1.4.3 作用于流体上的力（1）表面力 通过直接接触作用于流体表面； 与作用面积成正比； 包括压力、切应力、摩擦力等（2）质量力：也称体积力 通过某种力场的形式作用于每个流体质点； 与质量成正比；包括重力、惯性力、电磁力等