流体力学(刘鹤年)第一章

流体力学多媒体课件河南城建学院武晓刚2020/2/15河南城建学院武晓刚绪论第一节流体力学及其任务流体力学是研究流体机械运动规律及其应用的科学，是力学的一个重要分支。流体力学研究的对象——液体和气体。2020/2/15河南城建学院武晓刚（一）流体的定义流动的物质，液体和气体，统称为流体。水和空气、天然气、煤制气等单相流两相流2020/2/15河南城建学院武晓刚体积形状运动方式受力特点固体有有平动、转动缩性体弹性体液体有无平动、转动、变形运动不易被压缩，有表面张力特性气体无无平动、转动、变形运动易于被压缩，无表面张力特性表1.1固体、液体和气体的不同点注：缩性体在一定力的作用下,将产生永久变形弹性体的变形可立即消失在表面张力的作用下,液体有自由表面,具有界面现象2020/2/15河南城建学院武晓刚（二）流体的基本特性易流动性——连续性——流体可以被无限分割为具有均布质量的宏观微元体。这个微元体在宏观上无限小，微观上无限大，满足数学统计平均量，具有宏观属性。流体在静止状态下，一旦受到剪切力或拉力的作用，无论受力多麽小，其静止状态即会发生改变，呈现流动状态。2020/2/15河南城建学院武晓刚流体力学的主要内容：按液体的存在形式流体静力学流体动力学按研究的内容基本原理工程应用2020/2/15河南城建学院武晓刚流体力学研究对象连续介质假设流体力学发展简史流体力学的研究方法作用在流体上的力流体的主要物理性质流体力学的模型2020/2/15河南城建学院武晓刚流体（气体和液体）区别于固体的主要物理特性是易于流动。运动流体具有抵抗剪切变形的能力，这种抵抗体现在限制剪切变形的速率而不是大小上，这就是粘滞性。流体能承受压力，抵抗压缩变形。一般情况下流体可看成是连续介质。流体不能承受集中力，只能承受分布力。流体的上述物理力学特性使流体力学（水力学）成为宏观力学的一个独特分支。2020/2/15河南城建学院武晓刚流体力学发展简史第一阶段（16世纪以前）：流体力学形成的萌芽阶段第二阶段（16世纪文艺复兴以后-18世纪中叶）流体力学成为一门独立学科的基础阶段第三阶段（18世纪中叶-19世纪末）流体力学沿着两个方向发展——欧拉、伯努利第四阶段（19世纪末以来）流体力学飞跃发展2020/2/15河南城建学院武晓刚第一阶段（16世纪以前）：流体力学形成的萌芽阶段公元前2286年－公元前2278年大禹治水——疏壅导滞（洪水归于河）公元前300多年李冰都江堰——深淘滩，低作堰公元584年－公元610年隋朝南北大运河、船闸应用埃及、巴比伦、罗马、希腊、印度等地水利、造船、航海产业发展系统研究古希腊哲学家阿基米德《论浮体》（公元前250年）奠定了流体静力学的基础2020/2/15河南城建学院武晓刚第二阶段（16世纪文艺复兴以后-18世纪中叶）流体力学成为一门独立学科的基础阶段1586年斯蒂芬——水静力学原理1650年帕斯卡——“帕斯卡原理”1612年伽利略——物体沉浮的基本原理1686年牛顿——牛顿内摩擦定律1738年伯努利——理想流体的运动方程即伯努利方程1775年欧拉——理想流体的运动方程即欧拉运动微分方程2020/2/15河南城建学院武晓刚第三阶段（18世纪中叶-19世纪末）流体力学沿着两个方向发展——欧拉（理论）、伯努利（实验）工程技术快速发展，提出很多经验公式1769年谢才——谢才公式（计算流速、流量）1895年曼宁——曼宁公式（计算谢才系数）1732年比托——比托管（测流速）1797年文丘里——文丘里管（测流量）理论1823年纳维，1845年斯托克斯分别提出粘性流体运动方程组（N-S方程）2020/2/15河南城建学院武晓刚第四阶段（19世纪末以来）流体力学飞跃发展理论分析与试验研究相结合量纲分析和相似性原理起重要作用1883年雷诺——雷诺实验（判断流态）1903年普朗特——边界层概念（绕流运动）1933-1934年尼古拉兹——尼古拉兹实验（确定阻力系数）……流体力学与相关的邻近学科相互渗透，形成很多新分支和交叉学科2020/2/15河南城建学院武晓刚例如我国公元前两千多年前的大禹治水，春秋战国和秦朝时修建的都江堰、郑国堰和灵渠三大古老水利工程，隋朝时开通的闻名中外、全长为1782klll的京杭大运河，在生产和生活中使用的序斗、吊杆、辘护、水车、风箱等简单流体机械都是古人在流体力学、泵与风机学科中留下的宝贵历史遗产。返回2020/2/15河南城建学院武晓刚X-43A验证机在空气中飞行速度最快的飞行器速度达到了9.8倍音速—11265千米/小时长江三峡工程：防洪、发电、航运世界上迄今为止最大的水利工程———南水北调工程，惠及中国长江、黄河、淮河和海河四大流域返回2020/2/15河南城建学院武晓刚以密度为例，考察物理量是怎样定义在流体质点上的。若流体微团的体积为ΔV，质量为Δm，则流体质点密度为连续介质假设将流体区域看成由流体质点连续组成，占满空间而没有间隙，其物理特性和运动要素在空间是连续分布的。•连续介质假设limVmV0连续介质假设是近似的、宏观的假设，它为数学工具的应用提供了依据，在其它力学学科也有广泛应用，使用该假设的力学统称为“连续介质力学”。除了个别情形外，在水力学中使用连续介质假设是合理的。其中ΔV0的含义应理解为流体微团趋于流体质点。2020/2/15河南城建学院武晓刚宏观（流体力学处理问题的尺度）上看，流体质点足够小，只占据一个空间几何点，体积趋于零。微观（分子自由程的尺度）上看，流体质点是一个足够大的分子团，包含了足够多的流体分子，以致于对这些分子行为的统计平均值将是稳定的，作为表征流体物理特性和运动要素的物理量定义在流体质点上。•流体质点概念个分子1mm3空气(1个大气压，00C)16107.22020/2/15河南城建学院武晓刚流体力学的研究方法理论分析方法、实验方法、数值方法相互配合，互为补充基本假设数学模型解析表达理论分析数值计算实验研究数学模型数值模型数值解模型试验量测数据换算到原型2020/2/15河南城建学院武晓刚优势局限理论分析对流动机理解析表达，因果关系清晰。受基本假设局限，少数情况下才有解析结果。实验研究（模型试验）直接测量流动参数，找到经验性规律。成本高，对量测技术要求高，不易改变工况，存在比尺效应。数值计算扩大理论求解范围，成本低，易于改变工况，不受比尺限制。受理论模型和数值模型局限，存在计算误差。2020/2/15河南城建学院武晓刚流体力学海洋水利航空航天交通运输环境气象石油化工机械冶金生物空气和水是地球上广泛存在的物质，所以与流体运动关联的力学问题是很普遍的。流体力学在许多学科和工程领域有着广泛的应用，对水利水电建筑工程专业来讲，其重要性不言而喻。•与流体力学相关的工程领域和学科2020/2/15河南城建学院武晓刚排球足球网球游泳赛艇铁饼高尔夫球赛跑赛车标枪乒乓球羽毛球大部分竞技体育项目与流体力学有关2020/2/15河南城建学院武晓刚流体力学☞你想知道高尔夫球飞得远应表面光滑还是粗糙吗？☞你想知道汽车阻力来至前部还是尾部吗？☞你想知道机翼升力来至下部还是上部吗？☞你想知道同一容器上同高同径孔口和管嘴泄流谁的流速大谁的流量大吗？………————请学习流体力学2020/2/15河南城建学院武晓刚高尔夫球表面为什么有很多小凹坑？最早的高尔夫球现在的高尔夫球2020/2/15河南城建学院武晓刚高尔夫球表面为什么有很多小凹坑？高尔夫球表面之所以设计有许多小凹坑，其目的是让高尔夫球飞得更远。统计发现，一颗表面平滑的高尔夫球，经职业选手击出后，飞行距离大约只是表面有凹坑的高尔夫球的一半。为了找出最佳发射条件，高尔夫产业的工程师和科学家对球杆和球之间的撞击进行了深入的研究。撞击通常只维持1/2000秒，它决定了球的速度、发射角以及球体的自旋速度。接着，球的飞行轨迹会受到重力以及空气动力学的影响。因此，空气动力学的最佳化设计便成为让高尔夫球飞得远的关键。空气对于任何在其中运动的物体，包括高尔夫球，都会施加作用力。把你的手伸出行驶中的车外，可以很容易地说明这个现象。空气动力学家把这个力分成两部分：升力及阻力。阻力的作用方向与运动方向相反，而升力的作用方向则朝上。高尔夫球表面的小凹坑可以减少空气的阻力，增加球的升力。一颗高速飞行的高尔夫球，其前方会有一高压区。空气流经球的前缘再流到后方时会与球体分离。同时，球的后方会有一个紊流尾流区，在此区域气流起伏扰动，导致后方的压力较低。尾流的范围会影响阻力的大小。通常说来，尾流范围越小，球体后方的压力就越大，空气对球的阻力就越小。小凹坑可使空气形成一层紧贴球表面的薄薄的紊流边界层，使得平滑的气流顺着球形多往后走一些，从而减小尾流的范围。因此，有凹坑的球所受的阻力大约只有平滑圆球的一半。小凹坑也会影响高尔夫球的升力。一个表面不平滑的回旋球，会像飞机机翼般偏折气流以产生升力。球的自旋可使球下方的气压比上方高，这种不平衡可以产生往上的推力。高尔夫球的自旋大约提供了一半的升力。另外一半则是来自小凹坑，它可以提供最佳的升力。大多数的高尔夫球有300～500个小凹坑，每个坑的平均深度约为0.025厘米。阻力及升力对凹坑的深度很敏感：即使只有0.0025厘米这么小的差异，也可以对轨迹和飞行距离造成很大的影响。小凹坑通常是圆形的，但其他的形状也可以有极佳的空气动力性能，例如某些公司生产的高尔夫球采用的是六角形2020/2/15河南城建学院武晓刚汽车阻力来自前部还是后部？汽车发明于19世纪末，当时人们认为汽车的阻力主要来自前部对空气的撞击，因此早期的汽车后部是陡峭的，称为箱型车，阻力系数CD很大，约为0.8。2020/2/15河南城建学院武晓刚汽车阻力来自前部还是后部？实际上汽车阻力主要来自后部形成的尾流，称为形状阻力。2020/2/15河南城建学院武晓刚汽车阻力来自前部还是后部？20世纪30年代起，人们开始运用流体力学原理改进汽车尾部形状，出现甲壳虫型，阻力系数降至0.6。2020/2/15河南城建学院武晓刚汽车阻力来自前部还是后部？20世纪50－60年代改进为船型，阻力系数为0.45。2020/2/15河南城建学院武晓刚汽车阻力来自前部还是后部？80年代经过风洞实验系统研究后，又改进为鱼型，阻力系数为0.3。以后进一步改进为楔型，阻力系数为0.2。2020/2/15河南城建学院武晓刚汽车阻力来自前部还是后部？90年代后，科研人员研制开发的未来型汽车，阻力系数仅为0.137。经过近80年的研究改进，汽车阻力系数从0.8降至0.137，阻力减小为原来的1/5。目前，在汽车外形设计中流体力学性能研究已占主导地位，合理的外形使汽车具有更好的动力学性能和更低的耗油率。2020/2/15河南城建学院武晓刚机翼升力来至下部还是上部？2020/2/15河南城建学院武晓刚•课程地位流体力学是一门重要的专业基础课程，它是连接前期基础课程和后续专业课程的桥梁。课程的学习将有利于数理、力学基础知识的巩固与提高，培养分析、解决实际问题的能力，为专业课程的学习打下坚实基础。数理、力学基础课程流体力学专业基础课程水利学科有关专业课程2020/2/15河南城建学院武晓刚水工建筑物及河槽所受水力荷载水工建筑物及河槽过水能力水流流动形态水流能量消耗和利用土木工程专业中的水力学问题：2020/2/15河南城建学院武晓刚第二节作用在流体上的力kZjYiXmFlimfm01.质量力：作用在所研究的流体质量中心，与质量成正比通常包含：重力惯性力单位质量力重力gmmgZ2020/2/15河南城建学院武晓刚AFA0lim2.表面力：外界对所研究流体表面的作用力，作用在外表面，与表面积大小成正比应力切线方向：切向应力——剪切力内法线方向：法向应力——压强AFlimpnA0AFA0limΔFΔAΔFnΔFτ表面力具有传递性流体相对运动时因粘性而