清华大学流体力学课件-0-绪论

绪论1流体力学许春晓、彭杰航天航空学院2017年春-本科生-流体力学本课程简介主讲教师：许春晓蒙民伟科技楼[e-mail]彭杰蒙民伟科技楼[e-mail]辅导教师：余明蒙民伟科技楼[e-mail]周添蒙民伟科技楼[e-mail]绪论22017年春-本科生-流体力学绪论3绪论本课程的主要内容流体力学的研究对象和内容流体力学的发展历史流体力学的研究方法预备知识2017年春-本科生-流体力学绪论4本课程主要内容定位：专业基础课–注重流体力学基本概念、原理和分析方法内容：流体力学的基本原理和分析方法–流体的物理性质6–流体运动学5–流体动力学基本原理8–理想流体动力学(含水波理论)9–粘性流体动力学基础12–气体力学基础10–流动稳定性与湍流基础6上半学期（期中考、习题课）2017年春-本科生-流体力学绪论5本课程简介学时：共60学时（5月3、5日共放假4学时）教材及参考书–流体力学，张兆顺、崔桂香，清华大学出版社–流体力学，吴望一，北京大学出版社–流体力学，庄礼贤尹协远马晖扬，中国科技大学出版社–Anintroductiontofluiddynamics.GKBatchelor,CambridgeUniversityPress–《张量算法简明教程》，吕盘明，中国科大出版社–《矢量分析与场轮》，谢树艺，高等教育出版社成绩：–平时作业10%，期中考试40%，期末考试60%方式：–上课、作业、考试、实验（2-3次课程实验）；2017年春-本科生-流体力学绪论62017年春-本科生-流体力学增设课程探索环节（新）第五周：发布4-5个课程探索命题（或经审核的学生命题）；来源：自然现象、工程问题等；形式：图片、多媒体映像等，不设置求解问题与答案要求：学生自行成组（最少5人），发现、提炼流体力学现象、问题，进行科学分析与解释，完成命题探索研究，撰写相应报告。考评：期末组织汇报；奖励：每个小组根据完成情况，奖励期末成绩额外加分5-10分（为奖励给小组所有成员总分，具体划分，小组内部自行商议）。本课程简介绪论7绪论本课程的主要内容流体力学的研究对象和内容流体力学的发展历史流体力学的研究方法预备知识2017年春-本科生-流体力学绪论8流体力学的研究对象和内容流体力学是什么？-研究流体（液体和气体）的运动规律及其和周围物体的相互作用；研究对象-物质状态固态、液态、气态、等离子态和超固态牛顿流体空气、水；非牛顿流体油、血液…研究内容-流体运动规律及其和周围物体的相互作用流动现象在自然界中非常普遍，流体力学的内容非常广泛。例如：环境、能源、运输、生物2017年春-本科生-流体力学绪论9飓风为何南北半球飓风旋转方向不同？2017年春-本科生-流体力学绪论10TSUNAMI：Japaneseterm(literallymeaningbigwave)nowgenerallyusedforanunusual,verylargewaveorseriesofwaves.Tsunamisaregeneratedeitherbysubmarineearthquakes,bylandslidesorbyeffectsofvolcaniceruptions(suchasthecollapseofacalderainthesea).Tsunamishavelongwavelengthsandsmallwaveheightsontheopensea.Aswaterdepthdecreasesnearlandthewavelengthdiminishesandthewaveheightincreasesdramaticallywhichmayleadtocatastrophicfloodingofcoastalareas.Tsunamismaydeceivecoastalresidentsinthatawavetroughmayaarrivebeforethefirstwavecrest.？海啸&海浪2017年春-本科生-流体力学绪论11能源环境2017年春-本科生-流体力学绪论12运输2017年春-本科生-流体力学变体飞行：根据飞行任务要求，实时改变气动外形，获得最佳的气动性能，或者机动性。绪论13运输2017年春-本科生-流体力学绪论14生物仿生2017年春-本科生-流体力学绪论15绪论本课程的主要内容流体力学的研究对象和内容流体力学的发展历史流体力学的研究方法预备知识2017年春-本科生-流体力学流体力学的发展史十七世纪中叶前，流动现象的朴素直观认识墨翟（公元前468-376，战国初）--《墨经》，记载了浮力现象阿基米德（公元前287-212）沈括（公元1031-1095，北宋）--《浮漏仪》，“漏壶渴鸟”（虹吸现象）达·芬奇（公元1452-1519）--简单的流体机械，流体中的漩涡16绪论2017年春-本科生-流体力学流体力学的发展史17十七世纪末到十九世纪末，初步形成独立学科伽利略（1564-1642）--实验流体力学，流体中物体运动阻力欧拉、伯努力（十八世纪）--流体力学形成独立学科达朗贝尔佯谬--在造船与航空工业中提出了摩擦阻力问题--发现了理论分析和实验之间存在的矛盾绪论2017年春-本科生-流体力学流体力学的发展史18二十世纪近代流体力学发展时期，分为两个阶段20世纪初到50年代--以空气动力学为主的时期：主要标志和成就–机翼理论：正确解释飞行原理，飞机的升力是怎样产生的，开辟了人类飞行时代；–边界层理论（普朗特）：正确解释流动阻力的产生；–突破音障：飞机接近音速时强烈振动；–预言热障：激波绪论2017年春-本科生-流体力学流体力学的发展史1920世纪50年代以来--应用科学时代人们相信：复杂流动现象可以通过流体力学原理来预测和控制除“空气动力学”和“水动力学”外，还发展了•地球物理流体力学：大气、海洋；•气体力学：高速空气动力学；•水波动力学：波和堤岸、海洋平台的相互作用；•渗流力学•生物流体力学•工业流体力学•非牛顿流体力学、流变学•运动流体力学？绪论2017年春-本科生-流体力学流体力学的发展史20目前流体力学的发展重点复杂流动的预测和控制–复杂介质：两相、多相流体，高分子、高稠度非牛顿流体，超高温气体，有化学反应的介质；–复杂流态：湍流、多物理场耦合流动；–复杂几何边界：飞机整机计算，多级透平整机计算;绪论2017年春-本科生-流体力学绪论21绪论本课程的主要内容流体力学的研究对象和内容流体力学的发展历史流体力学的研究方法预备知识2017年春-本科生-流体力学绪论22流体力学的研究方法理论研究–建立流动模型–建立可解正确的方程和边界条件（数学上困难）实验研究–认识流动、发现新现象–模化实际流动（受环境限制、普适性差）数值研究（20世纪50年代后逐渐发展）–利用数值计算模拟、预测流动、验证理论（对复杂且缺乏完善数学模型的问题不适用）课程：流体力学实验技术、计算流体力学2017年春-本科生-流体力学绪论23绪论本课程的主要内容流体力学的研究对象和内容流体力学的发展历史流体力学的研究方法预备知识2017年春-本科生-流体力学绪论24预备知识笛卡尔张量–现代流体力学广泛采用张量表示方法–张量表示法书写简洁、运算方便、物理意义明确–笛卡尔张量：在直角坐标系中定义的张量普遍张量：任意曲线坐标系中定义的张量梯度算子Gauss公式和Stokes公式2017年春-本科生-流体力学绪论25笛卡尔张量1x2x3x1e3e2e坐标基的基本运算公式坐标：ix坐标基单位矢量：ie0,,1,2,31,ijijijijijee克罗内克尔δ符号置换符号011ijki,j,k中至少有两个相同i,j,k排列顺序为123123。。。i,j,k排列顺序为321321。。。ijijkkeee爱因斯坦求和约定V112233VVVVeeeiiVe哑指标iijjABABeeijijABiiAB2017年春-本科生-流体力学绪论26笛卡尔张量坐标变换公式1e3e2e2e3e1eijijeeiijjeejiijimmjijijijxxiijjxx标量、向量和张量定义iijjaa1,2,3iai满足则iiaae为向量123123,,,,xxxxxx为标量,1,2,3ijTij满足ijimjnmnTT则mnmnTTee为2阶张量1Tijijimjmijmimjij教材附录2017年春-本科生-流体力学绪论27笛卡尔张量12niiiP在每一个坐标系中给出3n个数，当坐标变换时这些数按公式转换，n阶张量则此3n个数构成n阶张量12112212nnnniiiijijijjjjPPn=0:标量为零阶张量PPn=1:向量为1阶张量iijjPP各向同性张量：若一个张量A的各个分量都是旋转坐标变换下的不变量,则称此张量为各向同性张量.标量为零阶各向同性张量;非零矢量不可能是各向同性张量;ijijAijkijkAijklijklikjliljkA2017年春-本科生-流体力学绪论28笛卡尔张量并矢：abiijjabeeijijabee张量的缩并：令n阶张量的某两个指标相等，得n-2阶张量张量的内积：iimnmnimnimniinnVTVTVTVTeeeeemnmniiimnnimimimTVVTVTTVeeeee张量的运算ijijmnmnijmnjminijjiSTSTSTSTeeee串联ijijmnmnijmnimjnijijSTSTSTSTeeee并联一般；当时，VTTVijjiTTVTTV2017年春-本科生-流体力学绪论29梯度算子iixe哈密尔顿算子梯度散度iixea标量的梯度是向量向量的梯度是二阶张量aTiixaejjiiaxeejjijijiiaaxxeeeeijjiaxeejijiaxeejijiaxiiaxijkjkiTxeeejkijkiTxeeejkijkiTxejkkjTxejijiaxee2017年春-本科生-流体力学绪论30梯度算子应用举例iijjVxVVVeeiijjVxViiVxVijkjkiVVxVVeeejkijkiVVxeeejkjkkjjVVVVxxejkijkiVVxejkkjVVxejjjjVVxxVVVVVV2017年春-本科生-流体力学绪论31Gauss公式和Stokes公式高斯公式（体积分与面积分的转换关系）ddAAanaddAAnddAAana斯托克斯公式（面积分与线积分的转换关系）ddALAnaaLLAnnA2017年春-本科生-流体力学绪论32作业自学附录I.张量运算基础II.高斯公式和斯托克斯公式III.正交曲线坐标系2017年春-本科生-流体力学设存在一有限或无限空间，如果该空间中的每一个点都对应着某个物理量的一个确定的值（即该物理量在空间内存在一定的分布），那么就称在这个空间内确定了该物理量的一个场。若所确定的这个物理量是标量，则称这个场为标量场，例如，温度场、浓度场等；若所确定的这个物理量是矢量，则称