工程流体力学基础1
工程流体力学
林培锋(600)[1**********]
参考书目
Ø(1)工程流体力学,上海交通大学出版社,夏泰淳主编。
Ø(2)工程流体力学,陈卓如主编。Ø(3)工程流体力学,张也影主编。Ø(4)工程流体力学,金朝铭主编。
Ø(5)流体力学(上,下),吴望一,北京大学出版社。
Ø(6)粘性流体力学,章梓雄,清华大学出版社
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第1章绪论
Ø主要内容:
Ø流体力学的任务与研究对象
Ø作用在流体上的力
Ø流体的主要力学性质
Ø重点:
Ø(1)连续介质和流体质点的概念Ø(2)粘性和牛顿内摩擦定律
Ø(3)理想流体和实际流体、牛顿流体和非牛顿流体
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第1章绪论
第1节流体力学的任务与研究对象
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第1章绪论
Ø流体力学的任务:
ü研究流体运动的规律,以及流体与固体、液体及气体界面之间的相互作用力问题。Ø流体力学的研究对象:
1. 流体——液体和气体;
2. 流体中运动的物体。
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第1章绪论
Ø流体的流动性——即:易变形性。
ü流体不能抵抗任何剪切力作用下的剪切变形趋势。即:
♪在剪切力持续作用下,流体产生无限大的变形;
♪在剪切力停止作用时,流体不作任何恢复变形。
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第1章绪论
Ø工程流体力学是研究流体(液体、气体)处于平衡状态和流动状态时的运动规律及其在工程技术领域中的应用。Ø流体力学的基础理论由三部分组成。
Ø流体静力学:流体处于平衡状态时,各种作用在流体上的力之间关系的理论;
Ø流体动力学:流体处于流动状态时,作用在流体上的力和流动之间关系的理论;
Ø气体动力学:气体处于高速流动状态时,气体的运动规律的理论。
Ø工程流体力学的研究范畴是将流体流动作为宏观机械运动进行研究,而不是研究流体的微观分子运动,因而在流体动力学部分主要研究流体的质量守恒、动量守恒和能量守恒及转换等基本规律。7/ 59
第1章绪论
Ø流体力学的工程应用:
Ø流体力学在工程技术中有着广泛的应用。在能源、化工、环保、机械、建筑(给排水、暖通)等工程技术领域的设计、施工和运行等方面都涉及到流体力学问题。
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第1章绪论
Ø工程技术领域的流体力学问题有各自不同的特点,主要有:
Ø一是有压管流,如流体在管道中的流动;Ø二是绕流,如流体在流体机械中绕过翼型的流动;
Ø三是射流,如流体从孔口或管嘴喷出的流动。
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第1章绪论
Ø流体力学就是要具体地研究流体流动形式中的速度分布、压力分布、能量损失,以及流体同固体之间的相互作用,同时也要研究流体平衡的条件。
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第1章绪论
跨海隧道
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第1章绪论
Ø最早的高尔夫球
Ø
现在的高尔夫球
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第1章绪论
Ø高尔夫球表面的小凹坑可以减少减小尾流的范围,从而减少空气的阻力;
Ø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;Ø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
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第1章绪论14/ 59
汽车阻力来自前部还是后部?Ø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
。
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汽车阻力来自前部还是后部?
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汽车阻力来自前部还是后部?Ø20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。
Ø20世纪50-60年代改进为船型,阻力系数为0.45。Ø80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。
Ø以后进一步改进为楔型,阻力系数为0.2。
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汽车阻力来自前部还是后部?Ø90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。
Ø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 。
Ø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
。
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一些其他应用灾害预报与控
制
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一些其他
应用
天气预报(卫星云图)
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一些其他应用
自然界最强的
涡
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一些其他应用
激波
飞机跨
越音障22/ 59
一些其他
应用
大型民航客机
体重超300吨,面积达半个足球场23/ 59
第1章绪论
我国自行研制
的歼-10战斗
机
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第1章绪论
超
大
型
运
输
船
排水量50万吨以上25/ 59
一些其他应用
核
动
力
潜
艇
航速达30节,深潜达数百米
1节=1海里/小时=1.852公里/小时26/ 59
一些其他应用
新
型
地
效
艇
时速达200公里以上
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一些其他应用
单机达百万千瓦
大型汽轮机、水轮
机组
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Ø现实生活中,你还看过哪些流体力学相关的应用?
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第1章绪论
Ø流体力学基本假设——连续介质假设
ü流体为连续介质,且不考虑其分子运动。
Ø物质常见状态:固态、液态和气态——固体、液体和气体。Ø通常说能流动的物质为流体,液体和气体易流动——液体和气体称之为流体。
Ø在任何微小剪切力的持续作用下能够连续不断变形的物质,称为流体——流体的力学定义。
Ø流体的特征:流体在静止时不能承受切向力,任何微小的剪应力都会使流体产生变形(易流动性),这显然与固体不同。固体在静止时也能承受切向力,发生微微小变形以抗拒外力,一直达到平衡为止。
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第1章绪论
Ø微观上看流体:由大量不连续分布的分子组成,分子间有间隙。Ø宏观上看流体:流体力学是研究由大量分子组成的宏观流体在外力作用下的宏观运动。
Ø流体的基元—所谓流体微团是一块体积为无穷小的微量流体。Ø微观上流体微团:足够大,包含大量流体分子,保持特性。Ø宏观上看流体微团:足够小,可看成具有质量的点(质点)。Ø假设:流体可看成是由无限多连续分布的流体微团组成的连续介质。
Ø当把流体看作是连续介质后,表征流体性质的密度、速度、压强和温度等物理量在流体中也是连续分布的,可将流体的各物理量看作是空间坐标和时间的连续函数,引用连续函数的解析方法等数学工具来研究流体的平衡和运动规律。
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第1章绪论
•
•流体分子微观运动流体团宏观运动自身热运动外力统计平均值
流体团分子速度的统计平均值曲线32/ 59
第1章绪论
(1)可用B(x,y,z,t)描述,流体质点物理量的空间分布和时间变化;
(2)可由建立流体运动微分或积分方程,并用连续函数理论求解方程。连续介质假设模型是对物质分子结构的宏观数学抽象,就象几何学是自然图形的抽象一样。
除了稀薄气体与激波的绝大多数工程问题,均可用连续介质模型作理论分析。
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第1章绪论
Ø第2节作用在流体上的力
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第1章绪论35/ 59
第1章绪论
Ø质量力——作用在流体某体积内所有流体质点上并与这一体积的流体质量成正比的力,又称体积力。
ü在均匀流体中,质量力与受作用流体的体积成正比。Ø表面力——作用在流体中所取某部分流体体积表面上的力,也就是该部分体积周围的流体或固体通过面作用在其上的力。
ü表面力可分解成两个分力,即与流体表面垂直的法向力P和与流体表面相切的切向力T。在连续介质中,表面力不是一个集中的力,而是沿表面连续分布的。因此,在流体力学中用单位表面积上所作用的表面力(称为应力)来表示。
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第1章绪论
质量力——作用在单位质量上的力Ø1. 重力Ø2. 惯性力
δFbδFbf=lim=limδV→0δmδV→0ρδV
Ø
f=fi+fj+fxyz
Ø单位37/ 59
第1章绪论
Ø1. 压力表面力——作用在单位面积
上的力Ø2. 黏性力
δFpM=limδA→0δA
δFτM=limδA→0δA
质量力和表面力在
空间分布上的区别?Ø单位:帕斯卡(Pa)(N/m2)Ø工程单位:kgf/cm2
38/ 5922Ø1kgf/cm=9.8(N/cm)
第1章绪论
Ø第3节流体的主要力学性质
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第1章绪论
Ø1. 惯性——密度和重度
Ø2. 黏性——运动黏度和动力黏度、牛顿内摩擦定律、理想流体、牛顿流体。Ø3. 压缩性——压缩系数
Ø4. 热胀性——热胀系数
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第1章绪论
1. 惯性
(1)密度kg/m
3
流体微团平均密度:
ρ平均δm=δV
流体质点的密度:δmdmρ(x,y,z,t)=lim=δV→0δVdV
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第1章绪论气体液体(流体的密
度始终不变)各点密度完全相同各点密度不完全相同42/ 59
第1章绪论
流体微团平均重度:γ平均
流体质点的重度:(2)重度δG=δV比重和重度的区别与关系?δGdGγ(x,y,z,t)=lim=δV→0δVdV
密度和重度的关系:γ=ρ⋅gN/m3
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第1章绪论
2. 黏
性
•库仑实验(1784)
液体内悬吊圆盘摆动实验证实流体存在内摩擦。
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第1章绪论
Ø流体的黏性——流体抵抗剪切变形的一种属性。
Ø由流体的力学特点可知,静止流体不能承受剪切力,即在任何微小剪切力的持续作用下,流体要发生连续不断地变形。Ø但不同的流体在相同的剪切力作用下其变形速度是不同的,它反映了抵抗剪切变形能力的差别,这种能力就是流体的黏性。
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第1章绪论
流体粘性形成原因:
(1)两层液体之间的粘性力主要由分子内聚力形成;
(2)两层气体之间的粘性力主要由分子动量交换形成
。
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第1章绪论
y→下板固定不动,上板以某一速度向右平行移动。
→由于附着力,紧贴上板的一起向右运动,而紧贴下板的将和下板一样静止不动。
→运动速度由上向下逐层递减,按直线变化。→相对运动,从而产生切向作用力,称其为内摩擦力。
→作用在两个流体层接触面上的内摩擦力总是成对出现的,即大小相等而方向相反,分别作用在相对运动的流层上。
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流体力学第1章
牛顿在《自然哲学的数学原理》中假设:“流体两部分由于缺乏润滑而引起的阻力,同这两部分彼此分开的速度成正比”。
即在图中,粘性切应力为
duτ=µ=µγ&dy
上式称为牛顿内摩擦定律,它
表明:
⑴粘性切应力与速度梯度成正比;
⑵粘性切应力与角变形速率(切变率)成正比;⑶比例系数称黏度系数或动力黏度,简称黏度。48/ 59
流体力学第1章
牛顿内摩擦定律(牛顿流体):胡克定律(固体):49/ 59牛顿流体与非牛顿流体
流体力学
(1)动力黏度
第1章
单位:Pa•s(帕秒)或kg/m•s•温度对流体粘度影响很大。常温常压下:
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