工程流体力学第一章

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1、流流 体体 力力 学学 主讲：杨为主讲：杨为 教授教授2012年09月本课程的性质和任务本课程的性质和任务 流体力学是机械设计制造及自动化、车辆工程、材料成形与控制工程等专业一门主要技术基础课程主要技术基础课程。它的主要任务是通过各教学环节，运用各种教学手段和方法，使学生掌握流体运动的基本概念、基本原理、基本计算方法；培养学生分析、解决问题的能力和实验技能，为学习后继课程、从事工程技术工作和科学研究以及开拓新技术领域打下坚实的基础。总学时：32教学方法： 课堂讲授与实验教学相结合，采用多媒体演示完成。考试方式：闭卷第一章第一章 绪论绪论 有关流体运动与流体力学的三个问题； 流体力学研究的对象、

2、内容和意义流体力学的概念； 流体力学的发展过程及分类 流体力学分类 流体力学课程特点 流体力学的概述与应用； 流体力学课程的性质、目的、基本要求； 流体力学的概念和研究对象 流体的主要物理性质惯性、粘性、压缩性； 理想流体与实际流体、可压缩流体与不可压缩流体、牛顿流体与非牛顿流体概念。 q有关流体运动与流体力学的问题有关流体运动与流体力学的问题 人类虽然长期生活在空气和水环境中，对一些流体运动现象却缺乏认识,现举三例。 A高尔夫球：表面光滑还是粗糙？B汽车阻力：来自前部还是后部？C机翼升力：来自下部还是上部？第一节第一节 流体力学及其发展概况流体力学及其发展概况 高尔夫球运动起源于15世纪的苏

3、格兰，当时人们认为表面光滑的球飞行阻力小，因此用皮革制球。 后来发现表面有很多划痕的旧球反而飞得更远，这个谜直到20世纪建立流体力学边界层理论后才解开。 A高尔夫球：表面光滑还是粗糙？ 现在的高尔夫球表面有很多窝坑，在同样大小和重量下，飞行距离为光滑球的5倍。 思考题：思考题：表面凹窝状的高尔夫球飞得更远是因为： A 与气流接触的外表面积减小了； B 凹窝状表面使球更容易旋转； C 其它。 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。实际上汽车阻力主要来自后部形成的尾流，称为形状阻力。B B汽车

4、阻力：来自前部还是后部？汽车阻力：来自前部还是后部？ 5060年代改进为船型，阻力系数为0.45。 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。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0.3，90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。 q 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 。q 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。 人们的直观印象是空气从下面冲击着鸟的翅膀，把鸟托在空中。 19世纪初建立的

5、流体力学环量理论，彻底改变了人们的传统观念。脱体涡量与机翼环量大小相等方向相反 C C机翼升力：来自下部还是上部？机翼升力：来自下部还是上部？足球的香蕉球现象可帮助理解环量理论流体力学研究的对象、内容和意义 流体力学是力学的一个独立分支，是研究流体平衡和运动规律的科学。 研究内容： 流体运动的基本规律：如质量、动量、能量应遵循的规律； 流体流过某种物体或通道时的运动特征：如速度分布、压强分布、能量损失等； 流体同固体间的相互作用。 意义： 机械、冶金、化工、建筑、农业、生物、医学生产、生活中广泛应用。 航空、航海、水利、水文、气象、环境保护、农业、渔业、国防等部门必需掌握水和空气的宏观运动规律

6、。 航空、航天、造船、机械、动力、冶金、化工、石油等部门设备中工作介质都是流体，为了改进流程、提高效率需要流体力学的知识。油压千斤顶 航空： 流体输送：供水流体力学的发展过程及分类l发展过程1. 古典流体力学阶段研究管道、河道、航运中流体的运动规律。2、19世纪初 20世纪4050年代3、 20世纪60年代以后流体力学分类按方法按方法计算流体力学计算流体力学实验流体力学实验流体力学理论流体力学理论流体力学流体力学与其他学科的关系流体力学的研究方法一、理论分析方法1. 分析流体的物理特性和运动特性，提出合理的理论模型。2. 建立描写流体平衡与运动规律的封闭方程组及相应的初始条件和边界条件。3.

7、利用数学工具，精确或近似解出方程组。4. 分析解，揭示由解表示出的物理量变化规律，同时确定解的适用范围。二、计算法1. 分析流体的物理特性和运动特性，提出合理的理论模型。2. 建立描写流体平衡与运动规律的封闭方程组及相应的初始条件和边界条件。3. 利用数值模拟方法近似解出方程组。4. 分析解，揭示由解表示出的物理量变化规律。三、实验法流体力学课程特点 概念多 掌握物理意义及其在流体力学中的应用 公式多 掌握来源、作用、适用范围、应用 系统性相对差 与工程实际比较接近 相对难度较大第二节第二节 流体力学的概念和研究对象流体力学的概念和研究对象一、流体力学概念一、流体力学概念 流体力学是力学的一个

8、独立分支，是一门研究流体的平衡和流体机械运动规律及其实际应用的技术科学。n 关于流体运动的规律，它研究流体在运动状态时，作用于流体的力与运动要素之间的关系，以及流体的运动特征与能量转换等流体动力学。所研究的基本规律，有两大组成部分：所研究的基本规律，有两大组成部分：n 关于流体平衡的规律，它研究流体处于静止（或相对平衡）状态时，作用于流体上的各种力之间的关系流体静力学； 流体力学在研究流体平衡和机械运动规律时，要应用物理学及理论力学中有关物理平衡及运动规律的原理，如力系平衡定理、动量定理、动能定理，等等。因为流体在平衡或运动状态下，也同样遵循这些普遍的原理。所以物理学和理论力学的知识是学习流体

9、力学课程必要的基础。 研究对象：以受力而产生较大变形的流体作为研究对象；研究的中心问题：流体的物理性质，流体质点和作用于流体上的力争学习要求：掌握流体的惯性、比容、粘性、压缩性和膨胀性、流体质点、理想流体等基本概念；掌握流体的连续介质模型及作用于流体上的力；了解表面张力的形成及计算。q工程流体力学的任务和应用工程流体力学的任务和应用根据研究对象的不同，在研究物体平衡和运动力学中，分为三种 以受力后为不变形的绝对刚体为研究对象-理论力学； 以受力后产生微小变形的固体为研究对象-固体力学； 以受力后产生较大变形的流体为研究对象-流体力学 在地球上，物质存在的主要形式有： 固体固体、液体液体和气体气

10、体。二、流体的基本特征二、流体的基本特征l 物质的三态物质的三态 流体和固体的区别： 从力学分析的意义上看，在于它们对外力抵抗的能力不同对外力抵抗的能力不同。固体 固体单元的变形 固体具有抵抗压力、拉力和切力三种能力。因而在外力作用下，通常只发生较小的变形，而且到一定程度后变形就停止。 两者均具有易流动性，即在任何微小切应力作用下都会发生变形或流动。l 液体和气体的共同点：液体和气体的共同点： (2) 液体有一定的体积，存在一个自由液面；气体能充满任意形状的容器，无一定的体积，不存在自由液面。l 液体和气体的区别：液体和气体的区别： (1) 气体易于压缩；而液体难于压缩； 流体由于不能保持一定

11、的形状，所以它仅能抵抗压力而不能抵抗拉力和切力。它受到拉力作用时就要发生连续不断受到拉力作用时就要发生连续不断的变形即流动的变形即流动。流体 流体单元的变形 流体包括液体和气体。 流体也不能承受拉力，只能承受压力。利用蒸汽压力推动汽轮机来发电，利用液压、气压传动各种机械等，都是液体抗压能力和易流动性的应用； 由于流体的易流动体，流体没有固定的形状，它的形状是由约束它的边界形状所决定的，不同边界必将产生不同的流动。因此，与流体接触的周围物体的形状和性质（也就是边界条件）对流体的运动有直接影响。第三节第三节 流体的主要物理性质流体的主要物理性质mV一、惯性一、惯性 一切物质都具有质量，流体也部例外