工程流体力学

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1、Fluid Mechanics一、一、 流体力学与实际工程技术流体力学与实际工程技术二、二、 连续介质假设连续介质假设三、三、 流体的性质流体的性质四、四、 作用于流体上的力作用于流体上的力第一章第一章 绪绪 论论一、研究对象一、研究对象: 流体流体(fluid),包括液体和气体。包括液体和气体。特性：特性：流动流动(flow)性性-流体力学与工程技术流体力学与工程技术 流体遵循牛顿的力学定律、质量守恒定律流体遵循牛顿的力学定律、质量守恒定律和能量守恒定律等。和能量守恒定律等。流体流体F固体固体F 航空航空 空气动力学空气动力学幻影幻影2000二、二、 流体力学与工程技术流体力学与工程技术一架

2、经改装的波音一架经改装的波音747747搭载搭载“发现号发现号”航天飞机航天飞机超高速气体动力学超高速气体动力学物理化学流体力学物理化学流体力学稀薄气体力学稀薄气体力学从航天飞机上看到的太空站从航天飞机上看到的太空站造船造船 水动力学水动力学 船舶流体力学船舶流体力学排水量达排水量达5050万吨以上的超大型运输船万吨以上的超大型运输船航速达航速达3030节，深潜达数百米的核动力潜艇节，深潜达数百米的核动力潜艇时速达时速达200200公里的新型地效艇等公里的新型地效艇等三峡水利枢纽三峡水利枢纽水利、土建工程水利、土建工程 水力学水力学n环境流体力学环境流体力学 n生物流变学生物流变学毛细血管流动

3、毛细血管流动n渗流力学渗流力学n物理物理- -化学流体动力学化学流体动力学n多相流体力学多相流体力学按按流体作用力的角度流体作用力的角度分类分类:流体静力学流体静力学流体运动学流体运动学流体动力学流体动力学按按力学模型力学模型分类分类理想流体动力学理想流体动力学粘性流体动力学粘性流体动力学不可压缩流体动力学不可压缩流体动力学可压缩流体动力学可压缩流体动力学非牛顿流体力学非牛顿流体力学三 、流体力学的研究方法 1 1、实验、实验2 2、理论分析、理论分析3 3、数值计算、数值计算包括：包括： 紊流紊流 非定常流动非定常流动 非线性水波非线性水波 旋涡理论旋涡理论 交叉学科交叉学科 有关各种实验设

4、备和仪器等。有关各种实验设备和仪器等。四、流体力学的展望四、流体力学的展望 根据工程技术方面需要进行流体力学应用性研究根据工程技术方面需要进行流体力学应用性研究,更更深入地开展基础研究以探求流体的复杂流动规律和机理。深入地开展基础研究以探求流体的复杂流动规律和机理。- -连续介质模型连续介质模型1.1.连续介质模型引入：连续介质模型引入： 流体分子之间不连续、有间隙。流体分子之间不连续、有间隙。2.2.流体质点流体质点: : 忽略尺寸效应但包含无数分子的流体最小单元。忽略尺寸效应但包含无数分子的流体最小单元。3.3.连续介质模型：连续介质模型：流体由流体质点组成，流体流体由流体质点组成，流体

5、质点连续的、无间隙的分布于整个流场中。质点连续的、无间隙的分布于整个流场中。流体微团流体微团一、流体的密度和重度一、流体的密度和重度1. 1. 密度（密度（DensityDensity）均质流体，密度为常数均质流体，密度为常数2. 2. 重度重度(Specific Weight)(Specific Weight)-3 -3 流体性质流体性质淡水淡水的重度为的重度为39800 /N m0limAVmdmVdV0limAVGdGVdVg密度和重度之间的关系为：密度和重度之间的关系为：mmGG海水海水：10201020kgkgm m3 3，99969996/m/m3 3； 气体在高速流动时，密度与流

6、场中的压气体在高速流动时，密度与流场中的压力和温度有密切的关系力和温度有密切的关系: : 即即f f（p p，）。，）。气体密度的变化非常小的流动，可将气体看气体密度的变化非常小的流动，可将气体看作不可压缩流体处理。作不可压缩流体处理。空气空气：1.226 kgm3，12/m3。3.3.比密度（比密度（Specific Gravity):Specific Gravity): 31.205/gasgasgasairSGkg m31000/liquidliquidliquidwaterSGkg m 1.牛顿平板试验牛顿平板试验( )Uu yyhUFAh1FF1F1Fu=Uu=0dyu+ duu二、

7、流体的粘性二、流体的粘性U=ConstFF 充满静止流体充满静止流体FUAh讨论讨论: 对于此种线性速度分布的情形，不同地对于此种线性速度分布的情形，不同地方的切应力是否相等？方的切应力是否相等？u=0u=Udyu+ duuFduAdy 粘性切应力与速度梯度成正比粘性切应力与速度梯度成正比比例系数称比例系数称动力粘性系数动力粘性系数，简称，简称粘度粘度。n讨论讨论: 对于此种速度分布的情形，不同地方的切应对于此种速度分布的情形，不同地方的切应力是否相等？力是否相等？u=0u=Udyu+ duu3 3 流体的粘性系数流体的粘性系数（1）动力粘性系数）动力粘性系数Dynamic viscosity

8、物理常数物理常数NSNSm masas 气体气体：温度上升：温度上升, , 升高升高 液体液体: : 温度上升，温度上升，下降下降(3) 与温度的关系与温度的关系（2）运动粘性系数运动粘性系数Kinematic viscosity压力的变化对压力的变化对的影响不大的影响不大(1)(1)液体之间的粘性力主要由分子内聚力形成液体之间的粘性力主要由分子内聚力形成(2)(2)气体之间的粘性力主要由分子动量交换形成气体之间的粘性力主要由分子动量交换形成4.4.粘性产生的原因粘性产生的原因四、真实流体和理想流体四、真实流体和理想流体理想流体理想流体0 0在固体表面上发在固体表面上发生相对滑移生相对滑移在固

9、体表面上其流速在固体表面上其流速与固体的速度相同与固体的速度相同真实流体真实流体0相互接触的流体层之相互接触的流体层之间有剪切应力作用间有剪切应力作用（壁面无滑移条件）（壁面无滑移条件） 米秒米秒 粘性系数粘性系数：与流体物性有关的物理常数：与流体物性有关的物理常数 运动粘性系数运动粘性系数：NsNs2 2帕帕秒秒asasd ud y牛顿型流体牛顿型流体： 如空气、水、汽油、煤油、甲醇、乙醇、甲苯如空气、水、汽油、煤油、甲醇、乙醇、甲苯非牛顿型流体非牛顿型流体： 流体的其它属性流体的其它属性 一、流体的压缩性一、流体的压缩性定义：温度不变，流体的体积随压强增加定义：温度不变，流体的体积随压强增

10、加 而缩小为流体的压缩性。而缩小为流体的压缩性。 是指温度不变时压强增加一个单位所引起是指温度不变时压强增加一个单位所引起的流体体积相对缩小量，即的流体体积相对缩小量，即称为称为体积摸量体积摸量1 dVEV dp E E的值越大表明流体越不易压缩的值越大表明流体越不易压缩 温度为温度为1515o oC C时，通常可取水的值为时，通常可取水的值为196131961310105 5a a。因为因为dVdV 所以所以dpEd体积压缩系数：体积压缩系数：pdpdV V 二、流体的膨胀性二、流体的膨胀性定义：压强不变，流体的体积随温度增高而定义：压强不变，流体的体积随温度增高而 增大，称为流体的膨胀性。