工程流體力學(xué)課件第1章

1、主講：華中農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院 肖新棉,《工程流體力學(xué)》 Engineering fluid mechanics,《工程流體力學(xué)》課件 Engineering fluid mechanics 制作者 肖新棉 工學(xué)院,適用專業(yè)：機(jī)械制造、農(nóng)業(yè)機(jī)械化和機(jī)電專業(yè) 授課對象： 本科生選用教材 :《流體力學(xué)泵與風(fēng)機(jī)》（第五版） 蔡增基主編

2、 中國建筑工業(yè)出版社 2009.11,電子信箱：xiaoxinmian@mail.hzau.edu.cn,工程流體力學(xué)課程的學(xué)習(xí)安排,從課程名稱來講《工程流體力學(xué)》，即流體力學(xué)在實際工程中的運(yùn)用，其內(nèi)容包括兩部分：流體力學(xué)基礎(chǔ)、流體機(jī)械（泵與風(fēng)機(jī)）。,本課程共32學(xué)時，講課26學(xué)時，實驗6學(xué)時，(3次實驗)；,先修課：高等數(shù)學(xué)——物理——理論力學(xué)——材料力學(xué)； 工程流體力學(xué)（專業(yè)基礎(chǔ)課）后續(xù)課：專業(yè)課

3、程（液壓傳動）。,1.內(nèi)容簡介,2.學(xué)時安排,3.課程的相關(guān)聯(lián)系,,4.參考書,1)《工程流體力學(xué)》袁恩熙主編 石油工業(yè)出版社；,2) 《工程流體力學(xué)》山東工學(xué)院,東北電力學(xué)院合編， 水利電力出版社；,3) 《工程流體力學(xué)》徐文鵑編 哈爾濱工程大學(xué)出版社；,4) 《工程流體力學(xué)》潘文全編 清華大學(xué)出版社；,5) 《工程流體力學(xué)》詹德心編 湖北科學(xué)技術(shù)出版社；,,6

4、）《流體力學(xué)》張也影主編，高等教育出版社；,7） 《水力學(xué)》于布主編，華南理工大學(xué)出版社；,8） 《流體力學(xué)、水力學(xué)題解》莫乃榕編，華中科技大學(xué)出版社；9）陳卓如《工程流體力學(xué)》第二版 高等教育出版社2004.1,5.學(xué)習(xí)網(wǎng)站 1) http://www.fluid.net.cn 2) http://www.chinawater.net.cn 3) http://www.watertech.net.cn 4) http

5、://www.simwe.com 5) http://www.ansys.com.cn/cae/cfd.php,,工程流體力學(xué)課程的學(xué)習(xí)要求,通過本課程的學(xué)習(xí),1.掌握流體力學(xué)的基本理論，基本原理；,2.能運(yùn)用流體力學(xué)的基本理論解決工程實際中的問題；,3.掌握流體力學(xué)的基本計算技巧，熟練運(yùn)用“三大方程”進(jìn) 行實際工程的計算和設(shè)計；,4.了解水泵(風(fēng)機(jī))的類型、性能及結(jié)構(gòu)特點；,5.掌握水泵(風(fēng)機(jī))各種性能參數(shù)(流量、揚(yáng)程、功率

6、)的計算；,6.能根據(jù)工程的設(shè)計要求進(jìn)行水泵(風(fēng)機(jī))選型、安裝和調(diào)節(jié)。,,本課程有一定的習(xí)題，希望同學(xué)按要求完成,1.作業(yè)根據(jù)要求抄題、畫圖、寫出計算公式，具體計算步 驟和結(jié)果；,2.作業(yè)須按時交，課程結(jié)束時沒完成作業(yè)者，不能參加考試；,3.作業(yè)的成績占總評成績的20% ；,本課程有實驗，希望同學(xué)按要求完成,1.按照規(guī)定的時間、地點進(jìn)行上好實驗課；,2.課前須預(yù)習(xí)實驗指導(dǎo)書，實驗后按規(guī)定的時間交實驗報告；,3.實驗報告和作業(yè)一起算

7、平時成績，占總評的20% ；,,工程流體力學(xué)課件Engineering fluid mechanics制作者 肖新棉 工學(xué)院,第六章 離心泵與風(fēng)機(jī)的理論基礎(chǔ),第七章 離心泵與風(fēng)機(jī)的性能,第一章 緒論,第二章 流體靜力學(xué),第三章 一元流體動力學(xué)基礎(chǔ),第四章 流動阻力和能量損失,第五章 孔口管嘴管路流動,,一、物質(zhì)的三態(tài),在地球上，物質(zhì)存在的主要形式有：固體、液體和氣體。,流體和固體的區(qū)別： 從力學(xué)分析的意義上看，在于它們

8、對外力抵抗的能力不同。,應(yīng)用流體力學(xué)的概念及發(fā)展歷史,,,1. 氣體易于壓縮，而液體難于壓縮； 2. 液體有一定的體積，氣體能充滿任意形狀的容器， 無一定的形狀。,液體和氣體的共同點： 兩者均具有易流動性，故二者統(tǒng)稱為流體。,,液體和氣體的區(qū)別：,實驗流體力學(xué),現(xiàn)代流體力學(xué),二、流體力學(xué)的發(fā)展歷史,古典水動力學(xué)（流體力學(xué)）,,實際工程1,實際工程

9、2,流體力學(xué)運(yùn)用,卡洛斯的精彩香蕉球,機(jī)翼自由渦,第一階段（16世紀(jì)以前）： 流體力學(xué)形成的萌芽階段第二階段（16世紀(jì)文藝復(fù)興以后-18世紀(jì)中葉）： 流體力學(xué)成為一門獨立學(xué)科的基礎(chǔ)階段第三階段（18世紀(jì)中葉-19世紀(jì)末）： 流體力學(xué)沿著兩個方向發(fā)展——歐拉、伯努利第四階段（19世紀(jì)末以來）： 流體力學(xué)飛躍發(fā)展,,流體力學(xué)的發(fā)展歷史,第一階段（16世紀(jì)以前）：流體力學(xué)形成的萌芽階段,公元前2

10、286年－公元前2278年　 大禹治水——疏壅導(dǎo)滯（洪水歸于河）公元前300多年 李冰　　都江堰公元584年－公元610年　 隋朝　南北大運(yùn)河、船閘應(yīng)用　 埃及、巴比倫、羅馬、希臘、印度等地水利、造 船、航海產(chǎn)業(yè)發(fā)展系統(tǒng)研究　　古希臘哲學(xué)家阿基米德《論浮體》 （公元前250年）奠定了流體靜力學(xué)的基礎(chǔ),,第二階段（16世紀(jì)文藝復(fù)興以后-18世紀(jì)中葉） 流體力學(xué)成為一門獨立學(xué)科的基礎(chǔ)階段,

11、1586年　斯蒂芬——水靜力學(xué)原理1650年　帕斯卡——“帕斯卡原理”1612年　伽利略——物體沉浮的基本原理1686年　牛頓——牛頓內(nèi)摩擦定律1738年　伯努利——理想流體的運(yùn)動方程即伯努利方程1775年　歐拉——理想流體的運(yùn)動方程即歐拉運(yùn)動微分 方程,,第三階段（18世紀(jì)中葉-19世紀(jì)末）流體力學(xué)沿著兩個方向發(fā)展——歐拉、伯努 利（實驗）,工程技術(shù)快速發(fā)展，提出很多經(jīng)驗公式　　1769

12、年　謝才——謝才公式（計算流速、流量）　　1895年　曼寧——曼寧公式（計算謝才系數(shù)）　　1732年　比托——比托管（測流速）　　1797年　文丘里——文丘里管（測流量）理論　　1823年納維，1845年斯托克斯分別提出粘性流體運(yùn)動方程組（N-S方程）,,第四階段（19世紀(jì)末以來） 流體力學(xué)飛躍發(fā)展,理論分析與試驗研究相結(jié)合量綱分析和相似性原理起重要作用　　1

13、883年 雷諾——雷諾實驗（判斷流態(tài)）　　1903年 普朗特——邊界層概念（繞流運(yùn)動）　　1933-1934年尼古拉茲——尼古拉茲實驗 （確定阻力系數(shù)）　……,流體力學(xué)與相關(guān)的鄰近學(xué)科相互滲透，形成很多新分支和交叉學(xué)科,,流體力學(xué)的發(fā)展簡史,流體力學(xué)在中國大禹治水 4000多年前的大禹治水，說明我國古代已有大規(guī)模的治河工程。 (公元前256~210年)

14、 秦代，在公元前256-前210年間便修建了都江堰、鄭國渠、靈渠三大水利工程，說明當(dāng)時對明槽水流和堰流流動規(guī)律的認(rèn)識已經(jīng)達(dá)到相當(dāng)水平。龍首渠（公元前156-前87） 西漢武帝時期，為引洛水灌溉農(nóng)田，在黃土高原上修建了龍首渠，創(chuàng)造性地采用了井渠法，即用豎井溝通長十余里的穿山隧洞，有效地防止了黃土的塌方。,,水利風(fēng)力機(jī)械 在古代，以水為動力的簡單機(jī)械也有了長足的發(fā)展，例如用水輪提水，或通過簡單的機(jī)械傳動去碾米、磨面等。

15、東漢杜詩任南陽太守時（公元37年）曾創(chuàng)造水排（水力鼓風(fēng)機(jī)），利用水力，通過傳動機(jī)械，使皮制鼓風(fēng)囊連續(xù)開合，將空氣送入冶金爐，較西歐約早了一千一百年。,流體力學(xué)在中國,,流體力學(xué)在中國,真州船閘 北宋（960-1126）時期，在運(yùn)河上修建的真州船閘與十四世紀(jì)末荷蘭的同類船閘相比，約早三百多年。潘季順　明朝的水利家潘季順（1521-1595）提出了“筑堤防溢，建壩減水，以堤束水，以水攻沙”和“借清刷黃”的治黃原則，并著有《兩河管

16、見》、《兩河經(jīng)略》和《河防一攬》。流 量　清朝雍正年間，何夢瑤在《算迪》一書中提出流量等于過水?dāng)嗝婷娣e乘以斷面平均流速的計算方法。,,流體力學(xué)在中國,錢學(xué)森  　錢學(xué)森（1911－）浙江省杭州市人， 他在火箭、導(dǎo)彈、航天器的總體、動力、制導(dǎo)、氣動力、結(jié)構(gòu)、材料、計算機(jī)、質(zhì)量控制和科技管理等領(lǐng)域的豐富知識，為中國火箭導(dǎo)彈和航天事業(yè)的創(chuàng)建與發(fā)展作出了杰出的貢獻(xiàn)。1957年獲中國科學(xué)院自然科學(xué)一等獎，1979年獲美國加州理工

17、學(xué)院杰出校友獎，1985年獲國家科技進(jìn)步獎特等獎。1989年獲小羅克維爾獎?wù)潞褪澜缂壙茖W(xué)與工程名人稱號，1991年被國務(wù)院、中央軍委授予“國家杰出貢獻(xiàn)科學(xué)家”榮譽(yù)稱號和一級英模獎?wù)隆?,流體力學(xué)在中國,周培源（ 1902－1993) 1902年8月28日出生，江蘇宜興人。理論學(xué)家、流體力學(xué)家主要從事物理學(xué)的基礎(chǔ)理論中難度最大的兩個方面即愛因斯坦廣義相對論引力論和流體力學(xué)中的湍流理論的研究與教學(xué)并取得出色成果。,吳仲華

18、（Wu Zhonghua） 在1952年發(fā)表的《在軸流式、徑流式和混流式亞聲速和超聲速葉輪機(jī)械中的三元流普遍理論》和在1975年發(fā)表的《使用非正交曲線坐標(biāo)的葉輪機(jī)械三元流動的基本方程及其解法》兩篇論文中所建立的葉輪機(jī)械三元流理論，至今仍是國內(nèi)外許多優(yōu)良葉輪機(jī)械設(shè)計計算的主要依據(jù)。,,流體力學(xué)的西方史,阿基米德（Archimedes，公元前287－212） 歐美諸國歷史上有記載的最早從事流體力學(xué)現(xiàn)象研究的是古希臘

19、學(xué)者阿基米德在公元前250年發(fā)表學(xué)術(shù)論文《論浮體》，第一個闡明了相對密度的概念，發(fā)現(xiàn)了物體在流體中所受浮力的基本原理──阿基米德原理。,,流體力學(xué)的西方史,列奧納德.達(dá).芬奇（Leonardo.da.Vinci,1452－1519） 著名物理學(xué)家和藝術(shù)家 設(shè)計建造了一小型水渠，系統(tǒng)地研究了物體的沉浮、孔口出流、物體的運(yùn)動阻力以及管道、明渠中水流等問題。,斯蒂文（S.Stevin,1548-1620）將用于研究固體平衡的

20、凝結(jié)原理轉(zhuǎn)用到流體上。 伽利略（Galileo,1564-1642） 在流體靜力學(xué)中應(yīng)用了虛位移原理，并首先提出，運(yùn)動物體的阻力隨著流體介質(zhì)密度的增大和速度的提高而增大。托里析利（E.Torricelli,1608-1647）論證了孔口出流的基本規(guī)律。,,流體力學(xué)的西方史,帕斯卡（B.Pascal,1623-1662） 提出了密閉流體能傳遞壓強(qiáng)的原理--帕斯卡原理。牛 頓 英國偉大的數(shù)學(xué)家、物理學(xué)家、

21、天文學(xué)家和自然哲學(xué)家。1642年12月25日生于英格蘭林肯郡格蘭瑟姆附近的沃爾索普村，1727年3月20日在倫敦病逝。牛頓在科學(xué)上最卓越的貢獻(xiàn)是微積分和經(jīng)典力學(xué)的創(chuàng)建。牛頓的成就，恩格斯在《英國狀況十八世紀(jì)》中概括得最為完整：“牛頓由于發(fā)明了萬有引力定律而創(chuàng)立了科學(xué)的天文學(xué)，由于進(jìn)行了光的分解而創(chuàng)立了科學(xué)的光學(xué)，由于創(chuàng)立了二項式定理和無限理論而創(chuàng)立了科學(xué)的數(shù)學(xué)，由于認(rèn)識了力的本性而創(chuàng)立了科學(xué)的力學(xué)"。,,伯

22、努利（D.Bernoulli，1700－1782）瑞士科學(xué)家 在1738年出版的名著《流體動力學(xué)》中，建立了流體位勢能、壓強(qiáng)勢能和動能之間的能量轉(zhuǎn)換關(guān)系──伯努利方程。在此歷史階段，諸學(xué)者的工作奠定了流體靜力學(xué)的基礎(chǔ)，促進(jìn)了流體動力學(xué)的發(fā)展。,流體力學(xué)的西方史,,流體力學(xué)的西方史,歐 拉（L.Euler，1707－1783） 經(jīng)典流體力學(xué)的奠基人，1755年發(fā)表《流體運(yùn)動的一般原理》，提出了流體的連續(xù)

23、介質(zhì)模型，建立了連續(xù)性微分方程和理想流體的運(yùn)動微分方程，給出了不可壓縮理想流體運(yùn)動的一般解析方法。他提出了研究流體運(yùn)動的兩種不同方法及速度勢的概念，并論證了速度勢應(yīng)當(dāng)滿足的運(yùn)動條件和方程。,,流體力學(xué)的西方史,達(dá)朗伯（J.le R.d‘Alembert,1717－1783） 1744年提出了達(dá)朗伯疑題（又稱達(dá)朗伯佯謬），即在理想流體中運(yùn)動的物體既沒有升力也沒有阻力。從反面說明了理想流體假定的局限性。,拉格朗日（J.-

24、L.Lagrange,1736－1813） 提出了新的流體動力學(xué)微分方程，使流體動力學(xué)的解析方法有了進(jìn)一步發(fā)展。嚴(yán)格地論證了速度勢的存在，并提出了流函數(shù)的概念，為應(yīng)用復(fù)變函數(shù)去解析流體定常的和非定常的平面無旋運(yùn)動開辟了道路。,,流體力學(xué)的西方史,弗勞德（W.Froude，1810-1879）對船舶阻力和搖擺的研究頗有貢獻(xiàn)，他提出了船模試驗的相似準(zhǔn)則數(shù)--弗勞德數(shù)，建立了現(xiàn)代船模試驗技術(shù)的基礎(chǔ)。亥姆霍茲（H.vo

25、n Helmholtz,1821-1894）和基爾霍夫（G.R.Kirchhoff,1824-1887）對旋渦運(yùn)動和分離流動進(jìn)行了大量的理論分析和實驗研究，提出了表征旋渦基本性質(zhì)的旋渦定理、帶射流的物體繞流阻力等學(xué)術(shù)成就。,,流體力學(xué)的西方史,納維（C.-L.-M.-H.Navier）首先提出了不可壓縮粘性流體的運(yùn)動微分方程組。斯托克斯（G.G.Stokes）嚴(yán)格地導(dǎo)出了這些方程，并把流體質(zhì)點的運(yùn)動分解為平動、轉(zhuǎn)動、均勻膨脹或壓縮及由剪

26、切所引起的變形運(yùn)動。后來引用時，便統(tǒng)稱該方程為納維-斯托克斯方程。,納維（L.Navier，1785－1836，法國）,斯托克斯（G.Stokes，1819－1903，英國）,,流體力學(xué)的西方史,謝 才（A.de Chézy法國 ） 在1755年便總結(jié)出明渠均勻流公式--謝才公式，一直沿用至今。雷 諾（O.Reynolds，1842-1912）1883年用實驗證實了粘性流體的兩種流動狀態(tài)──層流和紊流的客

27、觀存在，找到了實驗研究粘性流體流動規(guī)律的相似準(zhǔn)則數(shù)──雷諾數(shù)，以及判別層流和紊流的臨界雷諾數(shù)，為流動阻力的研究奠定了基礎(chǔ)。,,流體力學(xué)的西方史,瑞 利（L.J.W.Reyleigh，1842-1919英國）在相似原理的基礎(chǔ)上，提出了實驗研究的量綱分析法中的一種方法--瑞利法。庫 塔（M.W.Kutta，1867－1944）1902年就曾提出過繞流物體上的升力理論，但沒有在通行的刊物上發(fā)表。儒科夫斯基（Н.Е.Жуковский,

28、1847－1921）從1906年起，發(fā)表了《論依附渦流》等論文，找到了翼型升力和繞翼型的環(huán)流之間的關(guān)系，建立了二維升力理論的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。他還研究過螺旋槳的渦流理論以及低速翼型和螺旋槳槳葉剖面等。他的研究成果，對空氣動力學(xué)的理論和實驗研究都有重要貢獻(xiàn)，為近代高效能飛機(jī)設(shè)計奠定了基礎(chǔ)。,,流體力學(xué)的西方史,普朗特（L.Prandtl，1875－1953）建立了邊界層理論，解釋了阻力產(chǎn)生的機(jī)制。以后又針對航空技術(shù)和其他工程技術(shù)中出現(xiàn)的紊流邊界層

29、，提出混合長度理論。1918-1919年間，論述了大展弦比的有限翼展機(jī)翼理論，對現(xiàn)代航空工業(yè)的發(fā)展作出了重要的貢獻(xiàn)。 卡 門（T.von Kármán，1881-1963）在1911-1912年連續(xù)發(fā)表的論文中，提出了分析帶旋渦尾流及其所產(chǎn)生的阻力的理論，人們稱這種尾渦的排列為卡門渦街。在1930年的論文中，提出了計算紊流粗糙管阻力系數(shù)的理論公式。嗣后，在紊流邊界層理論、超聲速空氣動力學(xué)、火箭及噴氣技術(shù)等方面都有

30、不少貢獻(xiàn)。,,流體力學(xué)的西方史,布拉休斯（H.Blasius）在1913年發(fā)表的論文中，提出了計算紊流光滑管阻力系數(shù)的經(jīng)驗公式。伯金漢（E.Buckingham）在1914年發(fā)表的《在物理的相似系統(tǒng)中量綱方程應(yīng)用的說明》論文中，提出了著名的π定理，進(jìn)一步完善了量綱分析法。尼古拉茲（J.Nikuradze）在1933年發(fā)表的論文中，公布了他對砂粒粗糙管內(nèi)水流阻力系數(shù)的實測結(jié)果--尼古拉茲曲線，據(jù)此他還給紊流光滑管和紊流粗糙管的理論

31、公式選定了應(yīng)有的系數(shù)。,,流體力學(xué)的西方史,科勒布茹克（C.F.Colebrook）在1939年發(fā)表的論文中，提出了把紊流光滑管區(qū)和紊流粗糙管區(qū)聯(lián)系在一起的過渡區(qū)阻力系數(shù)計算公式。莫迪（L.F.Moody）在1944年發(fā)表的論文中，給出了他繪制的實用管道的當(dāng)量糙粒阻力系數(shù)圖--莫迪圖。至此，有壓管流的水力計算已漸趨成熟。,,古老的提水工具-水車,,都江堰,,,都江堰 由魚嘴（分水工程）、飛沙堰（溢流排沙工程）和寶瓶口（引水工程）三

32、大主體工程組成的無壩引水樞紐,都江堰 始建于秦昭王末年（約公元前256－前251），秦蜀守李冰主持興建。工程以灌溉為主，兼有防洪、水運(yùn)、城市供水等多種效益,,新安江水電站,,二灘水電站,,二灘水電站,二灘水電站位于四川省西南部攀枝花市境內(nèi)的雅礱江下游，距雅礱江與金沙江的交匯口33km，是雅礱江干流上規(guī)劃建設(shè)的21座梯級電站中的第一座；二灘電站是以發(fā)電為主的大型水力發(fā)電樞紐，水庫總庫容58億m3，調(diào)節(jié)庫容33.7億m3；電站裝有6臺5

33、5萬KW的混流式水輪發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)容量330萬KW，保證出力100萬KW，多年平均發(fā)電量170萬KW.h，是中國20世紀(jì)建成投產(chǎn)的最大的水電站；,,樞紐主要建筑物有混凝土雙曲拱壩、左岸引水發(fā)電地下廠房系統(tǒng)、右岸兩條泄洪洞和左岸過木機(jī)道等；混凝土雙曲拱壩為拋物線形，最大壩高240米，是中國已建成的最高壩，同類壩中居世界第三位；1987年9月開始施工前期準(zhǔn)備，1991年9月14日工程正式開工，1993年11月26日實現(xiàn)大江截流，199

34、8年5月1日開始蓄水，同年8月18日第一臺機(jī)組并網(wǎng)發(fā)電。,,,葛洲壩水電站,,葛洲壩水電站,葛洲壩水利樞紐是長江干流上新建的第一座水利樞紐，被譽(yù)為長江第一明珠；葛洲壩水利樞紐奠基于70年代初，竣工于80年代，工程總投資48.48億元人民幣；大江電廠、二江電廠總裝機(jī)21臺，總?cè)萘?71.5萬KW，年均發(fā)電量153億KW.h；截至1999年電廠累計發(fā)電2320億KW.h，人均創(chuàng)造勞動產(chǎn)值71.8萬元；戰(zhàn)勝大于45000m3/s特大洪

35、水43次，1998年8月在長江發(fā)生特大洪水期間三次超常規(guī)攔蓄洪峰，為緩解長江中下游災(zāi)情、避免荊江分洪做出了突出貢獻(xiàn)。,,三峽水電站,,三、應(yīng)用流體力學(xué)的概述,應(yīng)用流體力學(xué)是一門討論研究液體及氣體平衡和機(jī)械運(yùn)動規(guī)律及其實際工程應(yīng)用的一門技術(shù)學(xué)科。,流體靜力學(xué)：研究流體處于靜止?fàn)顟B(tài)下的力學(xué)規(guī)律；流體動力學(xué)：研究作用于流體上的各種力和運(yùn)動之間的關(guān)系 以及流體的運(yùn)動特性及能量等問題。,機(jī)械類流體力學(xué)：機(jī)械、冶金、化工、

36、水力機(jī)械水利類流體力學(xué)：水工、水動、海洋土木類流體力學(xué)：土建、市政、工民建、道橋、城市防洪,,應(yīng)用流體力學(xué)的概念,流體力學(xué)分類,流體力學(xué)的內(nèi)容,2.在市政工程中的應(yīng)用 如橋涵孔徑設(shè)計、給水排水 系統(tǒng)、隧洞通風(fēng)與排水等。,1.在土建工程中的應(yīng)用 如路基排水、地下水滲透等。,3.城市防洪工程中的應(yīng)用 如堤、壩的作用力與滲流 問題、防洪閘壩的過流能力等。,四、流體力學(xué)的應(yīng)用,,4.機(jī)械工程的應(yīng)用 如水壓機(jī)、液

37、壓打樁機(jī)、挖掘機(jī)等。,流體力學(xué)在工程中的應(yīng)用,船舶運(yùn)動,浮標(biāo),海洋平臺,潛器,地效翼艇 （WIG）,航空航天航海,,流體力學(xué)在工程中的應(yīng)用,能源動力,發(fā)動機(jī)四沖程,Wind Turbine,,飛機(jī)發(fā)動機(jī),蒸汽機(jī)車,能源動力,,楊浦大橋,能源動力,,氣象云圖,龍卷風(fēng),氣象科學(xué),,環(huán)境控制,污水凈化設(shè)備模型,電廠冷卻塔,,生物仿生學(xué),信天翁滑翔,應(yīng)用廣泛已派生出很多新的分支:電磁流體力學(xué)、生物流體力學(xué)化學(xué)流體力學(xué)、地球流體力學(xué)高溫氣體

38、動力學(xué)、非牛頓流體力學(xué)爆炸力學(xué)、流變學(xué)、計算流體力學(xué)等,,流體 能夠流動的物質(zhì)叫流體 在任何微小的剪切力的作用下都能夠發(fā)生連續(xù)變形的物質(zhì)稱為流體。包括－－－氣體、液體。,氣體無一定形狀和體積。,流體的定義及特征,就易變形性而言，液體與氣體屬于同類。,流體的易變形性： 在受到剪切力持續(xù)作用時，固體的變形一般是微小的(如金屬)或有限的(如塑料)，但流體卻能產(chǎn)生很大的甚至無限大(只作用時間無限長)的變

39、形。,,當(dāng)剪切力停止作用后，固體變形能恢復(fù)或部分恢復(fù)，流體則不作任何恢復(fù)。,流體的定義及特征,固體內(nèi)的切應(yīng)力由剪切變形量(位移)決定，而流體內(nèi) 的切應(yīng)力與變形量無關(guān)，由變形速度(切變率)決定。,任意改變均質(zhì)流體微元排列次序，不影響它的宏觀物理性質(zhì)；任意改變固體微元的排列無疑將它徹底破壞。,,流體的定義及特征,固體表面之間的摩擦是滑動摩擦，摩擦力與固體表面狀況有關(guān)；流體與固體表面可實現(xiàn)分子量級的接觸，達(dá)到表面不滑移。,,第一章 緒

40、 論,§1—1 作用在流體上的力,§1—2 流體的主要力學(xué)性質(zhì),§1—3 流體的力學(xué)模型,,,1.流體的主要力學(xué)性質(zhì)（特別是粘滯性）；2.作用于流體上的力（表面力，質(zhì)量力）；3.牛頓內(nèi)摩擦定理 （公式的物理意義，公式中各項的意義）,本 章 重 點,1.流體的基本特征和主要力學(xué)性質(zhì)；2.作用于流體上的力 ；3.牛頓內(nèi)摩擦定理,本 章 難 點,,§1—1 作用在流體上的力,2 .按

41、作用方式分：,分 類,1 .按物理性質(zhì)的不同分類：,,重力、摩擦力、慣性力、彈性力、表面張力等。,質(zhì)量力和面積力（表面力）。,設(shè)X、Y、Z為單位質(zhì)量力在x、y、z 軸向的分力，即：,可見：質(zhì)量力與加速度相關(guān)聯(lián)。,一、質(zhì)量力（Mass Force）：,定義：作用于流體的每一個質(zhì)點(或微團(tuán))上的力,它的 大小與質(zhì)量成正比。,單位質(zhì)量力：單位質(zhì)量流體所受到的質(zhì)量力。,,當(dāng)流體所受的質(zhì)量力僅只有重力時，G=mg，此時重力與重力加速

42、度相關(guān)聯(lián)。 g=G/m。,最常見的質(zhì)量力有：重力、慣性力。,單位質(zhì)量力的量綱： [L/T2],,X= Gx /m =0 ，,設(shè)重力在各軸相的分力為Gx、 Gy 、Gz ， 則單位質(zhì)量力的軸向分力為:,Y= Gy /m=0 ，,Z= Gz /m=-g,p2(1-1-2),二、表面力(Surface Force)又稱面積力；,定義：作用于流體表面上的力,與作用的表面積大小 成正比。,拉力、壓力、切力,法向力：垂直于流

43、體表面 P= pA 切向力：與流體表面相切 T=τA,表面力包括法向力和切向力；,,A,?A,應(yīng)力：單位面積上的表面力，正應(yīng)力和切向力,單位：N /m2 , Pa,,壓強(qiáng),p3(1-1-4),切應(yīng)力,1.靜止的流體受到哪幾種力的作用？,2.理想流體受到哪幾種力的作用？,3.僅有重力作用的靜止流體的單位 質(zhì)量力為多少？,X=Y=0，Z= - g,重力與壓應(yīng)力，無法承受剪切力。,重力與壓

44、應(yīng)力，因為無粘性，故無剪切力。,,,§1—2 流體的主要力學(xué)性質(zhì),一、流體的特征,二、慣性,,三、重力特性,四、粘滯性,五、壓縮性和熱脹性,六、表面張力特性,流體與固體不同的是：流體具有流動性。 即流體的基本特征就是流動性。,二、慣性,質(zhì)量就是用來表征慣性的物理量。,ρ——流體的密度， kg/m3 ； m ——流體的質(zhì)量, kg； V ——該流體

45、的體積， m3 。,密度(Density)：是指單位體積流體的質(zhì)量。單位：kg/m3,均質(zhì)流體內(nèi)部各點處的密度均相等：,,p3(1-2-2),p3(1-2-1),一、流體的特征,三、重力特性,流體受地球引力的特性，稱重力特性，用容重表示。,γ ——流體的容重，N/m3；G ——體積為V的流體所受的重力，N ；V——重力為G的流體體積， m3。,因為 G=mg , 則 γ = ρg ； p4(1-2-5),容重(Specific

46、 Weight): 指單位體積流體的重量。單位: N/m3,均質(zhì)流體內(nèi)部各點處的容重均相等：,,p4(1-2-4),p4(1-2-3),比重(Specific Gravity):是指液體密度與標(biāo)準(zhǔn)純水的密度之比;,液體的比重,比容(Specific Volume)：指單位氣體質(zhì)量所具有的體積。 ?=1/? （ m3/kg）,氣體的比容,（增加內(nèi)容）,水的密度和容重： ρ= 1000kg/

47、m3； γ=9807 N/m3；汞的密度和容重： ρHg=13595kg/m3； γHg=133326 N/m3；干空氣在溫度為290K，壓強(qiáng)為760mmHg時， ρa(bǔ)=1.2kg/m3； γa =11.77 N/m3；,,四、粘滯性,定義：流體對各質(zhì)點相對運(yùn)動表示抵抗的性質(zhì)。 它只有在運(yùn)動時才表現(xiàn)出來。流體的粘度：是由流動流體的內(nèi)聚力和分子的動量交

48、 換所引起的。,,流體在管中流動的例子見教材p4,流體流動時產(chǎn)生內(nèi)摩擦力的性質(zhì)程為流體的黏性。流體內(nèi)摩擦的概念最早由牛頓（Newton,1687）提出。,粘性：即在運(yùn)動的狀態(tài)下，流體所產(chǎn)生的阻抗剪切 變形的力。,由于各流層的速度不同各質(zhì)點間就產(chǎn)生相對運(yùn)動，從而產(chǎn)生內(nèi)摩擦力以抵抗相對運(yùn)動。此內(nèi)摩擦力稱粘滯力。,粘滯力T的大小用牛頓內(nèi)摩擦定理(液體運(yùn)動時，相鄰液層間所產(chǎn)生的切應(yīng)力與剪切變形

49、的速率成正比)求得，即：,單位面積上的內(nèi)摩擦力稱切應(yīng)力以τ 表示，即：,,p5(1-2-6),p5(1-2-7),1）與兩流層間的速度差(相對速度)du成正比， 和流層間距離dy成反比；2）與流層的接觸面積A的大小成正比；3）與流體的種類有關(guān)；4）與流體的壓力大小無關(guān)。,由此可見內(nèi)摩擦力T 的大?。?,說明：流體的切應(yīng)力與剪切變形速率或角變形率成正比。注意：固體的切應(yīng)力與角變形的大小成正比。,粘性切應(yīng)力由相鄰兩層流體之間的

50、速度梯度決定,而不是由速度決定 .,粘性切應(yīng)力由流體元的角變形速率決定，而不是由變形量決定.,牛頓粘性定律指出：,,流體粘性只能影響流動的快慢，卻不能停止流動。,牛頓內(nèi)摩擦定律,,流體粘性成因,流體內(nèi)摩擦是兩層流體間分子內(nèi)聚力和分子動量交換的宏觀表現(xiàn)。,當(dāng)兩層液體作相對運(yùn)動時，兩層液體分子的平均距離加大，吸引力隨之增大，這就是分子內(nèi)聚力。,,流體粘性的成因,氣體分子的隨機(jī)運(yùn)動范圍大，流層之間的分子交換頻繁。,兩層之間的分子動量交換表現(xiàn)為

51、力的作用，稱為表觀切應(yīng)力。氣體內(nèi)摩擦力即以表觀切應(yīng)力為主。,一般認(rèn)為：液體粘性主要取決于分子間的引力，氣體的黏性主要取決于分子的熱運(yùn)動。,,1） μ的物理意義； μ值的大小表征粘滯性的強(qiáng)弱。（du/dy=1,τ= μ) 當(dāng)流體靜止時 ，du/dy=0,則 τ= 0 有時也用運(yùn)動粘滯系數(shù)來ν描述，即:,關(guān)于粘滯系數(shù)μ(又稱動力粘度,動力粘性系數(shù))：,,(cm2/s),水的運(yùn)動粘度? 通常可用經(jīng)驗公式計

52、算：,2） μ的單位； 國際單位制 Pa ? S (N ? s/m2 ) ； 工程單位制（kgf ? S/m2） ν的單位: (m2/s),3) 溫度對粘度的影響； 液體的粘滯性隨溫度升高而減小，氣體的粘滯性隨溫度升高而增大；,,注意： 當(dāng)溫度升高時，液體的粘度減小，氣體的粘度增加。 見p6(表1—1，表1—2),不同溫度下水的物理性質(zhì)表,,例1-1 如

53、圖1-2所示，汽缸內(nèi)壁的直徑D=12cm，活塞的直徑d =11.96 cm，活塞的長度l =14cm，活塞往復(fù)運(yùn)動的速度為1m/s，潤滑油液的μ=0.1Pa·s，試問作用在活塞上的粘滯力為多少？,解,根據(jù)公式,,求接觸面積,作用在活塞上的粘滯力為：,由已知參數(shù)求流速梯度,,習(xí) 題,如圖所示，轉(zhuǎn)軸直徑=0.36m，軸承長度=1m，軸與軸承之間的縫隙＝0.2mm，其中充滿動力粘度＝0.72 Pa.s的油，如果軸的轉(zhuǎn)速200rp

54、m，求克服油的粘性阻力所消耗的功率。,解：油層與軸承接觸面上的速度為零，與軸接觸面上的速度等于軸面上 的線速度：,,設(shè)油層在縫隙內(nèi)的速度分布為直線分布，即 則軸表面上總的切向力 為：,,克服摩擦所消耗的功率為：,,,牛頓流體(Newtonian Fluids):是指任一點上的剪應(yīng)力都同剪切變形速率呈線性函數(shù)關(guān)系的流體。,牛頓流體、非牛頓流體,非牛頓流體：不符合上述條件的均稱為非牛頓流體。,,壓縮性—流體受壓，體積縮小，

55、密度增大的性質(zhì)。熱脹性—流體受熱，體積膨脹，密度減小的性質(zhì)。,五、壓縮性和熱脹性,流體的(可)壓縮性(Compressibility): 作用在流體上的壓力變化可引起流體的體積變化或密度變化，這一現(xiàn)象稱為流體的可壓縮性。壓縮性可用體積壓縮性系數(shù)? 來量度。,,氣體的壓縮性和熱脹性,,,液體的壓縮性和熱脹性,,液體的壓縮性(Compressibility), 用壓縮性系數(shù)β表示。即增加一個單位壓力時所引起的密度的增加率。,1.液體的

56、壓縮性和熱脹性,1）壓縮性,P8(1-2-10),液體被壓縮時，質(zhì)量并不改變，即：,故體積壓縮性系數(shù)又可表示為：,,p8(1-2-11),體積彈性模量 E,液體的彈性模量(Bulk Modulus of Elasticity)以E表示，為壓縮系數(shù)β 的倒數(shù)。即：,?與E 隨溫度和壓強(qiáng)而變化，但變化甚微。,,p8(1-2-12),液體的熱脹性，用熱脹系數(shù)α表示，與壓縮系數(shù)相反，當(dāng)溫度增加dT時，液體的密度減小率為-dρ/ρ, 即：,同理，

57、熱脹系數(shù)亦可表示為：,2）熱脹性,,p8(1-2-13),p8(1-2-14),水的壓縮系數(shù)見p8;表1—3， 水的容重及密度見表1—4。 分析兩表可知，（見教材第9頁）水的熱脹性和壓縮性很小，一般可忽略不計。 在特殊情況下(如水擊、熱水采暖等),才考慮其熱脹性和壓縮性。,,2.氣體的壓縮性和熱脹性,氣體與液體不同，具有顯著的壓縮性和熱脹性。在溫度不太低，壓強(qiáng)不過高時，氣體密度、壓強(qiáng)和溫度之間的關(guān)系，服從理想氣體狀態(tài)方

58、程。即：,式中: p —氣體的絕對壓強(qiáng)，N/ m2； T —氣體的熱力學(xué)溫度, K；T=273+t℃ ρ —氣體的密度，kg/ m3； R —氣體常數(shù) , J/ kg.K; 對于空氣 R=287;,p9(1-2-15),,當(dāng)溫度不變的等溫情況下，T=常數(shù)，RT=常數(shù)，則：,當(dāng)壓強(qiáng)不變的等壓情況下，p =常數(shù)，p/R =常數(shù)，則：,,p9(1-2-16),p10(1-

59、2-17),在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓時的空氣容重和密度，見p10表1-5,例題見p10例1-2,由此可知： 任何流體都是可壓縮和膨脹的，只是壓縮和膨脹的程度不同。,對于液體，壓縮性和膨脹性很小，一般忽略不計；,氣體雖可壓縮與膨脹，但也須具體分析，工程中遇到的多數(shù)氣體流動速度遠(yuǎn)小于音速，可當(dāng)作不可壓縮流體看待。對于氣體速度接近或超過音速時，其密度不為常數(shù)，稱可壓縮氣體。,流體的可壓縮性和不可壓縮性，取決于其密度是否為常數(shù)。,,1、為什么水通常被視為

60、不可壓縮流體？,2、自來水水龍頭突然開啟或關(guān)閉時， 水是否為不可壓縮流體？為什么？,3、自來水水龍頭關(guān)閉的情況下，若有滴 水，但此時水表可能不轉(zhuǎn)，為什么？ 過了一段時間后，水表又會動一動， 這又是為什么？,,請 思 考,六、表面張力特性,內(nèi)聚力(Cohesive Force):是分子間的相互吸引力。,附著力(Adhesion): 是指兩種不同物質(zhì)接觸部分的相互吸引力。,內(nèi)聚力、

61、附著力、表面張力,表面張力(Surface Tension): 是指液體表面相鄰兩部分單位長度內(nèi)的相互牽引力，表現(xiàn)為液體自由表面在分子作用半徑一薄層內(nèi)由于分子引力大于斥力在表層沿表面方向而產(chǎn)生的拉力。,,由于分子間的吸引力，在液體的自由表面上能夠承受極其微小的張力，這種張力稱表面張力。,,氣體不存在表面張力，對于液體表面張力在平面上不產(chǎn)生附加壓力，只在曲面上才產(chǎn)生附加壓力。 一般情況，表面張力的影響很小，可忽略不計。,表面

62、張力動畫２,表面張力動畫１,表面張力系數(shù)σ ：是指自由液面上單位長度所受到 的拉力的數(shù)值，單位為:N/m。,表面張力的大小，用表面張力系數(shù)σ 來度量。,毛細(xì)現(xiàn)象(Capillarity Phenomena): 是指含有細(xì)微縫隙的物體與液體接觸時，在浸潤情況下液體沿縫隙上升或滲入、在不浸潤情況下液體沿縫隙下降的現(xiàn)象。,毛細(xì)現(xiàn)象,,如果在一盛水或水銀的容器中插入一直徑為d的

63、開口玻璃管，會看到玻璃管中液面呈下凹或上凸的彎月面。由于水的內(nèi)聚力小于玻璃管壁的附著力，所以玻璃管中液面呈下凹的彎月面；而水銀的內(nèi)聚力大于玻璃管壁的附著力，玻璃管中液面呈上凸的彎月面。如圖所示。,,毛細(xì)作用的計算,對于水有： ?=5°， ?=0.074N/m,對于水銀有： ?=140°，?=0.514N/m,毛細(xì)高度：,,1.為什么荷葉上的露珠總是呈球形？,2.一塊毛巾，一頭搭在臉盤內(nèi)的水中，一頭在臉盤 外

64、，過了一段時間后，臉盤外的臺子上濕了一大塊， 為什么？,3.為什么測壓管的管徑通常不能小于1厘米？,,請 思 考,補(bǔ)充復(fù)習(xí) 汽化壓強(qiáng),汽化的逆過程稱為凝結(jié)（Condensation）。,汽化（Evaporation）：是指液體分子逸出液面向空間擴(kuò)散的過程，即液態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài)的現(xiàn)象。,汽化壓強(qiáng)（Evaporation Pressure）：是指在液體中，汽化和凝結(jié)同時存在，當(dāng)這兩個過程達(dá)到動態(tài)平衡時，即氣體分子返回到

65、液體表面的速率與液面上的液體分子散逸到空間的速率相等時，宏觀的汽化現(xiàn)象停止，此時的液體壓強(qiáng)稱為汽化壓強(qiáng)（或飽和蒸汽壓）。,1、汽化、凝結(jié),2、飽和蒸汽壓（汽化壓強(qiáng)）,,空化（Cavitation）：是指液體內(nèi)局部壓力降低到低于汽化壓強(qiáng)時，液體內(nèi)部或液固交界面上蒸汽或氣體（空泡）的形成、發(fā)展和潰滅的過程。,3、空化,,,,,,,,,,,流 體 分 類,,,§1—3 流體的力學(xué)模型,1.連續(xù)介質(zhì),2.無粘性流體（又稱理想流

66、體）,3.不可壓縮流體,,連續(xù)介質(zhì)模型(Continuum Medium Model): 不考慮液體的微觀結(jié)構(gòu)，而采用的一種代替微觀結(jié)構(gòu)的簡化模型，即將流體作為由無窮多稠密、沒有間隙的流體質(zhì)點構(gòu)成的連續(xù)介質(zhì)，這就是1755年歐拉提出的“連續(xù)介質(zhì)模型”。,連續(xù)介質(zhì)模型的建立與假設(shè),在連續(xù)性假設(shè)下，表征流體狀態(tài)的宏觀物理量如速度、壓強(qiáng)、密度、溫度等在空間和時間上都是連續(xù)分布的，都可以作為空間和時間的連續(xù)函數(shù),微觀：存在空隙及隨機(jī)

67、熱運(yùn)動； 宏觀：考慮宏觀特性。,1.連續(xù)介質(zhì),,2.無粘性流體(又稱理想流體),一切流體都具有粘性，但在某些問題中粘性不起主要作用，則可忽略粘性的影響，建立無粘性流體模型。,考慮粘性影響的流體稱為粘性流體，即實際流體就是粘性流體。,,建立這樣的模型是為了簡化計算，有時當(dāng)某些情況不能忽略粘性影響時，則先在無粘性的模型下得出規(guī)律或公式，再進(jìn)行有粘性的修正，最后得出實際流體的計算公式。,,3.可壓縮流體和不可壓縮流

68、體,任何流體都是可壓縮的，同樣，為了簡化計算，不計其壓縮性和熱脹性，將密度視為常數(shù)，通常稱為不可壓縮流體模型。,對于氣體，大多數(shù)情況也可采用不可壓縮流體模型。但在某些情況下，速度接近或超過音速時，密度不再為常數(shù)，則不能采用不可壓縮流體模型。,本課程主要研究不可壓縮流體。,氣體和液體都是可壓縮的，通常將氣體時為可壓縮流體，液體視為不可壓縮流體。水下爆炸：水也要時為可壓縮流體；當(dāng)氣體流速比較低時也可以視為不可壓縮流體。,實際流體：指具有粘