工程流體力學第1章

1、任課教師-金志光 (動力樓604) 84892200-2604導教師-郭程偉、郭榮榮(實驗樓2樓) 84892240實驗指導教師雷老師 (實驗樓2樓) 84892240教材-流體力學基礎實驗-共有7個流體力學實驗考核方法-考試70、作業(yè)20、實驗10，3次缺課取消考試資格作業(yè)作業(yè)-每周二交作業(yè)、A/B本輪流換引言：流體力學引言：流體力學 Fluid Mechanics什么是流體？ 流體力學的主要內容是什么？流體力學的作用是什么？流體力學在本專業(yè)的地位如何 ？怎樣才能學好“流體力學”這門課程？l 大氣（H=050km） 壓強單位：N/m2, Pa（帕） 海平面標準大氣壓

2、 P0=101325 Pa、T0=288.15K (15C ) 每每上升上升9m9m高度，相當于三層樓高，大氣壓大約高度，相當于三層樓高，大氣壓大約 降低降低100Pa, 100Pa, 若在若在15ms15ms內發(fā)生，可震碎玻璃內發(fā)生，可震碎玻璃; ; 人講話聲壓人講話聲壓 0.1 Pa;0.1 Pa; 對流層，H=0km-11 km，T=T00.0065H 同溫層，H=11km-24km, P11=22600Pa(0.223atm) , T=216.5K 中間層，H=24km-80km (零下57C ) 高溫層，H=80km-500km 外層大氣，H=500km-1600kml 航空器飛行范

3、圍-低層大氣(對流層、平流層)大氣流動現象: 風和災害、 天氣預報 （氣象學） 風能的利用 風力發(fā)電 江、湖、河、海 水災洪澇災害、泥石流和地質災害 水利航運、灌溉、水力發(fā)電、潮汐發(fā)電 （水利學、海洋學） 自然界鳥類、昆蟲的飛行航空飛行器：飛機、飛艇、氣球等 升力、阻力 重力、推力 非定常升力 高機動性 與流體力學密切相關 研制先進的氣動布局，與流體力學（氣動力學）密切相關V. Karmam Vortex Street 卡門渦街 流體流過障礙物, 例如平板, 圓柱，會有非對稱的渦脫落 V. Karmam Vortex Street 卡門渦街 氣動激振氣動激振流體機械： 泵-液壓泵、水泵等，通常

4、指對液體做功機械， 外界對流體做功 風機-鼓風機、壓氣機等，通常指對氣體做功機械 渦輪-燃氣渦輪、水輪機等，流體對外做功航空發(fā)動機： 進氣道-壓氣機-燃燒室-渦輪-尾噴管現代大涵道比渦扇發(fā)動機： 風扇-壓氣機-燃燒室-渦輪-尾噴管航空發(fā)動機：F111, (F15-F16) 高超聲速飛行器高超聲速飛行器空天飛機空天飛機高超聲速推進系統(tǒng)高超聲速推進系統(tǒng) 激波現象激波現象 雷電現象、鞭梢運動雷電現象、鞭梢運動 超聲速氣流中的特殊現象超聲速氣流中的特殊現象 超聲速飛行器、高超聲速飛行器、爆轟波超聲速飛行器、高超聲速飛行器、爆轟波 震波碎石、花粉孢子破碎震波碎石、花粉孢子破碎超燃沖壓發(fā)動機地面試車臺超燃

5、沖壓發(fā)動機地面試車臺 超燃沖壓發(fā)動機超燃沖壓發(fā)動機高超聲速進氣道高超聲速進氣道什么是流體？ 物質三態(tài)（固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)）流體力學的作用是什么？ （自然界、航空、航海、機械工程.）流體力學的主要內容是什么？ （屬性、靜力學、運動學、動力學）怎樣才能學好“流體力學”這門課程？流體力學在本專業(yè)的地位如何？11 流體力學的發(fā)展12 連續(xù)介質假設 (1) 連續(xù)性假設 (2) 連續(xù)介質中一點的密度和速度13 流體的壓縮性和膨脹性14 流體的粘性 (1) 粘性現象 (2) 牛頓內摩擦定律 （3) 粘性系數 （4) 理想流體和實際流體11 流體力學的發(fā)展-理論來源于實踐 (1)流體(Fluid) 流體(從物態(tài)

6、上講)-液體、氣體的總稱 流體(從物性上講)-在外力(剪切力)作用 下產生產生連續(xù)變形的物質，不論外 力多么小，直到剪切力消失后變形才停止 固體-可以承受壓力、拉力、剪切力 流體-只能承受壓力，不能受拉，受到剪切 力連續(xù)變形，即有流動性 分子間距大，分子間引力小，有可流 動性、可壓縮性、熱膨脹性11 流體力學的發(fā)展 (2)流體力學(Fluid Mechanics) 是應用力學的一門分支，是航空宇航推進、熱 能、熱力工程機械等專業(yè)的一門重要的專業(yè)基 礎課 研究對象：流體(氣體,液體) 研究內容：流體的屬性(P,，壓縮性，膨脹性等) 靜力學：流體的平衡規(guī)律(相對靜止狀態(tài)流體) 運動學：流體運動規(guī)律

7、(水流，管流，氣體運動.) 動力學：流體與固體相互作用的規(guī)律(作用力)， 流體機械11 流體力學的發(fā)展 (3)流體力學分類 a.理論流體力學 工程流體力學 b.不可壓流：水力學， 可壓流： 空氣動力學、氣體動力學、高超聲 速氣動力學 c.稀薄氣體動力學 d.多相流 . (3 3) )描描述述流流體體狀狀態(tài)態(tài)的的基基本本物物理理參參數數及及單單位位制制( (S SI I) )常常用用：壓壓力力P P，密密度度，溫溫度度T T，比比容容v v，速速度度V V，粘粘度度單單位位：長長度度 l，米米m質質量量 m 公公斤斤kg 時時間間t，秒秒s溫溫度度 T 開開爾爾文文流流體體壓壓強強P P牛牛頓頓

8、/ /米米平平方方，帕帕 N m/2Pressure流流體體密密度度公公斤斤/ /米米立立方方 kg m/3Density流流體體比比容容v v米米立立方方/ /公公斤斤 mkg3/Specific Volume流流體體溫溫度度T T開開爾爾文文, , 2 27 73 3. .1 15 5 K K Temperature流流體體速速度度V V米米/ /秒秒 m m/ /s s Velocity流流體體粘粘度度牛牛頓頓. .秒秒/ /米米平平方方 N s m. /2Pas .Viscosity標標準準大大氣氣 P P= =1 10 01 13 32 25 5P Pa a，T T= =2 28 8

9、8 8. .1 15 5K K1 11 1 流體力學的發(fā)展流體力學的發(fā)展1 11 1 流體力學的發(fā)展流體力學的發(fā)展 (3)(3)描述流體狀態(tài)的基本物理參數及單位制描述流體狀態(tài)的基本物理參數及單位制(SI)(SI) 常用：壓力 P，密度，溫度 T，比容 v，速度 V， 粘度 (4) (4)流體力學學習要點流體力學學習要點會熟練地運用數學知識及物理知識(特別是力學部分)深切地理解物理概念及物理含義 重視實驗環(huán)節(jié)，從實驗現象的觀察、分析加深對流體 力學的理解12 連續(xù)介質假設連續(xù)介質假設(1)連續(xù)性假設連續(xù)性假設 流體由不斷運動的分子組成，宏觀上，流體不連續(xù)流體由不斷運動的分子組成，宏觀上，流體不連

10、續(xù) 1753年，年，Euler(Euler(歐拉歐拉) )首次提出連續(xù)介質概念，流體首次提出連續(xù)介質概念，流體是由無數多是由無數多 流體質點流體質點 所構成的無間隙的連續(xù)介質。流所構成的無間隙的連續(xù)介質。流體質點在空間是一個點。物理上是一個體積極小的流體體質點在空間是一個點。物理上是一個體積極小的流體團，其尺度與分子直徑團，其尺度與分子直徑d d及平均自由程及平均自由程相比大得多，流相比大得多，流體質點包含足夠多的流體分子。體質點包含足夠多的流體分子。 空氣在空氣在0 0度度C C，1 1大氣壓下，大氣壓下，1 1立方毫米立方毫米內含有內含有2.69E16分分子，液體子，液體1 1立方毫米立方

11、毫米內含有內含有3.0E21分子分子 連續(xù)介質模型，便于用連續(xù)函數來描述，便于數學處連續(xù)介質模型，便于用連續(xù)函數來描述，便于數學處理理，描寫流體的物理量是時間、空間的連續(xù)可微函數，描寫流體的物理量是時間、空間的連續(xù)可微函數，便于使用強大的數學工具。稀薄氣體便于使用強大的數學工具。稀薄氣體(極高層大氣、高極高層大氣、高真真空氣體除外）空氣體除外） （2 2）連續(xù)介質中一點處的密度）連續(xù)介質中一點處的密度 在非均質流體（連續(xù)介質）中考察在非均質流體（連續(xù)介質）中考察P(x,y,z)點的密度點的密度 P(x,y,z) 分子效應分子效應 連續(xù)介質連續(xù)介質 在包圍P點的微小體積v內取平均密度m/ vo，

12、當微小體積趨于 某一vo時，此比值定義為一點處的密度 通常通常 = = (x,y,z,t) d (x,y,z,t) d =d =d (x,y,z,t)(x,y,z,t) 一點處的速度與靠近該點之分之瞬時速度無關，是vo內流體 質心運動速度1 13 3 流體壓縮性和熱膨脹性流體壓縮性和熱膨脹性 (1)流流體體壓壓縮縮性性，壓壓縮縮系系數數 壓壓強強升升高高，體體積積縮縮小小，定定義義壓壓縮縮性性系系數數 pVdVdPvdvdPddPmN 1112/ 式式中中v為為比比容容，v1 溫溫度度不不變變，壓壓強強增增加加一一個個單單位位時時流流體體體體積積的的相相對對縮縮小小量量。 彈彈性性模模量量 E

13、dPdN m12/,水水的的彈彈性性模模量量為為EPa21 109. 氣氣體體用用狀狀態(tài)態(tài)方方程程PRT或或 dPPddTT 等等溫溫過過程程PdPd因因此此 氣氣體體有有pddPP11 空空氣氣的的氣氣體體常常數數R=287.06N.m/kg.K14流體的粘性流體的粘性 Viscosity( Viscosity(本章重點本章重點) )(1)粘性是流體的固有屬性，是流體在運動狀態(tài)下抵粘性是流體的固有屬性，是流體在運動狀態(tài)下抵抗剪切變形的能力抗剪切變形的能力 粘性是由分子間引力粘性是由分子間引力( (內聚力內聚力) )和流體層間動量和流體層間動量交換造成的交換造成的 影響因素：溫度影響因素：溫度

14、 T T，氣體溫度升高，分子無規(guī)則，氣體溫度升高，分子無規(guī)則運動加劇，動量及質量交換加劇，使氣體的粘性增運動加劇，動量及質量交換加劇，使氣體的粘性增加；液體溫度升高，分子間內聚力減弱，粘性減少加；液體溫度升高，分子間內聚力減弱，粘性減少 V剪切應力剪切應力(2)牛頓內摩擦定理牛頓內摩擦定理(1686(1686 年年) ) 相鄰兩層流體作相對運動時產生摩擦力相鄰兩層流體作相對運動時產生摩擦力 FVhA() 速度線性分布速度線性分布 FdVdhA() 速度非線性分布速度非線性分布式中式中 為動力粘度，單位為動力粘度，單位 . /N s m2 或或 Pa.s 與物性有關與物性有關或寫成或寫成 dVd

15、y 著名的牛頓內摩擦定律，適用于層流流動著名的牛頓內摩擦定律，適用于層流流動滿足此定律的流體稱為牛頓流體，其余稱為非牛頓流體滿足此定律的流體稱為牛頓流體，其余稱為非牛頓流體 速度分布如圖，剪切應力速度分布如圖，剪切應力 分布如何？分布如何？V Vh h動力粘度 單位單位 Pa.S 或或 N.S/m2運動粘度 單位單位 m2/SdydV影響粘度的主要因素是溫度影響粘度的主要因素是溫度影響粘度的主要因素是溫度影響粘度的主要因素是溫度溫度溫度T T升高升高, ,液體液體下降下降, ,分子內聚力減小分子內聚力減小, ,流動性增大流動性增大溫度溫度T T上升上升, ,氣體分子無規(guī)則運動加劇氣體分子無規(guī)則

16、運動加劇, ,阻滯氣體流動阻滯氣體流動, , 氣體的粘性氣體的粘性 增加增加粘度隨氣體溫度變化而改變，粘度隨氣體溫度變化而改變，著名的著名的SutherlandSutherland公式公式: :CTCTTTooo5 . 1空氣空氣,T,T0 0=273.15, C=110.6K=273.15, C=110.6K理想流體-不考慮粘性的流體 又稱無粘流體 可以大大簡化計算工作量實際流體-有粘性的流體 又稱真實流體兩平板,一動一靜,間隙0.5mm,平板以速度V=5m/s運動,維持平板運動的力T=2 N/m2，求流體的粘性系數ThV)/(SPaXVTh.004. 025. 0/005. 02/ V h 解:由于間隙極小,可以認為間隙內流體速度為線性分布,則上下圓盤上下圓盤, ,直徑直徑d,d,間隙間隙, ,已知已知流體粘度流體粘度, ,下盤固定下盤固定, ,上盤恒速上盤恒速旋轉旋轉, ,求力矩求力矩M Mr解:取微元面積環(huán)dA,研究其受力情況 dA=2rdr dF=dA=(r/)2rdr =(2/)r2dr dM=rdF =(2/)r3dr 力矩M=dM= d4/32圓錐粘度計,間隙=1mm的內外圓錐,內錐恒速=16rad/s旋轉,外錐固定,已知流體粘度=0.1Pa.s,錐大頭R=0.3m,求旋轉內錐所需外力矩Mr R h 解:取微元面積環(huán)dA,研究其受力情況,假設速度線