工程流力力學-2第一章緒論ppt課件

1、第一章第一章 緒緒 論論流體力學的研究內(nèi)容和研究方法流體力學的發(fā)展和分支流體力學應用領域、課程性質(zhì)和相關課程 關于量綱、單位和單位制1.11.1流體力學的研究內(nèi)容和研究方法流體力學的研究內(nèi)容和研究方法 1. 研究對象：研究對象： 氣體液體氣體液體 液體液體 無形狀，有一定的體積；無形狀，有一定的體積； 不易壓縮，存在自由液面。不易壓縮，存在自由液面。 氣體氣體 既無形狀，也無一定的體積，易于壓縮。既無形狀，也無一定的體積，易于壓縮。 2. 流體力學的研究內(nèi)容定義）：流體力學的研究內(nèi)容定義）： 研討研討 流體的宏觀運動規(guī)律流體的宏觀運動規(guī)律 以及以及 流體與周圍固體的相互作用流體與周圍固體的相互

2、作用 的科學。的科學。 （應用力學的一個分支，一門技術科學）（應用力學的一個分支，一門技術科學） 例例:流場壓力變化規(guī)律、流速場分布、阻力計算流場壓力變化規(guī)律、流速場分布、阻力計算兩門性質(zhì)相近的學科：兩門性質(zhì)相近的學科： 理論流體力學理論流體力學: 偏重數(shù)理分析偏重數(shù)理分析, 是連續(xù)介質(zhì)的一個組成是連續(xù)介質(zhì)的一個組成 部分部分, 屬于基礎科學范疇屬于基礎科學范疇; 工程流體力學工程流體力學: 注重工程應用注重工程應用, 是工程力學的一個組成部分是工程力學的一個組成部分, 屬于應用科學范疇屬于應用科學范疇; (是以理論和實踐相結合的方法，是以理論和實踐相結合的方法， 來研究流體運動規(guī)律及其在實際

3、工程中的應用。來研究流體運動規(guī)律及其在實際工程中的應用。) 隨著計算機技術的發(fā)展應用隨著計算機技術的發(fā)展應用,兩學科差異正在逐步縮小。兩學科差異正在逐步縮小。根據(jù)流體力學在各個工程領域的應用根據(jù)流體力學在各個工程領域的應用, 目前目前,流體力學可分為以下幾類：流體力學可分為以下幾類：水利類：面向水工、水利、海洋等；水利類：面向水工、水利、海洋等；機械類：面向機械、冶金、化工、水機機械類：面向機械、冶金、化工、水機 等；等；土木：土木： 面向市政、工民建、道橋、城市防洪等。面向市政、工民建、道橋、城市防洪等。大氣類：飛機、飛行器外行的設計，天氣預報，大氣類：飛機、飛行器外行的設計，天氣預報， 環(huán)

4、境污染預報等。環(huán)境污染預報等。3. 流體力學的研究方法：流體力學的研究方法： 理論分析法理論分析法 實驗研究方法實驗研究方法 數(shù)值計算方法數(shù)值計算方法 (1) 理論分析法理論分析法: 根據(jù)實際問題建立理論模型根據(jù)實際問題建立理論模型 步驟步驟: A:分析影響實際流動的各種因素，抓住主要因素，建分析影響實際流動的各種因素，抓住主要因素，建 立流體力學模型；立流體力學模型； B:建立描寫該模型流動規(guī)律的封閉方程組以及與之相建立描寫該模型流動規(guī)律的封閉方程組以及與之相 對應的邊界條件和初始條件；對應的邊界條件和初始條件； C:解析方程；解析方程； D:將所得答案與實際流動相比較，以確定解的精確度，將

5、所得答案與實際流動相比較，以確定解的精確度， 或進行某些修正?；蜻M行某些修正。優(yōu)點優(yōu)點: 解析解明確給出各種物理量與流動參量之間的變化關解析解明確給出各種物理量與流動參量之間的變化關 系，有較好的普適性。系，有較好的普適性。缺陷缺陷: 數(shù)學上的難度很大，能獲得的分析解的數(shù)量有限。數(shù)學上的難度很大，能獲得的分析解的數(shù)量有限。(2) (2) 實驗研究方法實驗研究方法: : 根據(jù)實際問題利用相似理論建立實驗模型根據(jù)實際問題利用相似理論建立實驗模型, ,選擇流動介選擇流動介 質(zhì)和設備，在風洞、水洞、水槽、激波管等進行實驗。質(zhì)和設備，在風洞、水洞、水槽、激波管等進行實驗。 采用光、電手段，清晰顯示流動圖

6、像，精確測量流動中采用光、電手段，清晰顯示流動圖像，精確測量流動中 的物理量與物體受力特性。的物理量與物體受力特性。優(yōu)點：優(yōu)點： 能直接解決生產(chǎn)中的復雜問題，能發(fā)現(xiàn)流動中的新現(xiàn)能直接解決生產(chǎn)中的復雜問題，能發(fā)現(xiàn)流動中的新現(xiàn) 象象, ,它的結果可以作為檢驗其它方法時候正確的依據(jù)。它的結果可以作為檢驗其它方法時候正確的依據(jù)。缺陷：缺陷： 對不同的情況需作不同的實驗，所得結果普適性較差。對不同的情況需作不同的實驗，所得結果普適性較差。水池實驗：水池實驗： 船模拖曳實驗船模拖曳實驗 風洞試驗：上海虹口足球場風載模擬試驗風洞試驗：上海虹口足球場風載模擬試驗(3) (3) 數(shù)值計算方法數(shù)值計算方法 : :

7、 根據(jù)理論分析的方法建立數(shù)學模型，選根據(jù)理論分析的方法建立數(shù)學模型，選 擇合適的計算方法，包括有限差分法、有限元法、特征擇合適的計算方法，包括有限差分法、有限元法、特征 線法、邊界元法等，利用商業(yè)軟件和自編程序計算，得線法、邊界元法等，利用商業(yè)軟件和自編程序計算，得 出結果，用實驗方法加以驗證。出結果，用實驗方法加以驗證。優(yōu)點：優(yōu)點： 許多用分析法無法求解的問題，用此法可以求得其許多用分析法無法求解的問題，用此法可以求得其數(shù)值數(shù)值 解。隨著計算機軟硬性能的提高，計算方法的改進，解。隨著計算機軟硬性能的提高，計算方法的改進，它它 所起的作用將愈來愈大。但它仍是種近似方法，其所起的作用將愈來愈大。

8、但它仍是種近似方法，其結果結果 仍應與實驗或其它精確結果進仍應與實驗或其它精確結果進 行比較。行比較。缺陷：缺陷： 對復雜而又缺乏完善數(shù)學模型的問題，仍無能為力。對復雜而又缺乏完善數(shù)學模型的問題，仍無能為力。如飛行器、汽車、河道、橋梁、渦輪機流場計算；如飛行器、汽車、河道、橋梁、渦輪機流場計算；湍流、流動穩(wěn)定性、非線性流動中的數(shù)值模擬；湍流、流動穩(wěn)定性、非線性流動中的數(shù)值模擬；大型工程計算軟件是研究工程流動問題的有力武器。大型工程計算軟件是研究工程流動問題的有力武器。 速度分布速度分布 壓強分布壓強分布 日本名古屋矢田川橋抗風性能數(shù)值模擬日本名古屋矢田川橋抗風性能數(shù)值模擬 緒論緒論 1.2 1

9、.2 流體力學的發(fā)展和分支流體力學的發(fā)展和分支. . 流體力學的發(fā)展流體力學的發(fā)展 實驗科學發(fā)展為理論流體力學實驗科學發(fā)展為理論流體力學 水力學發(fā)展為流體力學水力學發(fā)展為流體力學 一元流動發(fā)展為三元流動一元流動發(fā)展為三元流動 時間時間 科學家科學家 . . 流體力學的分支流體力學的分支 空氣動力學空氣動力學 氣體運動氣體運動 可壓縮可壓縮 飛行器飛行器 多相流流體力學多相流流體力學 煤漿煤漿 粉塵粉塵 管道輸送管道輸送 液壓流體力學液壓流體力學 高粘高粘 高壓高壓 超高聲速流體力學超高聲速流體力學 高速飛行高速飛行 電磁流體力學電磁流體力學 磁流發(fā)電磁流發(fā)電 化學流體力學化學流體力學 熄滅熄滅

10、 爆炸爆炸 電廠鍋爐電廠鍋爐 計算流體力學計算流體力學 數(shù)值分析數(shù)值分析 流場可視化流場可視化 工程流體力學工程流體力學 為各分支共同的基礎部分為各分支共同的基礎部分 1.3 1.3 流體力學的應用領域流體力學的應用領域 課程性質(zhì)課程性質(zhì) 相關課程相關課程應用領域應用領域水力工程：水力工程： 大壩，水庫，航運大壩，水庫，航運航空：航空： 飛機飛機電力工程：電力工程： 水電、火電、核電、地熱水電、火電、核電、地熱 （工作介質(zhì)均為流體）（工作介質(zhì)均為流體）化工：化工： 建筑：建筑： 供、排水，采曖、通風供、排水，采曖、通風氣候：氣候： 災害天氣預報災害天氣預報醫(yī)學：醫(yī)學： 血液流動，射流手術血液流

11、動，射流手術采礦：采礦： 通風、排水、水采、礦物加工通風、排水、水采、礦物加工緒論緒論地球表面水和空氣的運動地球表面水和空氣的運動是氣象、水文、水利、環(huán)保、農(nóng)業(yè)、航空、航海、是氣象、水文、水利、環(huán)保、農(nóng)業(yè)、航空、航海、漁業(yè)、國防等部門研究的對象。漁業(yè)、國防等部門研究的對象。 航空、航天、造船、機械、動力、冶金、化工、石油、航空、航天、造船、機械、動力、冶金、化工、石油、建筑等部門設備中的工作介質(zhì)都是流體，建筑等部門設備中的工作介質(zhì)都是流體，改進流程，提高效率，需要流體力學知識。改進流程，提高效率，需要流體力學知識。 利用超高速氣體動力學，物理化學、流體力學和稀薄利用超高速氣體動力學，物理化學、

12、流體力學和稀薄氣體力學的研究成果，人類制造出航天飛機，建立太空站，氣體力學的研究成果，人類制造出航天飛機，建立太空站，實現(xiàn)了人類登月的夢想。實現(xiàn)了人類登月的夢想。 大型水利樞紐工程大型水利樞紐工程超高層建筑超高層建筑大跨度橋梁大跨度橋梁等的設計和建造等的設計和建造離不開水力學和空氣離不開水力學和空氣動力學。動力學。 沒有流體力學的沒有流體力學的發(fā)展，就沒有現(xiàn)代工發(fā)展，就沒有現(xiàn)代工業(yè)和高新技術的發(fā)展。業(yè)和高新技術的發(fā)展。 超大型運輸船超大型運輸船: : 排水量達排水量達5050萬噸以上萬噸以上 大型氣輪機、水輪機、渦噴發(fā)動機等動力機械，大型氣輪機、水輪機、渦噴發(fā)動機等動力機械，用翼柵及高溫、化學

13、、多相流動理論用翼柵及高溫、化學、多相流動理論設計制造成功設計制造成功 為人類提供單機達百萬千瓦的強大動力為人類提供單機達百萬千瓦的強大動力 。氣輪機葉片氣輪機葉片大型民航客機大型民航客機: :重量超過重量超過3 3百噸，百噸， 面積達半個足球場，面積達半個足球場，靠空氣的支托象鳥一樣飛行，創(chuàng)造了人類技術史上的奇跡?？靠諝獾闹邢篪B一樣飛行，創(chuàng)造了人類技術史上的奇跡。 2. 2. 課程性質(zhì)課程性質(zhì) 理論性很強的技術基礎課理論性很強的技術基礎課 工科院校三大骨干課工科院校三大骨干課程：程： 工程力學工程力學 工程熱力學工程熱力學 工程流體力學工程流體力學3. 3. 相關課程相關課程 先修課程：先

14、修課程： 理論力學理論力學 材料力學材料力學 高等數(shù)學高等數(shù)學 物理物理 后繼課程：后繼課程： 工程熱力學工程熱力學 傳熱學傳熱學 材料成型材料成型 流體機械流體機械 液壓傳動液壓傳動 鍋爐原理鍋爐原理 空調(diào)制冷空調(diào)制冷 通風安全通風安全 高壓射流高壓射流 固液分離固液分離 選礦選礦( (浮選等浮選等1.4 1.4 關于量綱關于量綱 單位及單位制單位及單位制此部分內(nèi)容的重要性：此部分內(nèi)容的重要性： (1) (1) 第五章第五章 相似原理和量綱分析的相關內(nèi)容，相似原理和量綱分析的相關內(nèi)容，是一種特殊的理論和實驗相結合的分析方法，需逐步建立有是一種特殊的理論和實驗相結合的分析方法，需逐步建立有關概

15、念；關概念； (2) (2) 很多物理量都存在著不同單位制之間的換算很多物理量都存在著不同單位制之間的換算問題，工程現(xiàn)場會見到各種不同的單位應用；問題，工程現(xiàn)場會見到各種不同的單位應用； (3) (3) 分析物理量的量綱可以深刻了解物理現(xiàn)象中分析物理量的量綱可以深刻了解物理現(xiàn)象中的本質(zhì)問題；的本質(zhì)問題； (4) (4) 量綱分析是一種各個學科通用的科學方法量綱分析是一種各個學科通用的科學方法 ( (如電磁學、熱力學、剛體力學等如電磁學、熱力學、剛體力學等) ) 。量綱：也稱因次，表示物理量的類別種類）量綱：也稱因次，表示物理量的類別種類）物理量所屬的種類，稱為此物理量的量綱因次）物理量所屬的種

16、類，稱為此物理量的量綱因次）（其為客觀存在的）（其為客觀存在的）如時間、速度、長度均為某種物理量。如時間、速度、長度均為某種物理量。單位：表示同類物理量的大小。單位：表示同類物理量的大小。（其為人為的）（其為人為的）一個物理量可以有好幾種單位，但其量綱只有一個一個物理量可以有好幾種單位，但其量綱只有一個如管徑可以表示成如管徑可以表示成 mm, cm, m, mm, cm, m, 英吋，尺，納米，英吋，尺，納米， 但都屬于但都屬于“長度這個量綱。長度這個量綱。 為了不致將單位和量綱混淆，量綱可放在為了不致將單位和量綱混淆，量綱可放在 “ ”內(nèi)。內(nèi)。如：如：m m 表示表示“米米”，m m 表示質(zhì)

17、量。有時表示為表示質(zhì)量。有時表示為MM。 基本量綱基本量綱: : 相互獨立的、不能從其它量綱導出的量綱。相互獨立的、不能從其它量綱導出的量綱。 國際單位中規(guī)定了國際單位中規(guī)定了7 7個基本量綱：個基本量綱： 長度長度 L L 質(zhì)量質(zhì)量 M M 時間時間 T T 熱力學溫度熱力學溫度 t t 剛體轉(zhuǎn)動角度剛體轉(zhuǎn)動角度 光學照度光學照度 I I 電磁學磁感應強度電磁學磁感應強度 B B 依所研究的問題的范圍及性質(zhì)的不同，依所研究的問題的范圍及性質(zhì)的不同， 各學科中選用或涉及到的基本因次的種類和個數(shù)不同。各學科中選用或涉及到的基本因次的種類和個數(shù)不同。 一般流體力學問題中只涉及到一般流體力學問題中只

18、涉及到 L L，M M ，TT。導出量綱導出量綱: 由基本量綱乘冪組合而來的量綱，如由基本量綱乘冪組合而來的量綱，如 速度速度 密度密度 11LTTLTLv 333MLMLLM單位制：單位制： 單位所采用的系統(tǒng)單位所采用的系統(tǒng) 國際單位制國際單位制 SI SI 工程單位制工程單位制 ( (英制英制) ) 我國我國19851985年開始使用法定計量單位，是以年開始使用法定計量單位，是以SISI為為基礎的?；A的。 隨著經(jīng)濟全球化，單位制統(tǒng)一與換算很重要。隨著經(jīng)濟全球化，單位制統(tǒng)一與換算很重要。國際單位制和工程單位制的區(qū)別及聯(lián)系：國際單位制和工程單位制的區(qū)別及聯(lián)系：基本量綱基本量綱 SI： M，

19、L， T - F 工程：工程： L ， T， F - M由由 F=ma Ns/mkgMLTamF:SI22常用單位 mskgfLFTaFM212常用單位工程： 423mskgfLM例：單位換算：單位換算： 定義定義 下表下表:常用物理量單位換算常用物理量單位換算2111Ns/mkg 質(zhì)量的物體所受的重力kgkgf11N.kgfkgfmgFNmaF89111MPa.m/Ncm/kgfata10980001122 p 流體力學的研究對象包括氣體和液體流體力學的研究對象包括氣體和液體p 流體力學研究流體宏觀運動規(guī)律，流體力學研究流體宏觀運動規(guī)律，p 以及流體與周圍固體的相互作用力以及流體與周圍固體的

20、相互作用力p 流體力學有很多分支流體力學有很多分支p 工程流體力學以理論和實驗相結合的方法解決實際問題工程流體力學以理論和實驗相結合的方法解決實際問題p 流體力學是一門理論性很強的專業(yè)基礎課流體力學是一門理論性很強的專業(yè)基礎課p 量綱表示物理量的種類量綱表示物理量的種類p 單位表示同類物理量的大小單位表示同類物理量的大小 第一章緒論第一章緒論 小小 結結相關作業(yè)及思考題相關作業(yè)及思考題 1. 查找院圖書館內(nèi)有關流體力學的書目查找院圖書館內(nèi)有關流體力學的書目; 2. 查找流體力學精品課程網(wǎng)站及課件查找流體力學精品課程網(wǎng)站及課件; 3. 思考量綱和單位的不同和關系思考量綱和單位的不同和關系 緒論緒

21、論 延伸思考延伸思考: 高爾夫球高爾夫球 ：表面光滑還是粗糙？：表面光滑還是粗糙？ 汽車阻力：汽車阻力： 來自前部還是后部？來自前部還是后部？ 機翼升力機翼升力 ：來自下部還是上部？：來自下部還是上部？高爾夫球運動起源于高爾夫球運動起源于1515世紀的蘇格蘭。世紀的蘇格蘭。起初，人們認為表面光滑的球飛行阻力小，因此當時用皮革制球。現(xiàn)在的高爾夫球表面有許多窩現(xiàn)在的高爾夫球表面有許多窩, ,在同樣大小和重量下，在同樣大小和重量下， 飛行距離為光滑球的飛行距離為光滑球的5 5倍。倍。由流體力學邊界層理論由流體力學邊界層理論: : 球面凹坑可以減少阻力，增大升力球面凹坑可以減少阻力，增大升力后來發(fā)現(xiàn)表面有很多劃痕的舊球反而飛得更遠。后來發(fā)現(xiàn)表面有很多劃痕的舊球反而飛得更遠。汽車阻力汽車阻力 汽車發(fā)明于汽車發(fā)明于1919世紀末世紀末 當時人們認為汽車高速前當時人們認為汽車高速前進時的阻力主要來自車前部對進時的阻力主要來自車前部對空氣的撞擊。空氣的撞擊。 因此早期的汽車后部是因此早期的汽車后部是陡峭的，稱為箱型車，阻力陡峭的，稱為箱型車，阻力系數(shù)很大，約系數(shù)很大，約0.80.8 實際上，汽車阻力主要實際上，汽車阻力主要取決于后部形成的尾流。取決于后部形成的尾流。20世紀世紀30年代起，人們開始運用流體力學原理，年代起，人們開始運用流體力學原理，改進了汽