流體力學(xué)劉鶴年版課件

第一章緒論引言課程性質(zhì)：土木工程專業(yè)的一門學(xué)科基礎(chǔ)課程。任務(wù)：流體力學(xué)是研究流體靜止和運(yùn)動的力學(xué)規(guī)律及其在工程實際中應(yīng)用的一門學(xué)科，其研究對象是流體，包括液體和氣體。學(xué)科特點（1）力學(xué)分支：力學(xué)規(guī)律（2）技術(shù)科學(xué)：應(yīng)用引言什么是流體？流體的一般定義：液體和氣體的統(tǒng)稱，它們沒有一定的形狀，容易流動。（現(xiàn)代漢語詞典）

流體的力學(xué)定義：流體不能抵抗任何剪切力作用下的剪切變形趨勢(體積保持不變)。

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)。

自然界的流體力學(xué)人類的祖先在海洋里生活了40億年。第1章緒論人類在空氣里也生活了700萬年。第1章緒論雖然生活在流體環(huán)境中，人們對一些流體運(yùn)動卻缺乏認(rèn)識，比如：1.：表面光滑還是粗糙？高爾夫球2.：來自前部還是后部？汽車阻力3.：來自下部還是上部？機(jī)翼升力第1章緒論起初，人們認(rèn)為表面光滑的球飛行阻力小，因此當(dāng)時用皮革制球。最早的高爾夫球（皮革已龜裂）第1章緒論后來發(fā)現(xiàn)表面有很多劃痕的舊球反而飛得更遠(yuǎn)。這個謎直到20世紀(jì)建立流體力學(xué)邊界層理論后才解開。光滑的球表面有凹坑的球現(xiàn)在的高爾夫球表面有許多窩，在同樣大小和重量下，飛行距離為光滑球的5倍。第1章緒論因此早期的汽車后部是陡峭的,稱為箱型車,阻力系數(shù)CD很大,約0.8。當(dāng)時人們認(rèn)為汽車高速前進(jìn)時的阻力主要來自車前部對空氣的撞擊。第1章緒論20世紀(jì)30年代起，人們開始運(yùn)用流體力學(xué)原理，改進(jìn)了汽車的尾部形狀，出現(xiàn)了甲殼蟲型，阻力系數(shù)下降至0.6。實際上，汽車阻力主要取決于后部形成的尾流。第1章緒論50～60年代又改進(jìn)為船型，阻力系數(shù)為0.45。第1章緒論80年代經(jīng)風(fēng)洞實驗系統(tǒng)研究后，進(jìn)一步改進(jìn)為魚型，阻力系數(shù)為0.3。第1章緒論后來又出現(xiàn)楔型，阻力系數(shù)為0.2。第1章緒論經(jīng)過近80年的研究和改進(jìn)，汽車阻力系數(shù)從0.8降至0.137，減少到原來的1/5。第1章緒論目前在汽車外形設(shè)計中，流體力學(xué)性能研究已占主導(dǎo)地位，合理的外形使汽車具有更好的動力學(xué)性能和更低的耗油率。第1章緒論19世紀(jì)初流體力學(xué)環(huán)流理論徹底改變了人們的傳統(tǒng)觀念。脫體渦量與機(jī)翼環(huán)量大小相等方向相反第1章緒論機(jī)翼的特殊形狀使它不用旋轉(zhuǎn)就能產(chǎn)生環(huán)流，上部流速加快形成吸力，下部流速減慢形成壓力。EXIT使重量超過3百噸，面積達(dá)半個足球場的大型民航客機(jī)，靠空氣的支托象鳥一樣飛行成為可能，創(chuàng)造了人類技術(shù)史上的奇跡。第1章緒論第1章緒論一架經(jīng)改裝的波音747搭載“發(fā)現(xiàn)號”航天飛機(jī)第1章緒論流體力學(xué)也是眾多應(yīng)用科學(xué)和工程技術(shù)的基礎(chǔ)。由于空氣動力學(xué)的發(fā)展，人類研制出3倍聲速的戰(zhàn)斗機(jī)?；糜?000高爾夫球和汽車的阻力同尾部漩渦流有關(guān)，用圓柱繞流流場顯示和數(shù)值模擬可觀察尾流圖像。EXIT高爾夫球和汽車的阻力同尾部漩渦流有關(guān)，用圓柱繞流流場顯示和數(shù)值模擬可觀察尾流圖像。EXIT（同濟(jì)大學(xué)）機(jī)翼升力也與后部的漩渦有關(guān)，同樣可以用流場顯示技術(shù)來觀察。EXIT豐富多彩的流動圖案背后隱藏著復(fù)雜的力學(xué)規(guī)律，有些動物具有巧妙運(yùn)用這些規(guī)律的本領(lǐng)。第1章緒論具有高度智慧的人類為了揭開流動奧秘，建立了流體力學(xué)學(xué)科。第1章緒論地球表面水和空氣的運(yùn)動是氣象、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。第1章緒論航空、航天、造船、機(jī)械、動力、冶金、化工、石油、建筑等部門設(shè)備中的工作介質(zhì)都是流體，改進(jìn)流程，提高效率，需要流體力學(xué)知識。第1章緒論流體力學(xué)的發(fā)展起始于灌溉和排澇；萌芽是希臘學(xué)者阿基米德寫的“論浮體”一文；主要發(fā)展是從牛頓時代開始的，牛頓在名著《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》中討論了流體的阻力、波浪運(yùn)動等內(nèi)容，使流體力學(xué)開始成為力學(xué)中的一個獨立分支。此后，流體力學(xué)的發(fā)展主要經(jīng)歷了三個階段：古典“流體力學(xué)”：以伯努利所提出的液體運(yùn)動的能量估計及歐拉所提出的液體運(yùn)動的解析方法為基礎(chǔ)；

實驗流體力學(xué)：以實驗方法來制定經(jīng)驗公式；

現(xiàn)代流體力學(xué)

：理論與實踐并重，研究實際流體模型。

第1章緒論§1.1流體力學(xué)及其任務(wù)流體力學(xué)：宏觀力學(xué),是一門技術(shù)基礎(chǔ)學(xué)科,是力學(xué)的一個分支。FluidMechanics,Hydrodynamics研究對象：流體(Fluid)。包括液體、氣體、軟物質(zhì)。液體——無形狀，有一定的體積；不易壓縮，存在自由（液）面。氣體——既無形狀，也無體積，易于壓縮。研究任務(wù)：研究流體所遵循的宏觀運(yùn)動規(guī)律以及流體和周圍物體之間的相互作用。第1章緒論§1.1流體力學(xué)及其任務(wù)1流體的特性只能承受壓力，不能承受拉力，在即使是很小剪切力的作用下也將流動（變形）不止，直到剪切力消除為止。沒有固定的形狀，液體的形狀取決于盛裝它的容器，有自由表面，氣體完全充滿容器。流體具有可壓縮性，液體可壓縮性小，例如水受壓從1個大氣壓增加至100個大氣壓時，體積僅減小0.5%。而氣體可壓縮性大。流體具有顯著的流動性，氣體的流動性大于液體。第1章緒論§1.1流體力學(xué)及其任務(wù)問題的提出從微觀上看，由于構(gòu)成流體的無數(shù)分子之間存在間隙，流體不連續(xù)。從宏觀上看，流體力學(xué)并不研究流體的微觀分子運(yùn)動，而只研究流體的宏觀機(jī)械運(yùn)動。當(dāng)所討論問題的特征尺寸遠(yuǎn)大于流體的分子平均自由程時，可將流體視為在時間和空間連續(xù)分布的函數(shù)。

0C，1mm3水含3.4×1019個分子氣體含2.7×1016個分子如此大量的分子，容易取得它們共同作用的有代表性的統(tǒng)計平均值第1章緒論流體質(zhì)點是研究流體的機(jī)械運(yùn)動中所取的最小流體微元是體積無限小而又包含大量分子的流體微團(tuán)從宏觀看，和流動所涉及的物體的特征長度相比，該微團(tuán)的尺度充分小，在數(shù)學(xué)上可以作為一個點來處理從微觀看，和分子的平均自由行程相比，該微團(tuán)的尺度又充分的大，包含有足夠多的分子，使得這些分子的共同物理屬性的統(tǒng)計平均值有意義流體分子流體微團(tuán)第1章緒論不必去研究流體的微觀分子運(yùn)動，而只研究描述流體運(yùn)動的宏觀物理屬性（如密度、壓強(qiáng)、速度、溫度、粘度、熱力學(xué)能等）不考慮分子間存在的間隙，而把流體視為由無數(shù)連續(xù)分布的流體微團(tuán)組成的連續(xù)介質(zhì)按照連續(xù)介質(zhì)模型，流體的密度、壓強(qiáng)、速度、溫度等物理量一般在時間和空間上都是連續(xù)分布，是空間坐標(biāo)和時間的單值連續(xù)可微函數(shù)，這樣可以用解析函數(shù)的諸多數(shù)學(xué)工具去研究流體的平衡和運(yùn)動規(guī)律，為流體力學(xué)的研究提供了很大的方便。2連續(xù)介質(zhì)假設(shè)第1章緒論例外情況超聲速氣流中出現(xiàn)激波在空氣非常稀薄的高空中運(yùn)動的飛行器解析函數(shù)不適用分子的平均自由行程和飛行器的特征尺寸相比擬§1.1流體力學(xué)及其任務(wù)3研究方法

理論分析、實驗研究和數(shù)值計算相結(jié)合。三個方面是互相補(bǔ)充和驗證，但又不能互相取代的關(guān)系。基本假設(shè)

數(shù)學(xué)模型

解析表達(dá)

理論分析數(shù)值計算

實驗研究

數(shù)學(xué)模型

數(shù)值模型

數(shù)值解

模型試驗

量測數(shù)據(jù)

換算到原型§1.1流體力學(xué)及其任務(wù)理論分析

過程一般是：建立力學(xué)模型，用物理學(xué)基本定律推導(dǎo)流體力學(xué)控制方程，用數(shù)學(xué)方法求解方程，檢驗和解釋求解結(jié)果。建立模型推導(dǎo)方程求解方程解釋結(jié)果§1.1流體力學(xué)及其任務(wù)目前流體力學(xué)理論研究主攻方向是：湍流，流動穩(wěn)定性，渦運(yùn)動，水動力學(xué)，水波動力學(xué)，復(fù)雜流動，多相流等。湍斑§1.1流體力學(xué)及其任務(wù)機(jī)翼渦系目前流體力學(xué)理論研究主攻方向是：湍流，流動穩(wěn)定性，渦運(yùn)動，水動力學(xué)，水波動力學(xué)，復(fù)雜流動，多相流等?！?.1流體力學(xué)及其任務(wù)實驗方法

在相似理論指導(dǎo)下，建立模擬實驗裝置，用流體測量技術(shù)測量流動參數(shù)，處理分析數(shù)據(jù)可獲得反映流動規(guī)律的特定關(guān)系，發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象，檢驗理論結(jié)果。相似理論模型試驗測量數(shù)據(jù)分析§1.1流體力學(xué)及其任務(wù)風(fēng)洞試驗上海虹口足球場風(fēng)載模擬試驗§1.1流體力學(xué)及其任務(wù)水洞實驗：

螺旋槳空泡§1.1流體力學(xué)及其任務(wù)水池實驗：

船模拖曳實驗§1.1流體力學(xué)及其任務(wù)數(shù)值分析方法

隨著技算機(jī)技術(shù)的突飛猛進(jìn)，過去無法求解的流體力學(xué)偏微分方程可以用計算機(jī)數(shù)值方法求解。計算流體力學(xué)有限差分法有限元法邊界元法譜分析等§1.1流體力學(xué)及其任務(wù)如飛行器、汽車、河道、橋梁、渦輪機(jī)流場計算；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。計算網(wǎng)格優(yōu)點缺點理論分析對流動機(jī)理解析表達(dá)，因果關(guān)系清晰。受基本假設(shè)局限，少數(shù)情況下才有解析結(jié)果。實驗研究

（模型試驗）

直接測量流動參數(shù)，找到經(jīng)驗性規(guī)律。成本高，對量測技術(shù)要求高，不易改變工況，存在比尺效應(yīng)。數(shù)值計算擴(kuò)大理論求解范圍，成本低，易于改變工況，不受比尺限制。受理論模型和數(shù)值模型局限，存在計算誤差?！?.1流體力學(xué)及其任務(wù)§1.1流體力學(xué)及其任務(wù)4流體力學(xué)與土木工程幾千年來，流體力學(xué)是人們在與水患作斗爭發(fā)展生產(chǎn)的長期過程中形成和發(fā)展起來的。

公元前2280年

中國的大禹治水公元前4世紀(jì)

古羅馬供水系統(tǒng)公元前3世紀(jì)

阿基米德浮力定律公元前3世紀(jì)

中國四川都江堰水利工程§1.1流體力學(xué)及其任務(wù)公元前2280年

中國的大禹治水?！?.1流體力學(xué)及其任務(wù)中國古代提水灌溉所用風(fēng)車§1.1流體力學(xué)及其任務(wù)春秋戰(zhàn)國末期（公元前221前左右）

秦國蜀郡太守李冰在岷江中游修建了都江堰，聞名世界的防洪灌溉工程，消除了岷江水患，灌溉了大片土地，使成都平原成為沃野兩千年來，一直造福于人類?！?.1流體力學(xué)及其任務(wù)都江堰李冰（302-235BC）§1.1流體力學(xué)及其任務(wù)隋朝工匠李春在冀中洨河修建（公元605—617年）的趙州石拱橋——拱背的4個小拱，既減壓主拱的負(fù)載，又可宣泄洪水?！?.1流體力學(xué)及其任務(wù)公元前4世紀(jì)

古羅馬供水系統(tǒng)?！?.1流體力學(xué)及其任務(wù)流體力學(xué)航空航天氣象生物環(huán)境機(jī)械冶金石油化工交通土建采礦水利§1.1流體力學(xué)及其任務(wù)航空航天§1.1流體力學(xué)及其任務(wù)水利§1.1流體力學(xué)及其任務(wù)采礦通風(fēng)§1.1流體力學(xué)及其任務(wù)石油化工§1.1流體力學(xué)及其任務(wù)機(jī)械冶金§1.1流體力學(xué)及其任務(wù)環(huán)境§1.1流體力學(xué)及其任務(wù)氣象§1.1流體力學(xué)及其任務(wù)生物§1.1流體力學(xué)及其任務(wù)交通土建§1.1流體力學(xué)及其任務(wù)§1.1流體力學(xué)及其任務(wù)大型水利樞紐工程，超高層建筑，大跨度橋梁等的設(shè)計和建造離不開流體力學(xué)和風(fēng)工程?！?.1流體力學(xué)及其任務(wù)§1.2作用在流體上的力1表面力表面力分布在流體面上，是一種接觸力。定義表面力的面積密度，即單位面積上流體所承受的表面力為應(yīng)力。A點:壓強(qiáng)切應(yīng)力§1.2作用在流體上的力2質(zhì)量力作用在流體的每個質(zhì)點（微團(tuán)）上并與流體質(zhì)量成正比的力稱為質(zhì)量力。A點附近取微團(tuán)dm，dV，dF∝dm，稱極限為作用在A點的單位質(zhì)量力。f在三個坐標(biāo)軸上的分量用（X，Y，Z）表示!§1.2作用在流體上的力

均質(zhì)流體：f，X，Y，Z的單位為m/s2非均質(zhì)流體：特別地：重力場中X＝0，Y＝0，Z＝－g

凡談及應(yīng)力，應(yīng)注意明確以下幾個要素：

①哪一點的應(yīng)力；

②

哪個方位作用面上的應(yīng)力；

③作用面的哪一側(cè)流體是研究對象（表面力的受體），從

而決定法線的指向；

④應(yīng)力在哪個方向上的分量?！?.2作用在流體上的力注意：§1.3流體的主要物理性質(zhì)1慣性均質(zhì)流體：非均質(zhì)流體：顯然§1.3流體的主要物理性質(zhì)2粘性把一塊薄圓板用細(xì)金屬絲平吊在液體中，將圓板繞中心轉(zhuǎn)過一角度后放開，靠金屬絲的扭轉(zhuǎn)作用，圓板開始往返擺動，由于液體的粘性作用，圓板擺動幅度逐漸衰減，直至靜止。分別測量了普通板、涂臘板和細(xì)沙板，三種圓板的衰減時間?！?.3流體的主要物理性質(zhì)三種圓板的衰減時間均相等。衰減的原因，不是圓板與液體之間的相互摩擦，而是液體內(nèi)部的摩擦。§1.3流體的主要物理性質(zhì)2粘性流體內(nèi)部質(zhì)點間或流層間因相對運(yùn)動而產(chǎn)生內(nèi)摩擦力以反抗相對運(yùn)動的性質(zhì)。粘性是流體阻止發(fā)生剪切變形和角變形的一種特性。當(dāng)流體處于靜止或各部分之間相對速度為零時，流體的粘性就表象不出來，其內(nèi)摩擦力也就等于零。（1）粘性的表象§1.3流體的主要物理性質(zhì)（2）牛頓內(nèi)摩擦定律abcda’b’c’d’(u+du)dtudtdydudthydyuu+duabcddθU實驗證明內(nèi)摩擦力T的大小：§1.3流體的主要物理性質(zhì)④與壓力大小無關(guān)。①與流層的接觸面積A成正比；②與速度梯度成正比；③與流體的種類有關(guān)；即表示速度沿垂直于速度方向（y）的變化率，單位為s-1。速度梯度即角變形速度（剪切變形速度）∴速度梯度§1.3流體的主要物理性質(zhì)§1.3流體的主要物理性質(zhì)動力粘滯系數(shù)表征單位速度梯度作用力下的切應(yīng)力，反映了粘滯性的動力性質(zhì)。運(yùn)動粘性系數(shù)衡量流體的流動性。常用單位為，稱為斯托克斯（St）。

取決于流體種類，其大小反映流體粘性的大小。20℃時流體/Pa?s/m2/s/kg/m3原油72×10-48.4×10-6856甘油14900×10-411.84×10-41258水10.02×10-41.003×10-6998空氣1.81×10-51.5×10-51.205§1.3流體的主要物理性質(zhì)粘性系數(shù)的變化溫度影響：液體，T

；氣體，T

壓強(qiáng)對

的影響不大。與有關(guān)，對可壓縮流體與壓力密切相關(guān)。溫度/℃水空氣

×103/Pa?s×106/m2/s

×105/Pa?s×105/m2/s01.7811.7851.711.32101.3071.3061.761.41201.0021.0011.811.50300.7980.8001.861.60400.6530.6581.901.68§1.3流體的主要物理性質(zhì)（3）理想流體理想流體：假想的完全沒有粘性的流體（=0）。粘性流體(實際流體)：一切流體都是粘性流體（≠0）

。

引入理想流體概念可以大大簡化問題!§1.3流體的主要物理性質(zhì)例題§1.3流體的主要物理性質(zhì)

一塊可動平板與另一塊不動平板之間為某種液體，兩塊板相互平行（如圖)它們之間的距離h=0.5mm。若可動平板以v=0.25m/s的水平速度向右移動，為了維持這個速度需要每m2面積上的作用力為2N,求這二平板間液體的粘度。解:由牛頓內(nèi)摩擦定律認(rèn)為兩板間液體速度呈線性分布，故所以例題已知：