流體力學(xué)泵與風機-第1章 緒論

主講人:劉長鳴

辦公室：機電樓209室電話：58290043－84413203238424流體力學(xué)

一個人要是隨便地瀏覽一下周圍環(huán)境，看到的東西，幾乎都是固體。但當他想起海洋、大氣及外層空間時，就會清醒地認識到：地球表面和整個宇宙的大部分都處于流體狀態(tài)。

除去科學(xué)家關(guān)心的人類賴以生存的流體（空氣和水）之外，工程師們所服務(wù)于人類的設(shè)備，都離不開流體。事實上，無法想像機器、設(shè)備和工具是不含流體的也不需用流體力學(xué)的原理來設(shè)計的；泵、風機、壓縮機、燃氣輪機、發(fā)動機、火箭等就是流體機械；飛機和船舶在流體中運動；大氣和氣象受流體力學(xué)規(guī)律的控制；所有機器都需要潤滑，而潤滑劑就是流體。為此，不管多么復(fù)雜或高深的設(shè)備，總要用到流體力學(xué)的基本概念。

流體力學(xué)在現(xiàn)代科學(xué)工程中具有重要的位置，它是機械工程、液壓傳動、航空航天、氣象、海洋工程、民用工程（如交通運輸、水利工程、港口水運、采暖通風、空調(diào)工程、給排水工程等）和生物工程的基礎(chǔ)之一。甚至傳熱學(xué)、燃燒學(xué)也離不開流體力學(xué)。事實上，它是現(xiàn)今所有科學(xué)和工程技術(shù)的基礎(chǔ)。第一部分流體力學(xué)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第六章氣體射流第七章不可壓縮流體動力學(xué)基礎(chǔ)第八章繞流運動第九章一元氣體動力學(xué)基礎(chǔ)第十章相似性原理和因次分析第一章緒論§1.1認識流體力學(xué)§1.2

作用在流體上的力§1.3

流體的主要力學(xué)性質(zhì)§1.4流體的力學(xué)模型§1.1

認識流體力學(xué)一、定義：研究流體在靜止與運動狀態(tài)下的力學(xué)規(guī)律及其工程應(yīng)用的學(xué)科（研究對象、內(nèi)容及目的）歷史上

流體力學(xué)分理論流體力學(xué)（偏重數(shù)理分析，屬于基礎(chǔ)學(xué)科范疇）工程流體力學(xué)（著眼于工程應(yīng)用，屬于應(yīng)用學(xué)科范疇）二、流體的定義：

具有流動性的物體是流體（即能夠流動的物體）。自然界物質(zhì)存在的主要形態(tài)：固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)

液體和氣體是流體流體與固體的區(qū)別固體靜止時既能承受壓力，也能承受拉力與剪切力；流體只能承受壓力，一般不能承受拉力，任何一個微小的剪切力都能使流體發(fā)生連續(xù)的變形。液體與氣體的區(qū)別：

液體的流動性小于氣體；

液體具有一定的體積，并取容器的形狀，存在一個自由液面；氣體充滿任何容器，而無一定體積，不存在自由液面。液體與氣體的共同點：

兩者均具有易流動性，即在任何微小切應(yīng)力作用下都會發(fā)生連續(xù)變形或流動，故二者統(tǒng)稱為流體。三、流體的特征流動性----在任意微小剪切力作用下會發(fā)生連續(xù)變形的特性流動性是區(qū)別流體和固體的基本力學(xué)特征，是便于用管道、渠道進行輸送，適宜作供熱、供冷等工作介質(zhì)的主要原因。氣體易于壓縮；而液體難于壓縮；四、生活中的流體力學(xué)：

水往低處流——司馬光砸缸；風平浪靜，無風不起浪；微風吹拂，微波蕩漾；大風大浪；狂風大作，波浪滔天；

高爾夫球的粗糙表面；風案、船案-----“流體力學(xué)”斷案。認識的形象化、具體化學(xué)以致用，善于利用，趨利避害。汽車的形狀進化；1．高爾夫球：表面光滑還是粗糙？高爾夫球運動起源于15世紀的蘇格蘭，當時人們認為表面光滑的球飛行阻力小，因此用皮革制球。

最早的高爾夫球（皮革已龜裂)

后來發(fā)現(xiàn)表面有很多劃痕的舊球反而飛得更遠，這個謎直到20世紀建立流體力學(xué)邊界層理論后才解開。

(請注意球表面)

現(xiàn)在的高爾夫球表面有很多窩坑，在同樣大小和重量下，飛行距離為光滑球的5倍。

2．汽車阻力：來自前部還是后部？汽車發(fā)明于19世紀末，當時人們認為汽車的阻力主要來自前部對空氣的撞擊，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，約為0.8。

實際上汽車阻力主要來自后部形成的尾流，稱為形狀阻力

20世紀30年代起，人們開始運用流體力學(xué)原理改進汽車尾部形狀，出現(xiàn)甲殼蟲型，阻力系數(shù)降至0.6。

20世紀50－60年代改進為船型，阻力系數(shù)為0.45。

80年代經(jīng)過風洞實驗系統(tǒng)研究后，又改進為魚型，阻力系數(shù)為0.3，

以后進一步改進為楔型，阻力系數(shù)為0.2。

經(jīng)過近80年的研究改進，汽車阻力系數(shù)從0.8降至0.137，阻力減小為原來的1/5。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。

汽車阻力系數(shù)動畫3、風案、船案-----“流體力學(xué)”斷案。

事情發(fā)生在1982年的美國紐約。一位叫瑪莎的女經(jīng)濟學(xué)家剛從一座高樓的大門走出，就被突然而來的一陣狂風吹倒而摔傷了肩膀。一氣之下，她向紐約市法院提出訴訟，狀告這座大樓的建筑承包商和業(yè)主。大多數(shù)人以為瑪莎的這一舉動是無理取鬧，肯定要被法院駁回。

誰知流體力學(xué)幫了這位經(jīng)濟學(xué)家的忙，瑪莎最終獲得了勝利，這便是著名的“風案”。

歷史上還發(fā)生過三起著名的“船案”。不幸的是三位無辜的船長均被錯誤地判了重刑。一次是在本世紀初，法國艦隊在地中海演習時，排水量為11395噸的“勃林奴斯”號裝甲旗艦用旗語召呼一艘驅(qū)逐艦前來。當這艘驅(qū)逐艦高速開來在接近“勃林奴斯”號右側(cè)不遠的地方，突然改變方向，一個急轉(zhuǎn)彎撞在裝甲旗艦的船頭上，前者當即被后者劈成兩半而沉沒了。

另一次發(fā)生于1942年10月。一艘排水量為81000噸，長314米的“瑪麗皇后”號運兵船，滿載著15000名美國兵，由巡洋艦“寇拉沙阿”號和另外6艘驅(qū)逐艦護航。在它們并列航行中，“寇拉沙阿”號突然急轉(zhuǎn)彎，與運兵船的船頭相撞，“寇拉沙阿”號被劈為兩半。5、風案、船案-----“流體力學(xué)”斷案。

第三次撞船事故發(fā)生在1912年秋天。當時世界上最大的郵輪“奧林匹克”號，在大海航行中與一艘比它小得多的鐵甲巡洋艦“哈克”號平行地疾駛著。突然，小船似乎“服從著一種不可見的力量”，竟扭轉(zhuǎn)船頭對準大船沖來，結(jié)果與郵輪的右舷相撞，兩條船都受了重傷。與另兩起海上事故一樣，這起“撞船官司”也是由當時的海事法庭審理。法院的判決書說，“奧林匹克”號的船長犯了嚴重過失，因為他沒有向其部下發(fā)布任何命令，給橫沖過來的“哈克”號讓路。按照流體力學(xué)的觀點，這樣的判決純屬無理。當然，我們也不能責怪法官，因為在當時，船在大海里平行前進會發(fā)生互相吸引而產(chǎn)生碰撞事故，尚未引起科學(xué)家的重視。五、流體力學(xué)的研究方法1.理論方法理論分析的一般過程是：建立力學(xué)模型，用物理學(xué)基本定律推導(dǎo)流體力學(xué)數(shù)學(xué)方程，用數(shù)學(xué)方法求解方程，檢驗和解釋求解結(jié)果。

理論分析結(jié)果能揭示流動的內(nèi)在規(guī)律，具有普遍適用性，但分析范圍有限。

理論基礎(chǔ)：1、質(zhì)量守恒原理2、能量守恒原理

3、動量定理

4、牛頓三大定律2.實驗方法

實驗研究的一般過程是：在相似理論的指導(dǎo)下建立模擬實驗系統(tǒng)，用流體測量技術(shù)測量流動參數(shù)，處理和分析實驗數(shù)據(jù)。

典型的流體力學(xué)實驗有：風洞實驗、水洞實驗、水池實驗等。測量技術(shù)有：熱線、激光測速；粒子圖像、跡線測速；高速攝影；全息照相；壓力、密度測量等。現(xiàn)代測量技術(shù)在計算機、光學(xué)和圖像技術(shù)配合下，在提高空間分辨率和實時測量方面已取得長足進步。實驗結(jié)果能反映工程中的實際流動規(guī)律，發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象，檢驗理論結(jié)果等，但結(jié)果的普適性較差。

數(shù)值研究的一般過程是：對流體力學(xué)數(shù)學(xué)方程作簡化和數(shù)值離散化，編制程序作數(shù)值計算，將計算結(jié)果與實驗結(jié)果比較。

常用的方法有：有限差分法、有限元法、有限體積法、邊界元法、譜分析法等。計算的內(nèi)容包括：飛機、汽車、河道、橋梁、渦輪機等流場計算；湍流、流動穩(wěn)定性、非線性流動等數(shù)值模擬。大型工程計算軟件已成為研究工程流動問題的有力武器。

數(shù)值方法的優(yōu)點是能計算理論分析方法無法求解的數(shù)學(xué)方程，比實驗方法省時省錢，但畢竟是一種近似解方法，適用范圍受數(shù)學(xué)模型的正確性和計算機的性能所限制。l

三種方法各有優(yōu)缺點，應(yīng)取長補短，互為補充。

3.數(shù)值方法六、流體力學(xué)的學(xué)習方法—參考建議1.認真聽懂深化理解2.課堂作業(yè)3.筆記§1.2

作用在流體上的力一、質(zhì)量力質(zhì)量力是作用于流體的每一個質(zhì)點上且與質(zhì)量成正比的力對于均質(zhì)流體，質(zhì)量力與體積成正比，又稱體積力或超距力質(zhì)量力包括重力和慣性力單位質(zhì)量所受到的質(zhì)量力稱為單位質(zhì)量力，用f表示對于均質(zhì)流體

單位質(zhì)量重力（X，Y，Z）=（0，0，g)

單位質(zhì)量慣性力二、表面力表面力是作用在流體表面或截面上且與作用面的面積成正比的力，表面力又稱面積力或接觸力表面力包括壓力和切力作用于單位面積上的壓力稱為壓強，以p表示

作用于單位面積上的切力稱為切應(yīng)力，以τ表示

壓強和切應(yīng)力的單位：N/m2（Pa），kN/m2（kPa）§1.2

作用在流體上的力§1.3

流體的主要力學(xué)性質(zhì)一、慣性慣性是物體保持其原有運動狀態(tài)的一種性質(zhì)表示慣性大小的物理量是質(zhì)量，質(zhì)量的單位為g或kg單位體積的質(zhì)量是密度，密度的單位為g/cm3或kg/m3水的密度ρ=1000㎏/m3水銀的密度ρ=13.6×1000㎏/m3均質(zhì)流體的密度非均質(zhì)流體的密度水和空氣的密度（一個標準大氣壓下）溫度T(℃)水ρ（㎏/m3）空氣ρ（㎏/m3）0510152025303540999.91000.0999.7999.1998.2997.1995.7994.1992.21.2931.2701.2481.2261.2051.1851.1651.1461.128物體反抗改變原有運動狀態(tài)而作用于其他物體上的反作用力稱為慣性力二、重力特性地球?qū)Φ厍虮砻娓浇矬w的引力稱為重力。用G表示。重力的大小稱為重量G=mg重量的單位為N，kN1N=1㎏·m/s2單位體積的重量是容重γ=ρg三、粘滯性流體具有流動性流動性是流體受切力作用發(fā)生連續(xù)變形的性質(zhì)這種變形亦稱為剪切變形流體在流動狀態(tài)下抵抗剪切變形的性質(zhì)稱為流體的粘（滯）性

或者說流體內(nèi)部質(zhì)點間或流層間因相對運動而產(chǎn)生內(nèi)摩擦力（內(nèi)力）以反抗相對運動的性質(zhì)稱為流體的粘（滯）性牛頓內(nèi)摩擦定律液體在作層流運動時，相鄰流層之間的切應(yīng)力與切應(yīng)變率成線性關(guān)系

動力粘滯系數(shù)m：又稱絕對粘度、動力粘度、粘度，是反映流體粘滯性大小的系數(shù)，單位：N?s/m2。運動粘滯系數(shù)ν：又稱相對粘度，運動粘度，單位：為m2/s

流體的運動粘度和動力粘度平板動畫圓管流粘性表象平板間流動圓管內(nèi)流動

粘度的影響因素

1）流體種類。一般地，相同條件下，液體的粘度大于氣體的粘度。2）壓強。對常見的流體，如水、氣體等，m值隨壓強的變化不大，一般可忽略不計。

3）溫度。是影響粘度的主要因素。當溫度升高時，液體的粘度減小，氣體的粘度增加。說明:

a.液體：內(nèi)聚力是產(chǎn)生粘度的主要因素，當溫度升高，分子間距離增大，吸引力減小，因而使剪切變形速度所產(chǎn)生的切應(yīng)力減小，所以m值減小。

b.氣體：氣體分子間距離大，內(nèi)聚力很小，所以粘度主要是由氣體分子運動動量交換的結(jié)果所引起的。溫度升高，分子運動加快，動量交換頻繁，所以m值增加。水和空氣的粘滯系數(shù)溫度T(℃)水的動力粘度μ（10-3N·s/m2）水的運動粘度ν（10-6m2/s）空氣的動力粘度μ（10-3N·s/m2）空氣的運動粘度ν（10-6m2/s）05101520253035401.7921.5191.3081.1001.0050.8940.8010.7230.6561.7921.5191.3081.1411.0070.8970.8040.7270.6610.01720.01780.01830.01870.019213.714.715.716.617.6流速梯度可以表示為流體的切應(yīng)變率或角變形率

凡是滿足牛頓內(nèi)摩擦定律的流體，稱為牛頓流體；反之為非牛頓流體例題例1-1兩平行平板間隙δ=1cm，水溫為20℃，下板固定不動，上板以u=2m/s的速度向右運動。設(shè)流速沿間隙δ按線性分布。試求：（1）切應(yīng)力τ沿間隙的分布（2）薄板的面積為2m2，薄板的拖曳力。解：（1）查表得μ=1.005×10-3N·s/m2，

（2）F=T=τ·A=0.201×2=0.402N例1-2氣缸內(nèi)壁的直徑D=12cm，活塞的直徑d=11.96cm，活塞的長度l=14cm，活塞往復(fù)運動的速度為1m/s，潤滑油液的μ=1P(1P=0.1Pas)，試問作用在活塞上的粘滯力為多少？解：四、壓縮性和熱膨脹性壓縮性：T不變時，P增大，