第一章 工程流體力學(xué)導(dǎo)論

第一章工程流體力學(xué)導(dǎo)論第一頁(yè)，共四十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四第一章

導(dǎo)論第一節(jié)流體力學(xué)的研究任務(wù)和研究方法第二節(jié)流體力學(xué)發(fā)展簡(jiǎn)史第四節(jié)作用在流體上的力第五節(jié)流體的主要物理性質(zhì)第三節(jié)連續(xù)介質(zhì)假設(shè)第二頁(yè)，共四十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四一、定義：研究液體平衡和運(yùn)動(dòng)規(guī)律的一門(mén)學(xué)科，是力學(xué)一個(gè)重要的分支。二、基本任務(wù)：建立描述流體運(yùn)動(dòng)的基本方程，確定流體經(jīng)各種通道及繞流不同物體時(shí)流速、壓強(qiáng)的分布規(guī)律，探求能量轉(zhuǎn)換及各種損失的計(jì)算方法，并解決流體與限制其流動(dòng)的固體壁之間的相互作用問(wèn)題。

第一節(jié)流體力學(xué)的研究任務(wù)和研究方法第三頁(yè)，共四十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四流體力學(xué)可分為理論流體力學(xué)和工程流體力學(xué)。三、研究對(duì)象：液體和氣體。研究流體中大量分子的宏觀平均運(yùn)動(dòng)規(guī)律，而不考慮其具體的分子運(yùn)動(dòng)。四、研究方法：理論分析根據(jù)工程實(shí)際中流動(dòng)現(xiàn)象的特點(diǎn)，建立流體運(yùn)動(dòng)的方程及邊界條件，運(yùn)用數(shù)學(xué)工具準(zhǔn)確地或近似地求出方程的解。第四頁(yè)，共四十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四實(shí)驗(yàn)研究

根據(jù)模化理論對(duì)所研究的流動(dòng)進(jìn)行模擬，通過(guò)觀察和測(cè)量，獲得所需結(jié)果，可直接解決工程中復(fù)雜的問(wèn)題，并能發(fā)現(xiàn)新的流動(dòng)現(xiàn)象。數(shù)值計(jì)算

將流體力學(xué)方程和邊界條件采用適當(dāng)?shù)姆椒x散化，然后選取適當(dāng)?shù)挠?jì)算方法，用計(jì)算機(jī)求解。四、應(yīng)用流體力學(xué)廣泛應(yīng)用于水利工程、航空工程，化學(xué)工程、機(jī)械工程也在日益廣泛的應(yīng)用著流體力學(xué)。第五頁(yè)，共四十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四流體力學(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(dòng)力學(xué)的發(fā)展，人類(lèi)研制出2－3倍聲速的戰(zhàn)斗機(jī)。EXITF-22第六頁(yè)，共四十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四EXIT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(dòng)力學(xué)的發(fā)展，人類(lèi)研制出2-3倍聲速的戰(zhàn)斗機(jī)。陣風(fēng)第七頁(yè)，共四十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四使重量超過(guò)3百?lài)?，面積達(dá)半個(gè)足球場(chǎng)的大型民航客機(jī)，靠空氣的支托象鳥(niǎo)一樣飛行成為可能，創(chuàng)造了人類(lèi)技術(shù)史上的奇跡。EXIT第八頁(yè)，共四十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四利用超高速氣體動(dòng)力學(xué)，物理化學(xué)流體力學(xué)和稀薄氣體力學(xué)的研究成果，人類(lèi)制造出航天飛機(jī)，建立太空站，實(shí)現(xiàn)了人類(lèi)登月的夢(mèng)想。EXIT第九頁(yè)，共四十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四排水量達(dá)50萬(wàn)噸以上的超大型運(yùn)輸船；EXIT第十頁(yè)，共四十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四航速達(dá)30節(jié)，深潛達(dá)數(shù)百米的核動(dòng)力潛艇；EXIT第十一頁(yè)，共四十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四時(shí)速達(dá)200公里的新型地效艇等，它們的設(shè)計(jì)都建立在水動(dòng)力學(xué)，船舶流體力學(xué)的基礎(chǔ)之上。EXIT第十二頁(yè)，共四十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四發(fā)展更快更安全更舒適的交通工具；EXIT第十三頁(yè)，共四十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四EXIT保時(shí)捷第十四頁(yè)，共四十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四EXIT寶馬6－45第十五頁(yè)，共四十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四能源動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)四沖程WindTurbine第十六頁(yè)，共四十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四用翼柵及高溫，化學(xué)，多相流動(dòng)理論設(shè)計(jì)制造成功大型氣輪機(jī)，水輪機(jī)，渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)等動(dòng)力機(jī)械，為人類(lèi)提供單機(jī)達(dá)百萬(wàn)千瓦的強(qiáng)大動(dòng)力。汽輪機(jī)葉片EXIT第十七頁(yè)，共四十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四用翼柵及高溫，化學(xué)，多相流動(dòng)理論設(shè)計(jì)制造成功大型氣輪機(jī)，水輪機(jī)，渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)等動(dòng)力機(jī)械，為人類(lèi)提供單機(jī)達(dá)百萬(wàn)千瓦的強(qiáng)大動(dòng)力。水輪機(jī)EXIT第十八頁(yè)，共四十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四大型水利樞紐工程，超高層建筑，大跨度橋梁等的設(shè)計(jì)和建造離不開(kāi)水力學(xué)和風(fēng)工程。EXIT第十九頁(yè)，共四十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四大型水利樞紐工程，超高層建筑，大跨度橋梁等的設(shè)計(jì)和建造離不開(kāi)水力學(xué)和風(fēng)工程。楊浦大橋EXIT第二十頁(yè)，共四十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四大型水利樞紐工程，超高層建筑，大跨度橋梁等的設(shè)計(jì)和建造離不開(kāi)水力學(xué)和風(fēng)工程。EXIT第二十一頁(yè)，共四十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四21世紀(jì)人類(lèi)面臨許多重大問(wèn)題的解決，需要流體力學(xué)的進(jìn)一步發(fā)展，它們涉及人類(lèi)的生存和生活質(zhì)量的提高。全球氣象預(yù)報(bào)；（衛(wèi)星云圖）EXIT第二十二頁(yè)，共四十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四災(zāi)害預(yù)報(bào)與控制；EXIT第二十三頁(yè)，共四十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四流體力學(xué)需要與其他學(xué)科交叉，如工程學(xué)，地學(xué)，天文學(xué)，物理學(xué)，材料科學(xué)，生命科學(xué)等，在學(xué)科交叉中開(kāi)拓新領(lǐng)域，建立新理論，創(chuàng)造新方法。毛細(xì)血管流動(dòng)EXIT第二十四頁(yè)，共四十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四生物仿生學(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)高溫氣體動(dòng)力學(xué)、非牛頓流體力學(xué)爆炸力學(xué)、流變學(xué)、計(jì)算流體力學(xué)等第二十五頁(yè)，共四十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四第二節(jié)流體力學(xué)的發(fā)展簡(jiǎn)史17世紀(jì)-1653年，D.Pascal（帕斯卡）發(fā)現(xiàn)了靜止流體的壓強(qiáng)可以均勻地傳遍整個(gè)流場(chǎng)-Pascal定律。17世紀(jì)-1687年，I.Newton（牛頓）用粘性實(shí)驗(yàn)方法，提出了內(nèi)摩擦定律。18世紀(jì)-1738年，D.Bernoulli（柏努利）對(duì)管流進(jìn)行了大量的觀測(cè)，提出了定常-不可壓縮-理想流體的能量守恒定律-Bernoulli方程。18世紀(jì)-1775年，Euler（歐拉）提出了理想流體的運(yùn)動(dòng)方程。第二十六頁(yè)，共四十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四19世紀(jì)-L.Navier,1823（納維），G.G.Stocks,1845（斯托克斯）分別用不同的方法建立了粘性流體運(yùn)動(dòng)的微分方程。19世紀(jì)末，O.Reynolds（雷諾）發(fā)現(xiàn)流體的兩種流態(tài)—層流和紊流。20世紀(jì)-1904年，L.Prandtl（普朗特）提出邊界層理論。20世紀(jì)-1910年，儒可夫斯基發(fā)現(xiàn)機(jī)翼的升力理論。20世紀(jì)60年代以來(lái)，超音速飛機(jī)的出現(xiàn)，人造衛(wèi)星和航天飛機(jī)進(jìn)入太空，使流體力學(xué)的理論形成一個(gè)嚴(yán)密的系統(tǒng)的學(xué)科。第二十七頁(yè)，共四十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四第三節(jié)連續(xù)介質(zhì)假設(shè)一、流體的定義:流動(dòng)的物體流體和固體的區(qū)別:

1.

從力學(xué)分析的角度上看,在于它們對(duì)外力抵抗的能力不同。

2.流體沒(méi)有固定的形狀，只能隨其容積的形狀而定。第二十八頁(yè)，共四十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四固體：既能承受壓力，也能承受拉力，能抵抗拉伸變形。流體：只能承受壓力，一般不能承受拉力，不能抵抗拉伸變形。第二十九頁(yè)，共四十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四液體和氣體的區(qū)別:

1.流動(dòng)性的大?。簹怏w比液體流動(dòng)性要大，主要是因?yàn)榉肿娱g距不同。

2.可壓縮性：氣體的壓縮性高于液體。在研究低速氣體流動(dòng)規(guī)律時(shí)，可將氣體視為不可壓縮流體處理，在研究氣體的高速流動(dòng)時(shí)，必須考慮氣體的壓縮性。第三十頁(yè)，共四十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四二、連續(xù)介質(zhì)假設(shè)

一般可把流體的運(yùn)動(dòng)看成是以大量分子集團(tuán)為單位進(jìn)行運(yùn)動(dòng)的，把這種分子集團(tuán)稱(chēng)為質(zhì)點(diǎn)，質(zhì)點(diǎn)與質(zhì)點(diǎn)之間無(wú)間隙。把由不連續(xù)分子組成的流體看成由連續(xù)質(zhì)點(diǎn)組成的流體，這就是連續(xù)介質(zhì)假設(shè)。

注意：連續(xù)介質(zhì)的概念具有相對(duì)性。當(dāng)我們所研究物體的特征尺寸與質(zhì)點(diǎn)的尺寸同量級(jí)時(shí)，連續(xù)介質(zhì)假設(shè)就不適用了。第三十一頁(yè)，共四十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四第四節(jié)作用在流體上的力表面力：是指作用在所研究流體外表面上與表面積大小成正比的力。用應(yīng)力表示。研究中常把應(yīng)力分為切向應(yīng)力和法向應(yīng)力。

切向力：液體相對(duì)流動(dòng)時(shí)因粘性?xún)?nèi)摩擦而產(chǎn)生的。第三十二頁(yè)，共四十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四理想（靜止）流體中一點(diǎn)處的應(yīng)力理想（靜止）流體中沒(méi)有切應(yīng)力，只承受壓力，不能承受拉力。表面力只有法向壓應(yīng)力p靜止液體中法向應(yīng)力沿著流體表面的內(nèi)法線方向成為壓力，又稱(chēng)為壓強(qiáng)。

表面張力：表面力的一種，是作用在液體自由表面

沿作用面法向的拉力。第三十三頁(yè)，共四十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四質(zhì)量力（體積力）：質(zhì)量力是某種力場(chǎng)作用在全部流體質(zhì)點(diǎn)上的力，其大小和流體的質(zhì)量或體積成正比，故稱(chēng)為質(zhì)量力或體積力。單位質(zhì)量質(zhì)量力：質(zhì)量力的合力：重力場(chǎng)中：第三十四頁(yè)，共四十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四第五節(jié)流體的主要物理性質(zhì)一、流體的密度相對(duì)密度比容

密度：均質(zhì)流體比容密度的倒數(shù)相對(duì)密度密度單位體內(nèi)流體所具有的質(zhì)量表征流體在空間的密集程度。式中──流體的密度（kg/m）；──4℃時(shí)水的密度（kg/m）。第三十五頁(yè)，共四十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四二、流體的壓縮性和膨脹性流體的壓縮性

在一定的溫度下，單位壓強(qiáng)增量引起的體積變化率定義為流體的壓縮性系數(shù)，其值越大，流體越容易壓縮，反之，不容易壓縮。定義式：

體積彈性模量

其值越大，流體越不容易壓縮，反之，就容易壓縮。

第三十六頁(yè)，共四十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四

可壓縮流體和不可壓縮流體氣體和液體都是可壓縮的，通常將氣體視為可壓縮流體，液體視為不可壓縮流體。水下爆炸：水也要視為可壓縮流體；當(dāng)氣體流速比較低時(shí)也可以視為不可壓縮流體。

流體的膨脹性當(dāng)壓強(qiáng)一定時(shí)，流體溫度變化體積改變的性質(zhì)稱(chēng)為流體的膨脹性，膨脹性的大小用溫度膨脹系數(shù)來(lái)表示。

膨脹性系數(shù)式中或?yàn)闇囟仍隽?；為相?yīng)的體積變化率。由于溫度升高體積膨脹，故二者同號(hào)，單位為1/K或1/℃。第三十七頁(yè)，共四十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四流體的粘性：流體流動(dòng)時(shí)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（I.Newton,1687，）提出。由庫(kù)侖（C．A．Coulomb,1784，）用實(shí)驗(yàn)得到證實(shí)。三流體的粘性

庫(kù)侖把一塊薄圓板用細(xì)金屬絲平吊在液體中，將圓板繞中心轉(zhuǎn)過(guò)一角度后放開(kāi)，靠金屬絲的扭轉(zhuǎn)作用，圓板開(kāi)始往返擺動(dòng)，由于液體的粘性作用，圓板擺動(dòng)幅度逐漸衰減，直至靜止。庫(kù)侖分別測(cè)量了普通板、涂臘板和細(xì)沙板，三種圓板的衰減時(shí)間。第三十八頁(yè)，共四十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四三種圓板的衰減時(shí)間均相等。庫(kù)侖得出結(jié)論: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。第三十九頁(yè)，共四十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四

牛頓內(nèi)摩擦定律

牛頓在《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》中假設(shè)：“流體兩部分由于缺乏潤(rùn)滑而引起的阻力與速度梯度成正比”。

上式稱(chēng)為牛頓粘性定律。T：內(nèi)摩擦力；A：接觸面積；dv/dz：速度梯度；u：動(dòng)力粘度（粘性系數(shù)）。其物理意義為：流體內(nèi)摩擦力的大小與流體的速度梯度和接觸面積大小成正比，并且與流體的性質(zhì)，粘性有關(guān)。第四十頁(yè)，共四十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四粘度μ的全稱(chēng)為動(dòng)力粘度,根據(jù)牛頓粘性定律可得.

粘度的單位在SI制中是帕秒（Pa·s),

工程中常常用到運(yùn)動(dòng)粘度用下式表示單位:(m2/s)一般僅隨溫度變化，液體溫度升高粘度增大，氣體溫度升高粘度減小。第四十一頁(yè)，共四十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四粘性流體和理想流體實(shí)際流體（粘性流體）實(shí)際中的流體都具有粘性，因?yàn)槎际怯煞肿咏M成，都存在分子間的引力和分子的熱運(yùn)動(dòng)，故都具有粘性，所以，粘性流體也稱(chēng)實(shí)際流體。理想流體

假想沒(méi)有黏性的流體。具有實(shí)際意義：由于實(shí)際流體存在粘性使問(wèn)題的研究和分析非常復(fù)雜，甚至難以進(jìn)行，為簡(jiǎn)化起見(jiàn)，引入理想流體的概念。一些情況下基本上符合粘性不大的實(shí)際流體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，可用來(lái)描述實(shí)際流體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，如空氣繞流圓柱體時(shí)，邊界層以外的勢(shì)流就可以用理想流體的理論進(jìn)行描述。還由于一些粘性流體力學(xué)的問(wèn)題往往是根據(jù)理想流體力學(xué)的理論進(jìn)行分析和研究的。再者，在有些問(wèn)題中流體的粘性顯示不出來(lái)，如均勻流動(dòng)、流體靜止?fàn)顟B(tài)，這時(shí)實(shí)際流體可以看成理想流體。所以建立理想流體模型具有非常重要的實(shí)際意義。第四十二頁(yè)，共四十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四牛頓流體和非牛頓流體

牛頓流體:

剪應(yīng)力和變形速率滿足線性關(guān)系。圖中A所示。

非牛頓流體：剪切應(yīng)力和變形速率之間不滿足線性關(guān)系的流體。圖中B、C、D均屬非牛頓流體。

第四十三頁(yè)，共四十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四表面張力

表面張力是液體分子間