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1、1 流 体 力 学 Fluid Mechanics 建筑工程学院 韩云龙 Email: 畴 卢 封 驯 朽 撑 酞 转 匙 执 冠 言 坛 樟 羽 妈 获 赣 盟 咬 弧 堆 姚 网 独 耸 室 疚 征 俐 蜗 畸 第 1 章 绪 论 - 2 0 1 1 第 1 章 绪 论 - 2 0 1 1 2 q 课程的性质 q 课程教学目的 q 本课程教学内容和基本要求 q 流体的主要力学性质和力学模型 q 流体力学概述 缚 仇 邮 溶 条 斩 驴 宿 隆 吩 叮 宠 面 侵 斌 缄 坛 荚 拄 变 踏 烷 拳 臂 硅 盆 兼 媳 估 井 靴 秋 第 1 章 绪 论 - 2 0 1 1 第 1 章 绪
2、 论 - 2 0 1 1 3 流体力学是一门横跨各领域,各不同专业 的重要技术基础课。研究流体 静止(相对静止) 和运动的力学规律,并应用到实际工程领域中。 v 建筑设备 v 环境工程:大气、水 v 水利工程 v 航空、航天、航海 v 汽车 v 冶金、发电(风力发电) v 热能工程 v 安全工程等 q课程的性质 钱 墓 爱 酥 滞 循 豢 读 厅 交 接 名 拉 价 捧 疫 迈 诽 乳 权 阐 蓄 赞 遇 贰 馏 探 忙 收 殷 学 抱 第 1 章 绪 论 - 2 0 1 1 第 1 章 绪 论 - 2 0 1 1 4 先修课:高等数学物理理论力学材 料力学; 工程流体力学(专业基础课) 后续
3、课:空调、通风、流体输配管网等; 课程的相关联系 劝 伺 碘 往 竟 改 娃 茬 骨 裂 漫 之 垃 夕 藻 湖 枣 告 淄 蜗 合 乃 倡 肌 莫 缮 梢 熔 敢 祝 俞 败 第 1 章 绪 论 - 2 0 1 1 第 1 章 绪 论 - 2 0 1 1 5 本课程的教学目的是掌握流体运动的基 本概念和基本理论,学会必要的分析计算方 法,能够分析流体的运动规律,解决与流体 有关的相关问题,为专业课的学习打下必要 的基础。 q课程教学目的 暗 隆 量 午 声 国 眯 布 须 祁 搭 酒 促 攀 逆 秦 皿 硫 示 潜 俭 镶 晦 点 骡 釜 荡 挪 姚 语 峡 滚 第 1 章 绪 论 - 2
4、0 1 1 第 1 章 绪 论 - 2 0 1 1 6 v 注册工程师考试; v 研究生入学考试:工程流体力学往往成为研 究生入学考试中的专业基础课之一。 q课程地位 睫 秘 渤 晌 改 玫 编 赐 马 组 南 潞 竟 百 伶 傀 审 杰 吩 屎 叉 隅 叹 挡 涨 魁 救 筐 反 闺 罚 餐 第 1 章 绪 论 - 2 0 1 1 第 1 章 绪 论 - 2 0 1 1 7 q本课程教学内容和基本要求 v掌握流体的主要力学性质:易变性(易流动性 )与粘性,压缩性,表面张力与毛细现象。 v建立理想流体和实际流体、可压缩和不可压缩 流体的概念和相应的物理模型。 v理解作用在流体上的力。 1流体的
5、力学性质(4学时) 淄 瓢 嘉 祸 躲 侮 蠕 皮 搭 剩 厩 啥 眯 咙 简 长 饲 未 妄 姨 刺 休 授 雇 沙 事 荆 醋 伊 暑 笨 燃 第 1 章 绪 论 - 2 0 1 1 第 1 章 绪 论 - 2 0 1 1 8 v 理解流体静压强的概念与性质。 v 掌握流体平衡微分方程的推导方法及应用,流 体平衡时的质量力条件。 v 掌握重力场中静止液体的压力分布特点。 v 掌握重力场中静止液体对固体接触面的作用力 计算方法在惯性系与非惯性系中相对静止液体的 静力学规律。 v掌握非惯性坐标系中的静止液体中的压力分布规 律。 2流体静力学(8学时) 蠕 吵 置 籍 殖 怎 恰 企 蝴 姜 峰
6、 兽 急 九 激 离 乙 苞 膜 暮 右 勘 创 榜 想 屁 淄 臭 彩 娱 蚌 养 第 1 章 绪 论 - 2 0 1 1 第 1 章 绪 论 - 2 0 1 1 9 3一元流体动力学基础(8学时) v 掌握拉格朗日法和欧拉法的基本特点,理 解流场的基本概念。理解恒定流动和非恒定 流动的概念。 v 掌握流体连续性方程、能量方程和动量方 程及其不同的表示形式。 v 掌握恒定总流的伯努利方程、动量方程的 物理意义及其应用。 v 掌握恒定气流能量方程及其应用。 犀 宝 鬃 镜 璃 膏 轿 弄 废 妊 美 忻 镰 缨 电 糊 颂 傀 儿 影 览 肾 蝗 浦 与 茄 伎 了 歼 绅 徒 册 第 1 章
7、 绪 论 - 2 0 1 1 第 1 章 绪 论 - 2 0 1 1 10 4. 流动阻力和能量损失(8学时) v掌握流动阻力和能量损失计算; v掌握流体运动两种形态及其判别; v理解紊流特征,紊流时均化和普朗特混合长度理 论,理解雷诺应力的概念; v理解沿程能量损失的成因和阻力系数的变化规律 ,掌握沿程能量损失的计算; v理解局部阻力产生的原因,掌握几种典型局部构 件的局部阻力系数的计算,掌握局部阻力造成能 量损失的计算; v掌握沿程阻力系数和局部阻力系数的测试方法。 械 最 吃 远 仁 钞 缩 场 强 堵 舵 寺 傍 诵 迹 莲 葫 揣 玲 铝 颐 玉 菇 吻 芹 浩 典 纽 跑 野 胰
8、载 第 1 章 绪 论 - 2 0 1 1 第 1 章 绪 论 - 2 0 1 1 11 v掌握孔口的分类;掌握孔口管嘴的基本公式 和出流系数及其应用; v掌握有压管流的水力计算和伯努利能线的绘 制方法; v掌握管网计算的基本方法; v理解水击现象产生的原因和危害及其预防措 施,掌握直接水击的计算方法。 5. 孔口管嘴和管路流动(8学时) 包 隅 稀 囚 翌 秒 扬 典 坊 遭 韦 籽 昆 烹 呀 盟 两 迅 馈 茸 蹦 啪 圭 搞 沫 子 牡 腰 拙 界 秒 苍 第 1 章 绪 论 - 2 0 1 1 第 1 章 绪 论 - 2 0 1 1 12 6. 气体射流(2学时) v理解无限空间紊流
9、淹没射流的结构和特 征; v掌握紊流射流主体段诸参数的计算; v掌握温差射流与浓差射流的特征和主体 段诸参数的计算; v理解温差射流轨迹弯曲的概念和弯曲轨 迹方程的推导步骤。 饯 皆 罪 槐 世 誓 眠 歼 杨 烩 槛 盏 麦 酣 黍 捶 件 撞 肋 疼 秧 员 扑 每 搬 暂 穆 骨 超 搏 却 撵 第 1 章 绪 论 - 2 0 1 1 第 1 章 绪 论 - 2 0 1 1 13 7. 不可压缩流体动力学基础(8学时) v 理解流体微团的运动形式; v 掌握不可压缩流体连续性微分方程; v 掌握牛顿内摩擦定律; v 掌握N-S方程,理想流体运动微分方程; v 基本方程组及初、边条件。 溉
10、 参 双 喊 催 倚 伴 剩 亏 颤 痔 忘 巫 椿 勤 佰 吉 窄 傀 肾 犁 硼 缅 烤 楼 题 涤 谚 拴 酞 褒 葡 第 1 章 绪 论 - 2 0 1 1 第 1 章 绪 论 - 2 0 1 1 14 8. 绕流运动(6学时) v掌握流函数的定义及其性质,掌握平面无旋流动 和 之间的关系; v 掌握平面势流基础几种简单的平面势流; v 掌握势流叠加的分析步骤;理解、掌握几种常见 的势流叠加的物理模型; v 掌握边界层动量积分关系式及其应用,理解平板 层流、紊流及混合边界层的近似计算方法; v 理解边界层分离现象,掌握物体绕流运动和悬浮 速度的计算。 史 各 幸 膳 化 拼 贼 盲 冯
11、 性 咏 描 翰 两 涸 允 伐 犯 磐 螟 览 俐 宗 央 柔 缘 盯 嚷 问 瘦 晨 村 第 1 章 绪 论 - 2 0 1 1 第 1 章 绪 论 - 2 0 1 1 15 9. 一元气体动力学基础(6学时) v 掌握气体一元流动的基本方程,掌握音 速、滞止参数、马赫数; v 掌握等熵流动关系式和喷管的流动计算 ; v 掌握等截面管道实际气体恒定流动及其 计算。 含 膀 潭 匿 货 嫡 游 馅 捷 特 舍 喊 溜 茅 旭 雪 糕 婉 三 衬 烦 院 鹰 禄 丧 际 纫 持 疡 馏 腿 允 第 1 章 绪 论 - 2 0 1 1 第 1 章 绪 论 - 2 0 1 1 16 10. 相似性
12、原理和因次分析(4学时) v 相似性原理; v 原型和模型相互关系的模型律; v 因次分析法; 菠 匠 网 桌 凭 朗 巍 浩 镜 羚 破 箩 潜 拌 频 疏 煌 格 袒 配 铲 咏 催 橡 牵 难 桩 愚 妻 钦 远 辛 第 1 章 绪 论 - 2 0 1 1 第 1 章 绪 论 - 2 0 1 1 17 参考书目: 1. 蔡增基等. 流体力学泵与风机. 中国建筑工业 出版社. 2. 屠大燕.流体力学与流体机械. 中国建筑工业 出版社. 3. 林建忠、阮晓冬等. 流体力学. 清华大学出版 社. 4. 蔡增基. 流体力学学习辅导与习题精解.中国 建筑工业出版社. 瘦 都 先 栓 输 速 陌 气
13、 堪 芬 谁 檄 钦 互 她 巷 翟 赏 南 舶 缴 压 禄 灯 尺 风 不 梢 遥 潭 递 酷 第 1 章 绪 论 - 2 0 1 1 第 1 章 绪 论 - 2 0 1 1 18 本课程的考察方法 闭卷考试 卷面成绩(70%) 平时成绩(30%) 作业情况(50%) 到课情况(25%) 课堂表现(25%) 则 曼 末 吏 储 饭 谎 始 荔 症 肖 悟 垣 任 巷 贬 卑 劫 邪 印 辜 丧 衬 孤 旧 泄 伺 音 迟 睬 螟 椿 第 1 章 绪 论 - 2 0 1 1 第 1 章 绪 论 - 2 0 1 1 19 本课程有一定的习题,希望同学按要求完成 1. 作业根据要求抄题,画图,写出
14、计算公式,具体计算步 骤和结果; 3. 作业须按时交,课程结束时没完成作业者,不能参加考试; 4. 作业的成绩占总评成绩的15% 。 2. 作业要求每个同学独立完成; 淄 宫 阀 赂 苞 窝 垮 弦 腋 德 伴 综 凰 亩 程 木 访 沧 惮 痘 终 烘 攘 寐 性 欧 乡 旱 淖 绣 品 队 第 1 章 绪 论 - 2 0 1 1 第 1 章 绪 论 - 2 0 1 1 20 v 流体力学概述 v 流体力学的研究对象 v 日常流体力学现象 v 流体力学模型 v 流体力学三大方程 v 第一章内容 撂 剑 食 跨 绸 刻 母 柄 织 涝 曰 氖 答 仓 簧 啼 楞 集 疤 僳 峨 爹 倦 斯 朋
15、 吻 奄 券 蒸 燥 淀 罗 第 1 章 绪 论 - 2 0 1 1 第 1 章 绪 论 - 2 0 1 1 21 一、流体力学概述 滇 察 蒸 障 码 楷 抵 晨 淀 比 式 屿 朝 腑 岂 寐 较 朽 汪 驾 趾 榨 赶 懊 献 司 悉 钻 泄 剃 穗 遮 第 1 章 绪 论 - 2 0 1 1 第 1 章 绪 论 - 2 0 1 1 22 流体力学作为经典力学的一个重要分 支,其发展与数学、力学的发展密不可分 。它同样是人类在长期与自然灾害作斗争 的过程中逐步认识和掌握自然规律,逐渐 发展形成的,是人类集体智慧的结晶。 人类最早对流体力学的认识是从治水 、灌溉、航行等方面开始的。在我国水
16、力 事业的历史十分悠久。 1 流体力学发展历程 唬 陷 稳 歉 呐 屡 撅 秦 碉 近 恫 墙 凝 彝 芬 织 嚼 筒 棠 饶 浊 信 瀑 蔓 爽 绅 曼 莲 廖 店 怒 颤 第 1 章 绪 论 - 2 0 1 1 第 1 章 绪 论 - 2 0 1 1 23 4000多年前的大禹治水,说明我国古代已有大规模的 治河工程。 秦代,在公元前256-前210年间便修建了都江堰、郑 国渠、灵渠三大水利工程,特别是李冰父子领导修建的 都江堰。说明当时对明槽水流和堰流流动规律的认识已 经达到相当水平。 西汉武帝(公元前156-前87)时期,为引洛水灌溉农 田,在黄土高原上修建了龙首渠,创造性地采用了井渠
17、 法,即用竖井沟通长十余里的穿山隧洞,有效地防止了 黄土的塌方。 1 流体力学发展历程 谰 玻 撑 予 国 租 境 王 啮 夕 蝇 寺 榆 头 癸 疡 撅 止 攀 踊 贵 刃 走 透 投 狠 舰 臣 茹 邓 奢 钠 第 1 章 绪 论 - 2 0 1 1 第 1 章 绪 论 - 2 0 1 1 24 在古代,以水为动力的简单机械也有了长足的发展 ,例如用水轮提水,或通过简单的机械传动去碾米、 磨面等。东汉杜诗任南阳太守时(公元37年)曾创造 水排(水力鼓风机),利用水力,通过传动机械,使 皮制鼓风囊连续开合,将空气送入冶金炉,较西欧约 早了一千一百年。 古代的铜壶滴漏(铜壶刻漏)-计时工具,就
18、是利 用孔口出流使铜壶的水位变化来计算时间的。说明当 时对孔口出流已有相当的认识。 北宋(960-1126)时期,在运河上修建的真州船 闸与十四世纪末荷兰的同类船闸相比,约早三百多年 。 1 流体力学发展历程 船 居 竿 鲸 靶 小 牟 境 酉 谩 遣 牧 袜 娠 忌 哨 镜 框 酱 焙 冶 蕊 辅 仙 进 漂 笛 续 龋 显 岩 钨 第 1 章 绪 论 - 2 0 1 1 第 1 章 绪 论 - 2 0 1 1 25 明朝的水利家潘季顺(1521-1595)提出了“ 筑堤防溢,建坝减水,以堤束水,以水攻沙” 和“借清刷黄”的治黄原则,并著有两河管见 、两河经略和河防一揽。 清朝雍正年间,何梦
19、瑶在算迪一书中 提出流量等于过水断面面积乘以断面平均流速 的计算方法。 1 流体力学发展历程 掖 式 邢 裔 碌 登 漆 掂 哟 媚 蚁 吗 克 航 劳 亮 溃 帧 牢 神 丑 锁 咳 决 荧 售 逼 湍 晚 月 拐 湖 第 1 章 绪 论 - 2 0 1 1 第 1 章 绪 论 - 2 0 1 1 26 欧美诸国历史上有记载 第一个贡献之人 阿基米德 物理浮力定 律和液体平 衡理论,公 元前250年 发表学术论 文论浮体 1 流体力学发展历程 坞 霸 坍 骨 擒 件 幸 曼 沉 澜 蓄 肌 回 黑 呛 纫 柔 敦 李 锋 曳 鼻 冲 频 进 霍 迭 耳 摸 弓 榆 丫 第 1 章 绪 论 -
20、 2 0 1 1 第 1 章 绪 论 - 2 0 1 1 27 达芬奇 水波、管流 、水力机械 、鸟的飞翔 原理等问题 . 系统地研究了物 体的沉浮、孔口 出流、物体的运 动阻力以及管道 、明渠中水流等 问题 1 流体力学发展历程 瓣 楷 爵 乒 多 磷 萧 灾 堡 狠 租 寇 拇 城 痞 曳 厘 谰 绞 姨 荆 退 咆 顿 翅 答 境 己 胯 劝 席 霜 第 1 章 绪 论 - 2 0 1 1 第 1 章 绪 论 - 2 0 1 1 28 帕斯卡 阐明了静止流 体中压力的概 念,提出了密闭 流体能传递压 强的原理-帕 斯卡原理. 1 流体力学发展历程 谐 乏 觅 肛 讽 稽 谤 厨 毕 紧
21、症 掖 凯 兆 厌 蚀 桔 衫 阔 滴 卵 试 月 菏 枢 到 央 奠 键 柿 瘦 蜗 第 1 章 绪 论 - 2 0 1 1 第 1 章 绪 论 - 2 0 1 1 29 牛顿 研究了在流体中运动的物体所受到的阻 力,得到阻力与流体密度、物体迎流截 面积以及运动速度的平方成正比的关系 。他针对粘性流体运动时的内摩擦力也 提出了牛顿粘性定律,为粘性流体力学初 步奠定了理论基础,并讨论了波浪运动 等问题。 1 流体力学发展历程 掸 膳 肩 碰 攫 辽 纠 讥 游 辕 泼 吭 蔑 吧 玛 许 委 匡 万 钓 档 正 句 窿 授 虏 唾 臻 栓 酝 桐 伦 第 1 章 绪 论 - 2 0 1 1 第
22、 1 章 绪 论 - 2 0 1 1 30 皮托 皮托管的应用 1 流体力学发展历程 壁 实 仗 饥 健 傲 疗 疯 溃 勿 桔 嘲 港 掇 洲 鼎 温 宙 驳 泊 妓 彦 秦 交 赢 层 节 浩 畔 准 嫁 贬 第 1 章 绪 论 - 2 0 1 1 第 1 章 绪 论 - 2 0 1 1 31 皮托管的应用 漾 签 了 滩 终 朋 下 芹 或 晤 翘 彤 痴 刚 哥 暂 蜡 虞 案 焉 留 烷 材 缺 阅 笆 佣 疵 甘 罪 巩 值 第 1 章 绪 论 - 2 0 1 1 第 1 章 绪 论 - 2 0 1 1 32 达朗贝尔 对运河中船只的阻力进行了许多实 验工作,证实了阻力同物体运动速
23、 度之间的平方关系 1 流体力学发展历程 术 密 蛮 趣 袄 裤 帖 充 榨 娠 吞 伪 币 乐 蝴 讣 砸 幢 狱 听 锡 涝 哑 使 竟 詹 沫 貌 到 区 磨 桅 第 1 章 绪 论 - 2 0 1 1 第 1 章 绪 论 - 2 0 1 1 33 欧拉 采用了连续介质的概 念,把静力学中压力 的概念推广到运动流 体中,建立了欧拉方 程,正确地用微分方 程组描述了无粘流体 的运动 1 流体力学发展历程 旦 喜 氧 邀 竭 叉 贝 睫 影 浮 雹 祥 兵 必 块 落 该 黎 忍 捞 聋 绎 茬 爹 佐 猜 验 爆 唬 钓 佣 普 第 1 章 绪 论 - 2 0 1 1 第 1 章 绪 论
24、- 2 0 1 1 34 伯努利 伯努利方程 欧拉方程和伯努 利方程的建立, 是流体动力学作 为一个分支学科 建立的标志。 1 流体力学发展历程 嘎 尼 现 鼻 顽 痞 耳 袒 烯 忍 酞 铀 浇 伦 佳 谴 考 摄 固 肚 虞 醛 耕 至 捡 搓 全 血 搂 轿 刺 车 第 1 章 绪 论 - 2 0 1 1 第 1 章 绪 论 - 2 0 1 1 35 法国拉格朗日对于无旋运动,德国 赫尔姆霍兹对于涡旋运动作了不少 研究 1 流体力学发展历程 堵 黍 件 怖 粘 屁 秒 姑 将 禾 侩 腔 掠 拱 催 忌 破 责 哗 本 嘘 讶 盆 柔 腰 叠 粉 忻 吓 狸 昔 富 第 1 章 绪 论
25、- 2 0 1 1 第 1 章 绪 论 - 2 0 1 1 36 粘性流体工程实际水力学的形成 纳维粘性流体的基本运动方程 斯托克斯 纳维-斯托克斯方程(N-S方程) 1 流体力学发展历程 赢 末 移 哺 躇 授 织 歪 栽 疆 木 锅 圃 馋 史 器 浦 徘 挂 猩 怎 愿 执 磊 叔 掖 屁 巫 载 目 及 丘 第 1 章 绪 论 - 2 0 1 1 第 1 章 绪 论 - 2 0 1 1 37 著名的学者谢才(A.de Chzy)在1755年便 总结出明渠均匀流公式-谢才公式,一直沿用 至今。 雷诺(O.Reynolds,1842-1912)1883年用实 验证实了粘性流体的两种流动状态
26、层流和 紊流的客观存在,找到了实验研究粘性流体流 动规律的相似准则数雷诺数,以及判别层 流和紊流的临界雷诺数,为流动阻力的研究奠 定了基础。 1 流体力学发展历程 挎 蹦 煽 疗 王 观 例 致 邓 葫 苛 疚 喧 霓 拔 存 鸡 曳 钉 拙 惶 罗 旬 而 莎 夫 攒 楼 菊 青 须 抗 第 1 章 绪 论 - 2 0 1 1 第 1 章 绪 论 - 2 0 1 1 38 瑞利(L.J.W.Reyleigh,1842-1919)在相似原理的基 础上,提出了实验研究的量纲分析法中的一种方法-瑞 利法。 库塔(M.W.Kutta,18671944)1902年就曾提出过 绕流物体上的升力理论,但没
27、有在通行的刊物上发表。 普朗特(L.Prandtl,18751953)建立了边界层理论 ,解释了阻力产生的机制。以后又针对航空技术和其他 工程技术中出现的紊流边界层,提出混合长度理论。 1918-1919年间,论述了大展弦比的有限翼展机翼理论, 对现代航空工业的发展作出了重要的贡献。 1 流体力学发展历程 闲 悸 翠 藩 瞒 述 毅 赊 献 梆 桓 朽 琼 屹 戮 南 泊 依 秧 绪 蜘 傀 终 掇 憎 臃 卧 钟 僳 暇 沿 僧 第 1 章 绪 论 - 2 0 1 1 第 1 章 绪 论 - 2 0 1 1 39 儒科夫斯基(.,18471921)从1906 年起,发表了论依附涡流等论文,找
28、到了翼型升 力和绕翼型的环流之间的关系,建立了二维升力理论 的数学基础。他还研究过螺旋桨的涡流理论以及低速 翼型和螺旋桨桨叶剖面等。他的研究成果,对空气动 力学的理论和实验研究都有重要贡献,为近代高效能 飞机设计奠定了基础。 卡门(T.von Krmn,1881-1963)在1911-1912年 连续发表的论文中,提出了分析带旋涡尾流及其所产 生的阻力的理论,人们称这种尾涡的排列为卡门涡街 。在1930年的论文中,提出了计算紊流粗糙管阻力系 数的理论公式。嗣后,在紊流边界层理论、超声速空 气动力学、火箭及喷气技术等方面都有不少贡献。 1 流体力学发展历程 腊 堰 呀 悬 为 哟 杨 蹋 纱 擞
29、 梁 萄 豪 实 毕 裁 赂 庆 萄 汹 傣 逻 淑 笋 早 受 元 态 量 姥 少 栈 第 1 章 绪 论 - 2 0 1 1 第 1 章 绪 论 - 2 0 1 1 40 布拉休斯(H.Blasius)在1913年发表的论文中,提出 了计算紊流光滑管阻力系数的经验公式。 伯金汉(E.Buckingham)在1914年发表的在物理 的相似系统中量纲方程应用的说明论文中,提出了著 名的定理,进一步完善了量纲分析法。 尼古拉兹(J.Nikuradze)在1933年发表的论文中,公 布了他对砂粒粗糙管内水流阻力系数的实测结果-尼古 拉兹曲线,据此他还给紊流光滑管和紊流粗糙管的理论 公式选定了应有的
30、系数。 1 流体力学发展历程 毙 钨 辊 棘 咖 烈 笑 研 伸 换 猩 铝 磐 九 唇 窒 植 砂 砖 散 猎 癸 什 寂 悯 茵 歼 沦 鼻 茶 坯 癌 第 1 章 绪 论 - 2 0 1 1 第 1 章 绪 论 - 2 0 1 1 41 布茹克(C.F.Colebrook)在1939年发 表的论文中,提出了把紊流光滑管区和紊 流粗糙管区联系在一起的过渡区阻力系数 计算公式。 莫迪(L.F.Moody)在1944年发表的论 文中,给出了他绘制的实用管道的当量糙 粒阻力系数图-莫迪图。至此,有压管流 的水力计算已渐趋成熟。 1 流体力学发展历程 殆 期 泪 脑 泛 押 奋 寺 蝶 源 连 方
31、 停 醋 彬 乱 暖 体 茹 蛛 烤 胜 胁 狼 题 茸 办 漱 凸 悠 迄 木 第 1 章 绪 论 - 2 0 1 1 第 1 章 绪 论 - 2 0 1 1 42 我国科学家的杰出代表钱学森(Qian Xuesen)早 在1938年发表的论文中,便提出了平板可压缩层流边 界层的解法-卡门-钱学森解法。他在空气动力学、航 空工程、喷气推进、工程控制论等技术科学领域做出 过许多开创性的贡献。 吴仲华(Wu Zhonghua)在1952年发表的在轴流 式、径流式和混流式亚声速和超声速叶轮机械中的三 元流普遍理论和在1975年发表的使用非正交曲线 坐标的叶轮机械三元流动的基本方程及其解法两篇 论文
32、中所建立的叶轮机械三元流理论,至今仍是国内 外许多优良叶轮机械设计计算的主要依据。 1 流体力学发展历程 芯 亭 扎 褪 撰 熏 怜 糜 茹 依 刽 匿 缅 琢 兄 甘 下 寡 聊 拈 直 囚 忠 刨 狭 向 潮 馋 息 疟 置 壬 第 1 章 绪 论 - 2 0 1 1 第 1 章 绪 论 - 2 0 1 1 43 周培源(Zhou Peiyuan)多年从事 紊流统计理论的研究,取得了不少成 果,1975年发表在中国科学上的 均匀各向同性湍流的涡旋结构的统 计理论便是其中之一。 1 流体力学发展历程 云 僵 喳 撤 珐 鲸 架 望 放 峭 狭 聚 豢 蜕 芽 腺 漂 自 杆 隧 涸 数 旋
33、券 鹤 渍 席 稍 便 县 惯 荔 第 1 章 绪 论 - 2 0 1 1 第 1 章 绪 论 - 2 0 1 1 44 20世纪40年代以后,由于喷气推进 和火箭技术的应用,飞行器速度超过声 速,进而实现了航天飞行,使气体高速 流动的研究进展迅速,形成了气体动力 学、物理-化学流体动力学等分支学科 1 流体力学发展历程 婚 寞 时 五 剃 父 四 薪 套 陡 酱 衅 纳 畔 施 曝 惦 摔 滤 锚 泄 誉 掌 疫 晕 愚 陌 浓 宅 啥 珊 糙 第 1 章 绪 论 - 2 0 1 1 第 1 章 绪 论 - 2 0 1 1 45 20世纪40年代,发展了爆炸波理论 。此后,流体力学又发展了许
34、多分支, 如高超声速空气动力学、超音速空气动 力学、稀薄空气动力学、电磁流体力学 、计算流体力学、两相(气液或气固)流 等等 1 流体力学发展历程 港 呆 碎 押 肠 璃 碱 芦 企 潜 各 滁 黑 沉 泄 略 泛 暇 积 赚 哨 扑 屯 维 室 淑 缩 兰 女 骚 讼 骂 第 1 章 绪 论 - 2 0 1 1 第 1 章 绪 论 - 2 0 1 1 46 50年代起,电子计 算机不断完善,使 原来用分析方法难 以进行研究的课题 ,可以用数值计算 方法来进行,出现 了计算流体力学这 一新的分支学科 1 流体力学发展历程 求 鹰 悲 阎 蕴 呢 杰 龟 邀 嘶 清 壹 倚 萎 决 怜 剁 茵
35、倾 诚 霜 训 宽 睁 羽 瑰 胁 柜 柏 费 酷 羹 第 1 章 绪 论 - 2 0 1 1 第 1 章 绪 论 - 2 0 1 1 47 20世纪60年代开始了用有限元方法研 究高速流的问题,也出现了有限元方法和 差分方法的互相渗透和融合。 从20世纪60年代起,流体力学开始和 其他学科的互相交叉渗透,形成新的交叉 学科或边缘学科,如物理-化学流体动力学 、磁流体力学等;原来基本上只是定性地 描述的问题,逐步得到定量的研究,生物 流变学就是一个例子。 1 流体力学发展历程 懊 霖 闻 腑 也 窍 愚 豫 岂 剐 算 禁 蘑 瑶 淖 础 羽 贰 玖 敌 嫂 役 儒 桌 睡 忠 龄 季 蓖 茬
36、 拼 然 第 1 章 绪 论 - 2 0 1 1 第 1 章 绪 论 - 2 0 1 1 48 2 流体力学的研究内容 流体介质 大气运动、海水运动(包括波浪、潮汐、中尺 度涡旋、环流等)乃至地球深处熔浆的流动都 是流体力学的研究内容。 匙 趣 脉 实 替 易 彦 倦 毕 济 茸 瓢 捏 尊 黄 质 秘 牛 殆 娱 面 秀 益 陆 椿 苔 愿 氏 疤 呢 贞 站 第 1 章 绪 论 - 2 0 1 1 第 1 章 绪 论 - 2 0 1 1 49 空气动力学和气体动力学飞行器 2 流体力学的研究内容 先 垂 妨 霜 扔 郁 勿 缄 类 晓 唆 哦 榨 稗 兰 砚 邢 丈 纱 撮 勤 旅 鹃 捅
37、 舵 豆 傍 甚 芋 籍 剑 司 第 1 章 绪 论 - 2 0 1 1 第 1 章 绪 论 - 2 0 1 1 50 2 流体力学的研究内容 渗流力学石油、天然气、地下水(多孔介质 中的运动) 顺 澈 泽 荡 啤 困 涟 野 碱 泥 簇 蓑 遥 盆 狱 林 债 睡 怂 汉 屈 烃 胖 落 鞍 蜒 拧 藩 拇 吏 侥 钾 第 1 章 绪 论 - 2 0 1 1 第 1 章 绪 论 - 2 0 1 1 51 2 流体力学的研究内容 燃烧与爆炸 秋 祷 娩 买 贫 朝 逾 郊 祁 武 调 兵 肿 饰 泵 盏 诗 棱 帘 辜 他 战 预 胳 椰 家 蓉 吝 铣 槛 昌 汛 第 1 章 绪 论 - 2
38、 0 1 1 第 1 章 绪 论 - 2 0 1 1 52 2 流体力学的研究内容 多相流体力学 沙漠迁移、河流泥沙运动、管道中煤粉 输送、化工中气体催化剂的运动 简 瞄 卉 雅 峭 安 宙 镑 抉 撒 逼 铅 淑 愿 揖 逛 垫 驻 攀 姆 圾 寨 乒 甩 菲 拼 诀 鄂 簧 骋 唾 呕 第 1 章 绪 论 - 2 0 1 1 第 1 章 绪 论 - 2 0 1 1 53 2 流体力学的研究内容 等离子体动力学和电磁流体力学 受控热核反应、磁流体发电、宇宙气体 运动 菇 卜 忘 亏 侥 色 檬 萌 拆 菜 危 酱 签 为 烬 泥 枯 怨 杆 汲 拜 隐 互 琉 锗 麦 浓 糯 逐 兽 负 屏
39、 第 1 章 绪 论 - 2 0 1 1 第 1 章 绪 论 - 2 0 1 1 54 2 流体力学的研究内容 环境流体力学 (其中包括环境空气动力 学、建筑空气动力学) 饮 田 牡 岗 膨 莲 堵 沼 树 哆 嫩 稻 粹 悸 限 足 惭 淳 截 煎 吗 竭 是 操 袁 缀 歹 蟹 衅 填 择 恤 第 1 章 绪 论 - 2 0 1 1 第 1 章 绪 论 - 2 0 1 1 55 2 流体力学的研究内容 生物流变学 血液在血管中的流动,心、肺、肾中 的生理流体运动和植物中营养液的输 送。此外,还研究鸟类在空中的飞翔 ,动物在水中的游动。 余 避 冠 阀 壬 膏 晃 抒 赦 拎 殊 砂 梭 鸣
40、 酉 匈 彼 宵 救 拷 征 肃 睡 至 汀 返 喇 贡 斌 樟 垂 帆 第 1 章 绪 论 - 2 0 1 1 第 1 章 绪 论 - 2 0 1 1 56 2 流体力学的研究内容 流体力学既包含自然科学的基础理论, 又涉及工程技术科学方面的应用。 从流体作用力的角度,则可分为流体静 力学、流体运动学和流体动力学; 从对不同“力学模型”的研究来分,则有理 想流体动力学、粘性流体动力学、不可压缩 流体动力学、可压缩流体动力学和非牛顿流 体力学等。 少 娠 酸 蕉 籍 玩 苞 略 辕 阁 钾 肤 纲 瘴 茫 愤 妥 勃 默 丧 竖 踊 课 订 琅 利 簿 悉 黎 泉 务 图 第 1 章 绪 论
41、- 2 0 1 1 第 1 章 绪 论 - 2 0 1 1 57 3 流体力学的研究方法 可以分为现场观测、实验室模拟、理论 分析、数值计算 1)现场观测 是对自然界固有的流动现象或已有工程的全 尺寸流动现象,利用各种仪器进行系统观测 ,从而总结出流体运动的规律,并借以预测 流动现象的演变 炸 吧 悦 膘 寞 该 琐 面 琉 畅 榷 热 息 绥 脑 豁 纲 骄 骆 筏 桔 脉 橙 较 后 述 芜 虽 秘 婶 思 畸 第 1 章 绪 论 - 2 0 1 1 第 1 章 绪 论 - 2 0 1 1 58 3 流体力学的研究方法 2)实验室模拟 流体力学离不开实验 实验室模拟可以对还没有出现的事物、
42、没有 发生的现象(如待设计的工程、机械等)进行 观察,使之得到改进。因此,实验室模拟是 研究流体力学的重要方法。 移 丢 潜 衡 胜 妄 吴 济 什 密 优 庇 再 洋 辰 睛 较 测 焊 元 塞 哄 糟 臻 汉 赶 羞 程 聚 俘 脚 嚷 第 1 章 绪 论 - 2 0 1 1 第 1 章 绪 论 - 2 0 1 1 59 3 流体力学的研究方法 3)理论分析 根据流体运动的普遍规律如质量守恒、 动量守恒、能量守恒等,利用数学分析 的手段,研究流体的运动,解释已知的 现象,预测可能发生的结果。 酸 驶 邵 瓷 慌 摈 到 瘸 师 软 瞅 惯 镭 杰 缠 蔚 觉 卜 策 递 蛾 溉 砂 鸡 褒
43、 己 坞 喉 笼 姚 晃 玖 第 1 章 绪 论 - 2 0 1 1 第 1 章 绪 论 - 2 0 1 1 60 3 流体力学的研究方法 理论分析的步骤 建立“力学模型” 针对流体运动的特点,用数学语言将 质量守恒、动量守恒、能量守恒等定律 表达出来,从而得到连续性方程、动量 方程和能量方程。 褥 品 耗 叠 拯 示 暑 惫 夯 颧 认 轮 煞 效 效 洁 莉 项 权 雄 牙 诫 碟 顿 遮 息 医 铜 峻 娶 僻 夫 第 1 章 绪 论 - 2 0 1 1 第 1 章 绪 论 - 2 0 1 1 61 3 流体力学的研究方法 求出方程组的解后,结合具体流动, 解释这些解的物理含义和流动机理
44、 理论结果同实验结果进行比较,以确 定所得解的准确程度和力学模型的适用 范围。 牲 与 贝 什 漫 够 哆 玲 吵 党 豪 蝎 颠 泌 玛 查 堤 栋 裁 奇 众 膨 菜 轴 器 彰 政 羌 蛾 陕 庭 提 第 1 章 绪 论 - 2 0 1 1 第 1 章 绪 论 - 2 0 1 1 62 3 流体力学的研究方法 4)数值计算 流体力学的基本方程组非常复杂 数学的发展,计算机的不断进步,以及流体 力学各种计算方法的发明,使许多原来无法 用理论分析求解的复杂流体力学问题有了求 得数值解的可能性,这又促进了流体力学计 算方法的发展,并形成了“计算流体力学”。 账 碘 煤 摄 膳 惯 销 贬 屉
45、苍 燕 询 因 赘 檀 蚌 玉 咱 己 芳 环 驼 硒 拇 望 戍 庄 压 叁 衍 好 着 第 1 章 绪 论 - 2 0 1 1 第 1 章 绪 论 - 2 0 1 1 63 3 流体力学的研究方法 数值模拟和实验模拟相互配合,使科学 技术的研究和工程设计的速度加快,并 节省开支。 解决流体力学问题时,现场观测、实验 室模拟、理论分析和数值计算几方面是 相辅相成的。 坷 矽 比 可 氰 黑 蘸 岿 倦 蔫 僻 藻 斑 熬 琳 镑 箍 啡 墩 房 贫 蕉 远 搅 囚 何 训 医 坤 悦 困 驻 第 1 章 绪 论 - 2 0 1 1 第 1 章 绪 论 - 2 0 1 1 64 4 流体力学的
46、展望 1)进行流体力学应用性的研究; 2)更深入地开展基础研究以探求流体的复杂 流动规律和机理; 通过湍流的理论和实验研究,了解其结构并 建立计算模式;多相流动;流体和结构物的 相互作用;边界层流动和分离;生物化学和 环境流体流动等问题;有关各种实验设备和 仪器等。 屠 沮 除 响 瘸 房 提 殃 竭 陶 灰 常 麦 赚 深 孕 菇 弥 忆 冠 刺 愚 庇 清 腑 辩 缴 偷 豪 档 综 蛾 第 1 章 绪 论 - 2 0 1 1 第 1 章 绪 论 - 2 0 1 1 65 二、流体力学的研究对象 流体 会 橙 父 在 阔 嘛 扇 左 还 孕 习 鹅 乒 加 牵 伤 华 苛 涟 批 溉 椒
47、遵 骑 酱 珍 瓦 撰 呕 银 张 蹦 第 1 章 绪 论 - 2 0 1 1 第 1 章 绪 论 - 2 0 1 1 66 (一)流体的定义 流动的物质,液体和气体,统称为流体。 n 水和空气、天然气、煤制气等 n 单相流 n 两相流 摸 旁 陛 矛 旺 幻 婿 艳 送 访 傣 誊 垂 斜 假 帮 葵 锡 荆 镶 挽 祖 扣 慧 链 固 愤 恢 击 岭 丫 协 第 1 章 绪 论 - 2 0 1 1 第 1 章 绪 论 - 2 0 1 1 67 体积形状运动方式受力特点 固体有有平动、转动塑性体 弹性体 液体有无平动、转动 、变形运动 不易被压缩, 有表面张力特性 气体无无平动、转动 、变形
48、运动 易于被压缩, 无表面张力特性 表1.1 固体、液体和气体的不同点 注:塑性体在一定力的作用下,将产生永久变形 弹性体的变形可立即消失 在表面张力的作用下,液体有自由表面,具有界面现象 帐 醉 娥 秽 讼 杉 征 雇 植 酞 驹 射 瞬 耸 恰 胰 嘴 样 墒 沦 灾 香 饼 擅 庶 演 卿 吓 泻 伏 娥 翅 第 1 章 绪 论 - 2 0 1 1 第 1 章 绪 论 - 2 0 1 1 68 易流动性 (二)流体的基本特性 连续性 流体可以被无限分割为具有均布质量的宏观 微元体。这个微元体在宏观上无限小,微观上无 限大,满足数学统计平均量,具有宏观属性。 流体在静止状态下,一旦受到剪切
49、力或拉 力的作用,无论受力多麽小,其静止状态即会 发生改变,呈现流动状态。 傻 绩 尘 蜒 态 冯 矽 蒜 爬 腺 兜 鸦 菜 得 合 璃 漏 稠 酥 宦 稻 酝 琵 闰 峭 令 蚕 那 浚 败 短 苟 第 1 章 绪 论 - 2 0 1 1 第 1 章 绪 论 - 2 0 1 1 69 三、日常流体力学现象: 1、认识大气压 2、表面张力现象 3、竹蜻蜓 4、千斤顶 5、潜水艇 6、烟囱 7、超音速飞机 8、流体输送 尸 监 因 胞 比 埋 悸 通 押 想 槽 作 青 赁 妻 愤 册 锨 戍 颁 峦 限 稗 矗 击 硝 颂 伐 盗 巢 撩 科 第 1 章 绪 论 - 2 0 1 1 第 1 章 绪 论 - 2 0 1 1 70 1643年意大利科学家托里拆利实验证实大气压 760mm汞柱; 1654年德国人奥托.格里克进行了马德堡实验。 轨 羡 评 吏 害 阶 牙 主 破 枯 壹 字 溺 豢 秧 华 衬 炼 椅 蛮 啮 溶 蒂 鸽 勘 去 卒 霹 胁 错 博 碧 第 1 章 绪 论 - 2 0 1 1 第 1 章 绪 论 - 2 0 1 1 71
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