流體的力學(xué)性質(zhì)

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1、單擊此處編輯母版標題樣式,單擊此處編輯母版文本樣式,第二級,第三級,第四級,第五級,*,工程流體力學(xué),課程基本情況,學(xué)時學(xué)分：,32,學(xué)時，,2,學(xué)分,課程性質(zhì)：,專業(yè)基礎(chǔ)課,先修課程：,高等數(shù)學(xué)、大學(xué)物理、理論力學(xué),課程教材：,工程流體力學(xué),(,第,2,版,),黃衛(wèi)星等編，化學(xué)工業(yè)出版社,.,參考書：,普朗特流體力學(xué)基礎(chǔ), H.,Oertel,著，朱自強等譯，科學(xué)出版社，,2011.,流體力學(xué)及其工程應(yīng)用,，,E.J.Finnemore,著，錢翼稷,(,j,),等譯，,機械工業(yè)出版社，,2009.,粘性流體動力學(xué),，陳矛章編，高等教育出版社，,2002,化工流體力學(xué),，戴干策 陳敏恒編，化學(xué)

2、工業(yè)出版社，,2005,馮,卡門傳,，馮,卡門著，曹開誠譯，,上?？茖W(xué)技術(shù)出版社。,流體力學(xué),課程,的主要任務(wù)：,研究流體與物體之間的相互作用以及流體在靜止或運動時所遵循的基本規(guī)律。,“,工程,”“,流體力學(xué),”,課程的特點,:,1.,專業(yè)基礎(chǔ)課由,基礎(chǔ),向,專業(yè),過渡的一門課程；,2.,是工科學(xué)生必須具備的一門基礎(chǔ)知識；,3.,“,工程,”“,流體力學(xué),”,流體力學(xué),嚴格的基礎(chǔ)理論,【,物理,力學(xué),流體力學(xué),】,+),工程,的作風(fēng)做法,【,近似、簡化、工程誤差要求,】,流體力學(xué),留級力學(xué),？,流體力學(xué)在工程中的應(yīng)用,(,為什么要學(xué),),大雁的飛行團隊,人類在空氣、水中的運動,鳥類飛行,船舶的

3、設(shè)計,:,浮力定理與浮體穩(wěn)定性,.,大型潛艇的艦體設(shè)計與推進系統(tǒng)更是離不開流體力學(xué)知識。,美國高超音速樣機,火箭導(dǎo)彈發(fā)射,航空,/,航海,/,國防,水利工程,1993,年青海溝后水庫垮壩,1993,年,8,月,27,日夜間，庫容為,330,萬立方米的青海省海南藏族自治州溝后水庫在庫水位低于設(shè)計水位,0.75,米的情況下突然垮壩失事，造成,288,人死亡，,40,人失蹤,直接經(jīng)濟損失,1.53,億元,.,水利部專家組調(diào)查認定，溝后水庫在設(shè)計上有缺陷，施工中又存在嚴重的質(zhì)量問題，運行管理工作薄弱。,箱型,甲殼蟲,船型,魚型,楔型,未來型,地面交通工具,汽車的外形設(shè)計從最早期的箱型逐漸向今天的流線型

4、過渡，反映了空氣動力特性對汽車性能的影響。,大氣、海洋運動,可怕的龍卷風(fēng)（,tornado),對大氣運動、海洋環(huán)流運動及其相互作用的掌握對氣候災(zāi)害預(yù)報與控制、農(nóng)業(yè)、漁業(yè)、航空航海等有積極意義。,流體機械和動力機械,風(fēng)力機,風(fēng)扇,渦輪噴氣發(fā)動機,PDC,鉆頭,石油、化工,能源的開采、輸運、冶煉各環(huán)節(jié)均離不開流體力學(xué)知識。,建筑安全和環(huán)境,世貿(mào)大廈和上海環(huán)球金融大廈,超高層建筑，大跨度橋梁等的設(shè)計和建造離不開風(fēng)工程。,楊浦大橋,流體力學(xué)問題在自然界和一般的工程技術(shù)中隨處可見，廣泛應(yīng)用于,水利、機械、動力、化工、石油、土建、航空、航海、氣象、環(huán)境,等工程技術(shù)中，是一門十分有用的知識。,“,萬物皆流、

5、萬物皆變,”,，要更好地認識世界，必須學(xué)習(xí)流體力學(xué)！,總結(jié),流體力學(xué)的發(fā)展簡介,萌芽期（,17,世紀中葉以前）,特點：生產(chǎn)實踐活動是發(fā)展動力、經(jīng)驗積累為主,大禹治水,/,李冰父子設(shè)計建造的,都江堰,船,/,帆船,魯班：會飛的木鳶,(,讀,yun,),沙漏計時,阿基米德定律,大禹治水圖,古箭,阿基米德,快速發(fā)展期（,17,世紀后半葉,-19,世紀）,特點：理論和實驗研究方法建立、,形成流體動力學(xué)、水力學(xué)兩分支,主要代表人物,:,1650,年帕斯卡,帕斯卡原理,1686,年牛頓,牛頓內(nèi)摩擦定律,1738,年伯努利,伯努利方程,1775,年歐拉,理想流體的運動方程,1883,年雷諾,雷諾實驗,182

6、3,年 納維、斯托克斯,粘性流體的運動方程,成熟發(fā)展期（,20,世紀初,20,世紀中葉）,粘性流體力學(xué)得到相當發(fā)展，航空航天技術(shù)驚人發(fā)展，人類的飛行夢實現(xiàn)。,代表人物：,庫塔,M.W.Kutta,，,1867,1944,德國,儒科夫斯基（,1847,1921,）（俄國）,普朗特（,L.Prandtl,，,1875,1953,）,(,德國,),馮,.,卡門（,T.von K,rm,n,，,1881-1963,）（美籍匈牙利）,20,世紀中葉以后,廣泛的學(xué)科交叉,與新分支：,計算流體力學(xué)、實驗流體力學(xué)、可壓縮氣體力學(xué)、環(huán)境流體力學(xué)、稀薄氣體動力學(xué)、微尺度流體力學(xué)、磁流體力學(xué)、非牛頓流體力學(xué)、生物流

7、體力學(xué)、多相流體力學(xué)、物理,-,化學(xué)流體力學(xué)、流體機械流體力學(xué),難點問題,：,湍流、流動穩(wěn)定性、非定常流,流體力學(xué)在中國,周培源（,1902,1993),錢學(xué)森,（,1911,2009,）,陸士嘉（,1911,1986,）,吳仲華（,1917,1992,）,流體力學(xué)的研究方法,理論分析,力學(xué)模型流體力學(xué)基本方程求解分析,實驗研究：實驗流體力學(xué),相似原理實驗?zāi)Ｐ蛯嶒灧治?數(shù)值模擬：計算流體力學(xué),（,Computational Fluid Dynamics, CFD,）,全課,程,分章目,錄,流體的力學(xué)性質(zhì),流體流動的基本概念,流體靜力學(xué),流體流動的守恒原理,不可壓縮流體的一維層流流動,流體流動微

8、分方程,不可壓理想流體平面流（合并到,2,）,管內(nèi)流體流動,(,書上第,9,章,),流體繞物流動,(,部份合并到,8),流體力學(xué)的實驗研究方法,(,書上第,8,章,),流體流動的數(shù)值模擬,(CFD),基本概念,基本原理 及,分析方法,實驗方法,數(shù)值模擬,本科生,工程流體力學(xué),課程的主要內(nèi)容,課程考核與成績計算方法：,平時作業(yè) 課堂,(,點名、提問,), 結(jié)束考試,流體力學(xué),留級力學(xué),？,第一章 流體的力學(xué)性質(zhì),1.1,流體、流體質(zhì)點、連續(xù)介質(zhì)假設(shè),1.2,流體的主要物理性質(zhì),流體的流動性,流體的可壓縮性,流體的粘滯性,作用在流體上的力,1.3,牛頓流體與非牛頓流體,1.1,流體、流體質(zhì)點、連續(xù)

9、介質(zhì)假設(shè),一、流體：,液體和氣體的總稱。,流體是相對固體而言的。,無固定的形狀,:,分子間距離大，吸引力小 （對比固體？）,“,水可方可圓，能環(huán)山襄陵；風(fēng)無形無體，卻能拔屋倒樹,”,能承受壓力，但不能承受拉力,易流動性：,剪切力,是流體流動的充分且必要的條件,力學(xué)中,“,流體,”,的定義：,在任何微小,剪切力,(shear force),的作用下都能夠發(fā)生連續(xù)變形的物質(zhì)稱為流體。,流體的基本特點,:,固體可以承受一定的剪切力而不至于宏觀變形；,但流體不能。不管剪切力多大（多?。黧w都會發(fā)生宏觀運動：旋渦,（將進一步說明）。,“流體經(jīng)不起搓，一搓就搓起了渦”,陸士嘉（,1911,1986,）,

10、著名流體力學(xué)家、力學(xué)教育家。北京航空學(xué)院的籌建者之一，創(chuàng)辦了我國第一個空氣動力學(xué)專業(yè)。,二、流體質(zhì)點及連續(xù)介質(zhì)假設(shè),從微觀角度看：流體分子之間存在空隙，流體物理量的分布在空間和時間上都是不連續(xù)的。,但宏觀尺度看，即使是很小的體積中，包含的分子數(shù)目也是十分巨大的。例如標準狀態(tài)下,，,體積為,d,V,=10,-9,mm,3,的空氣，分子數(shù)目：,3x10,7,。,流體力學(xué)中，感興趣的是流體的宏觀特性，即有,連續(xù)介質(zhì)假設(shè),的提出。,流體的連續(xù)介質(zhì)（,Continuum,）假設(shè),將流體看成由無限多個流體質(zhì)點所組成的,密集,而,無間隙,的,連續(xù)介質(zhì),。,流體質(zhì)點：,不呈現(xiàn)流體個別分子無規(guī)則運動的最小部分所

11、包含的大量分子的組合。,Fluid particle,流體質(zhì)點,流體質(zhì)點：微觀上足夠大、宏觀上足夠小、具有一定體積的,流體微團,，各參數(shù)的統(tǒng)計平均特性即為流體的宏觀特性。,連續(xù)介質(zhì)模型的數(shù)學(xué)表達式：,流體密度是物性參數(shù),某種,流體的密度主要與,溫度,T,和,壓強,p,有關(guān)，,即,=,（,p,T),混合氣體的密度,式中：,1,，,2,，,n,各組分氣體的密度,1,，,2,，,n,各組分氣體所占,的體積百分數(shù),采用連續(xù)介質(zhì)假設(shè)的好處,無需關(guān)心分子的微觀運動,流場參數(shù)為空間坐標的連續(xù)函數(shù),連,續(xù)介質(zhì)假設(shè)的,合理性,失效狀態(tài),外太空氣體十分稀薄,激波,微尺度流動（,MEMS-,微機電系統(tǒng)）,教科書,P

12、2,提,“,連續(xù)介質(zhì)模型,”,有,3,條要點，其實歸結(jié)為只有一個要點：,假設(shè)流體的任一物理參數(shù),（密度、壓力、速度、溫度等等），都是空間坐標和時間的連續(xù)可導(dǎo)函數(shù)，,=,(x, y, z, t),1.2.1,流體的易流動性,（如前所述）,1.2,流體的力學(xué)性質(zhì),1.2.2,流體的可壓縮性 （,Compressibility,）,體積壓縮系數(shù)：,一定溫度下單位壓力變化引起的體積的,相對收縮,。,體積彈性模數(shù),:,單位體積的相對變化所需要的,壓力增量,.,恒為正，單位：,1/Pa, m,2,/N,p,越大可壓縮性越大。,恒為正，單位與壓力相同：,Pa,E,V,越大可壓縮性越小。,和流體密度相似，,p

13、,和,E,V,也都是,物性參數(shù),。,液體和氣體的可壓縮性顯著不同：,例：,20,和標準大氣壓下水,E,V,210,9,Pa,求當壓力增大,1atm,（,1.01310,5,Pa,）時體積減小率為多少？,氣體的壓縮性與壓縮的熱力學(xué)過程有關(guān),，受具體過程參數(shù)的影響也較大，但整體上壓縮性表現(xiàn)較易于壓縮。,空氣,E,V, 10,5,N/m,2,例：,理想氣體,液體的可壓縮很小,，是難于壓縮的流體，而且其可壓縮性（,p,或,E,V,）受溫度和壓力的影響也相對較小。,可壓縮流體與不可壓縮流體,嚴格地說，絕對不可壓縮流體是不存在的,;,真實的流體都是可壓縮的。,當,p,引起的,很小時，可認為此時流體為不可壓

14、：,const,E,V,流體是否是可壓縮，判斷的主要依據(jù)是：可壓縮性對流體流動影響的大小。,水通常為不可壓，但水中爆炸、水擊（水錘）是可壓；,空氣通常被認為可壓，但流速,內(nèi)聚力,液面上升,附著力,內(nèi)聚力,液面下降,毛細現(xiàn)象,:,液體在細管中能,上升,或,下降,的現(xiàn)象,.,h,的影響因素,：液體種類，管徑、管子材料，液面上流體種類及溫度,注意,：工程中通常忽略毛細現(xiàn)象，但細管測量不可忽略,管內(nèi)液柱高,h:,液柱所受表面,張,力的,總和與,液柱的重量,靜,力平衡,求蜻蜓的體重,Cross-sectionof bug leg,q,設(shè),:,s,= 7.3x10-2 N/m,q,= 25,共有六條腿、每

15、條腿與水面接觸長度為,5mm.,拉普拉斯公式,(,見,P8,）,彎曲液面附加的壓力差,1.3,牛頓流體與非牛頓流體,牛頓流體：,切應(yīng)力與速度梯度之間呈,線性關(guān)系,，即動力黏性系數(shù),為流體的,物性參數(shù),（通常只與,流體種類,、,溫度,、,壓力,有關(guān)，對一定種類的流體，,隨溫度和壓力的變化很小，可近似認為是常數(shù)）。,非牛頓流體：,切應(yīng)力與速度梯度之間是,非線性關(guān)系,，即使寫成一次關(guān)系式的形式，,也,不是物性參數(shù)而是,du/dy,的函數(shù),。這時切應(yīng)力與,du/dy,的比值稱作,表觀粘度,(apparent viscosity),，,記作,，單位與黏性系數(shù)相同,。,非牛頓流體的類型很多（工程中最廣泛的是冪率流體），非常復(fù)雜，本課程不詳細研究非牛頓流體。,作業(yè)：,P11-12,1-2, 1-5,廣義牛頓切應(yīng)力公式：,牛頓流體,非牛頓流體,本課小結(jié),