流体力学-绪论.ppt

1、Fluid Mechanics,你所知道但不了解的,流体和,流体力学,前言,流体概念和本质特征,流体力学及其应用,流体力学发展简史和特点,流体力学的研究方法,流体力学与土木工程,工程问题对流体力学的要求,学习本课程的要求,什么是流体（Fluids）？,就是易于流动的物体，包括但不限于气体和液体。有经典流体和广义流体之分。,牛顿流体：空气、水、油、酒精、水银；,经典流体,广义流体,雾霾=雾+霾：(高度分散和多相),雾霾气态污染物SO2、NOX；可吸入颗粒物(PM10,PM2.5)；遇到水汽,雾大量悬浮在近地面空气中的微小水滴或冰晶组成的气溶胶,霾空气中的灰尘、硫酸、硝酸、有机碳氢化合物等非水成物

2、粒子 组成的气溶胶,生物流体：血液、淋巴液、囊液；,广义流体,非牛顿流体：凝胶、牙膏、油脂、沥青；泥浆、纸浆、水煤浆、泥石流；番茄汁、淀粉液、蛋清、土豆浆、浓糖水；乳化液、油漆、油墨；,多相流体；化学流体；稀薄气体；交通流动；,电磁流体：磁流变液体MRF、电流变液体ERF(Magnetorheological Fluids、Electrorheological Fluids),广义流体,T1000型科幻机器人液态金属肤液固态转换,是一种在电场或磁场里可发生状态变化的物质,流体的本质特征是什么？,易流动性不能承受拉力；平衡状态下不能承受剪切力，任何微小剪切力都会使流体连续变形、平衡破坏、产生流动

3、。,夫兵形象水，水之形避高而趋下，兵之形避实而击虚。水因地而制流，兵因敌而制胜。故“兵无常势，水无常形”。,无边落木萧萧下，不尽长江滚滚来,君不见黄河之水天上来，奔流到海不复回,易流动性无形和有形,流体质点就是流体中宏观尺寸非常小而微观尺寸又足够大的任意一个物理实体。,如何描述流体的易流动性？,连续介质流体质点系，物质连续地无间隙地分布于它所占有的整个空间，连续介质由连续分布的质点组成。是研究流体宏观运动的抽象模型。,！举杯消愁愁更愁 抽刀断水水更流,在连续介质中，流体质点的一切物理量都是坐标与时间（x,y,z,t）变量的单值、连续、可微函数，从而形成各种物理量的标量场和矢量场（也称为流场），

4、故可以运用连续函数和场论等数学工具进行研究。,注意：连续介质完全是在宏观意义下的概念；连续介质有应用范围的限制。,红血球直径810-4cm动脉直径0.5cm微血管直径10-4cm量阶,其中为连续介质流体,其中为非连续介质流体,恒星在银河系半径41022cm恒星间距41018cm高空、外层空间的稀薄气体,银河系为连续介质流体,其中为非连续介质流体,易于流动的物体，包括但不限于气体和液体 有经典流体和广义流体之分。,易流动性不能承受拉力；平衡状态下不能承受剪切力，否则产生变形与流动。,流体质点流体中宏观尺寸非常小而微观尺寸又足够大的任意一个物理实体。,连续介质流体质点系，物质连续地无间隙地分布于它

5、所占有的整个空间，连续介质由连续分布的质点组成。是研究流体宏观运动的抽象模型。,流体（Fluids）是：,一点上的流体密度（density）一点上的流体重度（specific weight）一点上的流体比体积或比容（specific volume）,惯性密度,基本物理属性,密度、重度、比容、比重,流体的密度与哪些因素有关？,流体的种类,压强和温度,组成成份,空间位置,举例：大气和海水,15km,6km,比重（specific gravity）,密度、重度、比容、比重,物体的重量与同体积的 蒸馏水的重量之比。以下标w代表 蒸馏水的相应物理量，则比重：,蒸馏水的比重为1，在SI制中蒸馏水的密度蒸馏

6、水的重度蒸馏水的比体积,密度、重度、比体积与流体比重的关系,记住：293K即，空气密度 标准大气压,什么是流体力学？难学否？,就是研究流体的平衡和运动规律的科学。,静力学；,运动学；,动力学；,受力平衡方程,质量守恒定律惯性定律（牛顿第一定律）,动量定理（牛顿第二、三定律）动量矩定理能量守恒定理,特殊规律；,理想流体的欧拉方程,运动及其描述方程,平衡微分方程,质量守恒方程,实际流体的N-S方程,动量和动量矩方程,流体力学的应用,土木与建筑,交通运输,20世纪以来工程技术的标志性成就,其中哪些是与流体力学的发展密切相关的？,20世纪以来工程技术的标志性成就,20世纪工程技术的标志性成就,单跨近2

7、000m的桥梁，抗震型超高层建筑；,单台功率达100万千瓦量级的发电机组；,（与流体力学的发展密切相关）,；,巨型水利枢纽（如长江三峡工程），大型海上采油平台；,超音速飞机；大型飞机，可载400500人的喷气式客机；载人太空航天技术；,时速达300500km的高速列车；,俄展示世界第一艘太空旅游飞船C-XXI号的模型可载两名游客到101公里的高空亚轨道飞行观光,J10战机 飞行表演,核潜艇,航天飞机,高速列车,生活中的流体力学,生活中的流体力学,流体力学发展简史,现代理论,近代理论,经典理论,经验知识,深淘滩，低作堰月晕而风，础润而雨铜壶滴漏（计时器）都江堰，水渠和水车阿基米德定律帕斯卡定律,

8、古典力学（重理论）：欧拉方程、伯努利方程、动量方程、动量矩方程、N-S方程、势流理论；水力学（重实验）：雷诺实验；达西公式；水洞和风洞；量纲分析与相似原理,机翼升力理论边界层理论可压缩流体理论高速空气动力学计算流体力学,稀薄气体动力学电磁流体力学多相流体力学生物流体力学非牛顿流体非线性系统问题计算流体力学,公元前2280年中国大禹治水,公元前3世纪古希腊阿基米德发现了浮力定律；同一时期（中国战国时代）李冰父子建造了四川都江堰水利工程。,浙江绍兴大禹陵,Archimedes 李冰父子,18世纪随着牛顿运动定律和微积分方法的建立，流体力学迈入了理性化的发展阶段。,丹伯努利（Daniel Berno

9、ull,1700-1782）瑞士科学家，曾在俄国彼得堡科学院任教，他在流体力学、空气动力学等方面都有重大贡献，是理论流体力学的创始人之一。,欧拉（Leonhard Euler，1707-1783）：瑞士数学家、天文学家、物理学家，理论流体力学的创始人之一。,拉格朗日（J-L.Lagrange，17361813），意大利数学家。理论流体力学的创始人之一,普朗特（L.Prandtl，18751953）,德国力学家，现代流体力学的创始人之一。,雷诺（O.Reynolds，18421912，爱尔兰）。他是一位杰出的实验科学家,于1883年发表了一篇经典性论文决定水流为直线或曲线运动的条件以及在平行水槽

10、中的阻力定律的探讨,卡门（V.Karman，18811963）美国著名空气动力学家。1881年5月11日出生于匈牙利布达佩斯。1908年在德国格丁根大学获得博士学位。曾是L.普朗特的助手。,周培源(19021993)江苏宜兴人，在流体力学湍流基础理论方面做出重要贡献。,钱学森（1911）杭州人，1911年生，著名空气动力学家、火箭技术专家。,后继有人。,？,实际对象自然界和工程技术中的复杂 介质和系统,流体力学发展的特点,专门学科粘性流体力学，空气动力学，气动热力学，热化学流体力学，电磁流体力学，稀薄气体动力学，物理力学；紊流理论，孤立波，混沌；,研究手段分析+实验流体力学+计算流体力学,流体

11、力学的研究方法,实验方法 实验流体力学,分析方法 数学物理模型,数值方法 计算流体力学,根据理论分析与实验观测拟定计算方案编制程序计算、比较可得到数值解无完善数学模型则无能为力,概括相似的实验模型观察现象、测定数据推测实际结果直接解决复杂问题发现新问题新原理普适性较差,分析问题、提出假设抽象出理论模型检验简化模型的合理性明确各参数之间的变化关系普适性好数学上困难大,流体力学与土木工程,风振形式：颤振和涡振（自激振动）+抖振（强迫振动）,塔科马峡谷大桥：主跨853米，遇难时8级风20m/s，桥面倾斜45度，后折断,1982年，美国纽约：玛莎被风刮倒案,1942年，“玛丽皇后”与“寇拉沙阿”相撞案

12、,典型案例,洲头嘴隧道,流体力学与土木工程,膜壳建筑,三、流固耦合问题,大跨度桥梁和高层建筑；,通风、排烟、空调、净化；给排水；,四、建筑内的环境控制问题,日本OSAKA国际机场登机口室内流动模拟,流体力学与土木工程,通风、排烟、空调、净化；给排水；,四、建筑内的环境控制问题,流体力学与土木工程,计算流体力学,奔驰E级轿车外流模拟(压力分布),牛顿、非牛顿流体稳态、非稳态层流、湍流可压、不可压流动拉格朗日、欧拉多相流燃烧、辐射、传热、传质及化学反应自由表面模拟及空化汽油机和柴油机的 燃烧化学反应计算,流动的计算机模拟,地铁站台流场模拟,室内火灾CFD模拟,车站通风系统的风道及其进出口,车站通风

13、系统侧风机沿风道的速度场,风机叶片动弹性流固耦合,风机全压分布图,尾流矢量图,轮毂压力分布图,叶片气动压力,叶片变形,高速列车数值模拟,计算结果速度场,计算结果速度场,高速列车数值模拟,上述工程问题对流体力学的要求,一、紊流及转捩世界世纪难题，模型不完善；许多紊流问题不能通过N-S方程计算，无普适理论；即使是不可压缩流体，仍不能完全依靠理论预测转捩；可压缩流体转捩问题的研究则更加不足。,二、流固耦合在特大跨度桥的气动参数识别、非线性风振理论、风洞模拟实验和数值分析等方面有待更深入的基础研究和应用研究。,三、旋涡和分离定常流的旋涡和分离基本清楚，但非定常流的要复杂得多，至今没有一个公认的分离判据

14、，对分离的控制和利用仍十分有限。这点对现代和未来战机非常重要,四、非定常流鸟类和昆虫的飞行、鱼类的游动绝大多数都伴随非定常流。它们由此所具有的卓越飞行或游动性能，是人类至今也未做到的。而基于飞行和游动方面的理论研究还十分不足。国外则略好一些。,五、非线性系统已经发现孤立波和混沌现象；但对非线性科学和复杂系统的科学研究还处于初级阶段；离建立理论差得更远。而流体运动本身就是高度非线性和复杂的系统。,六、计算流体力学是科学发展史上最重要的进展之一。可求解可压缩N-S方程，数值模拟飞行器超声速、高超声速粘性绕流复杂流场；对环境和气候预测、紊流研究产生重大作用。但仍然存在计算模型和计算方法方面的问题。,

15、七、实验流体力学风洞技术仍然是举足轻重的实验手段。,（风能+太阳能）+（机翼+喷气发动机+地面效应）离地1550cm,飞行式气垫列车,无污染、节能、安全、高速、低噪声,未来幻想一例,1、美国两栖飞机,2、澳大利亚两栖飞机,上：空气中的机翼上下压力分布,下：离地较近的机翼上下压力分布,前苏联：重540吨，8个发动机，时速500公里，巨型水空两用飞机,气动外形；,地面流场；,在隧道内的阻力；,车内空气调节；,压力和噪声控制；,气动噪声；,管道输送涉及的空气动力学问题,可压缩流体问题,本课程研究哪一类流体？本课程学习什么内容？,经典流体气体和液体中的牛顿流体,经典流体力学流体平衡和机械运动规律,计算

16、流体力学初步,流体力学实验,学习本课程时要注意的问题,流体与固体性质的区别和联系,数学基础级数、微积分、微分方程、偏微分方程；微元法、控制体法；,力学基础大学物理和理论力学所描述的宏观力学规律；,流体力学与理论力学的对比,注意观察身边的流体力学问题,注意身边的流体力学问题?,1、在游自由泳时，下肢怎样获得动力？鱼呢？,2、帆船怎样逆风行使？,3、为什么风筝要打“棒头”或“提线”？停留在空中的风筝的受力情况如何？,4、为什么乒乓球的表面与高尔夫球的表面不同？,5、直升飞机的尾旋翼有什么作用？直升飞机为什么 能水平飞行？直升飞机旋翼的角度是否需要可变？为什么？,6、为什么轮船的头部要造成球形？,身

17、边的流体力学问题,7、不打开鸡蛋，怎样判断生鸡蛋和熟鸡蛋？,8、下水管的水封（水塞子）有什么作用？,9、自来水是怎样“自来”的？,10、避免矿井里发生瓦斯爆炸的主要措施是什么？,11、葛洲坝的船闸如何让船只通行？,12、高速列车的车头形状和普通列车的车头形状为何 不同？,注意教学日历的教学计划，心中有数,按有效数字规则计算物理量单位准确无误绘图规范，意义明确必须有解题过程，逻辑过程严密作业和答卷整洁清晰鼓励计算机答题，例如用Excel软件解题，用CAD软件绘图提倡提问和讨论,学习本课程的要求,作 业：按时按量完成和上交，用统一的 稿纸，成绩按5分制，每次记录；实验报告：在考试之前完成和上交；闭卷考试：难度与作业题和讲课例题相当；成绩评定：期末期中考试占70%，听课和作业 占15%，实验占15%；,参考教材,流体力学 周光炯 严宗毅 等编著流体力学 张也影 编著流体力学与流体机械 屠大燕 编著,祝同学们学有所得！,作业：举出身边的与流体及流体力学有关的六个例子，简单谈下看法,