流体力学大学讲演

流体力学 Fluid Mechanics1 绪论(Introduction)What is fluid mechanics all about?Why do I have to study it?Why should I want study it?How does it relate to subject areas with which I am already familiar?21 绪论主要内容1.1 流体运动与流体力学1.2 本门课程的学习目标1.3 流体力学的研究对象、任务、方法和范围1.4 连续介质假设1.5 流体特性及分类1.6 作用在流体上的力31 绪论1.1 流体运动与流体力学41 绪论人类的祖先在海洋里生活了40亿年。51.1 流体运动与流体力学人类在空气里也生活了700万年。61.1 流体运动与流体力学虽然生活在流体环境中，人们对一些流体运 动却缺乏认识，比如：1.高尔夫球：表面光滑还是粗糙？2.汽车阻力：来自前部还是后部？3.机翼升力：来自下部还是上部？71.1 流体运动与流体力学高尔夫球运动起源于15世纪的苏格兰。81.1 流体运动与流体力学起初，人们认为表面光滑的球飞行阻力小，因此当 时用皮革制球。最早的高尔夫球(皮革已龟裂)91.1 流体运动与流体力学后来发现表面有很多划痕的旧球反而飞得更远。该 谜直到20世纪建立流体力学边界层理论后才解开。101.1 流体运动与流体力学后来发现表面有很多划痕的旧球反而飞得更远。该 谜直到20世纪建立流体力学边界层理论后才解开。光滑的球表面有凹坑的球111.1 流体运动与流体力学现在的高尔夫球表面有许多窝，同样大小和 重量下，飞行距离为光滑球的5倍。121.1 流体运动与流体力学汽车阻力 汽车发明于19世纪末。131.1 流体运动与流体力学当时人们认为汽车高速前进时的阻力主要来 自车前部对空气的撞击。141.1 流体运动与流体力学因此早期的汽车后部是陡峭的，称为箱型车，阻力 系数CD很大，约0.8。151.1 流体运动与流体力学实际上，汽车阻力主要取决于后部形成的尾 流。161.1 流体运动与流体力学实际上，汽车阻力主要取决于后部形成的尾 流。171.1 流体运动与流体力学20世纪30年代起，人们开始运用流体力学原理，改 进了汽车的尾部形状，出现了甲壳虫型，阻力系数 下降至0.6。181.1 流体运动与流体力学20世纪5060年代又改进为船型，阻力系数 为0.45。191.1 流体运动与流体力学20世纪80年代经风洞实验系统研究后，进一 步改进为鱼型，阻力系数为0.3。201.1 流体运动与流体力学后来又出现楔型，阻力系数为0.2。211.1 流体运动与流体力学20世纪90年代以后，科研人员研制开发了气动性能 更优良的未来型汽车，阻力系数仅为0.137。221.1 流体运动与流体力学经过近80年的研究和改进，汽车阻力系数从 0.8降至0.137，减少到原来的1/5。231.1 流体运动与流体力学目前在汽车外形设计中，流体力学性能研究已占主 导地位，合理的外形使汽车具有更好的动力学性能 和更低的耗油率。241.1 流体运动与流体力学机翼升力 人们的直观印象是空气从下面冲击 着鸟的翅膀，把鸟托在空中。251.1 流体运动与流体力学机翼升力 人们的直观印象是空气从下面冲击 着鸟的翅膀，把鸟托在空中。261.1 流体运动与流体力学19世纪初流体力学环流理论彻底改变了人们 的传统观念。脱体涡量与机翼环量大小相等方向相反271.1 流体运动与流体力学足球运动的香蕉球现象可以帮助理解环流理论：281.1 流体运动与流体力学旋转的球带动空气形成环流，一侧气流加速 ，另一侧减速，形成压差力，使足球拐弯， 称为马格努斯效应。291.1 流体运动与流体力学旋转的球带动空气形成环流，一侧气流加速 ，另一侧减速，形成压差力，使足球拐弯， 称为马格努斯效应。301.1 流体运动与流体力学机翼的特殊形状使它不用旋转就能产生环流 ，上部流速加快形成吸力，下部流速减慢形 成压力。311.1 流体运动与流体力学测量和计算表明上部吸力的贡献比下部要大。NACA2412翼型在7.4度攻角时的压强分布321.1 流体运动与流体力学人们之所以不能凭直觉来认识流体运动，是 因为n空气看不见摸不着n水无色透明n流动形态变化太快肉眼难以观察肉眼无法辨认用特殊的技术可以让流动图像显现出来：331.1 流体运动与流体力学高尔夫球和汽车的阻力同尾部漩涡流有关，用圆柱 绕流流场显示和数值模拟可观察尾流图像。341.1 流体运动与流体力学高尔夫球和汽车的阻力同尾部漩涡流有关， 用圆柱绕流流场显示和数值模拟可观察尾流 图像。（同济大学）351.1 流体运动与流体力学机翼升力也与后部的漩涡有关，同样可以用 流场显示技术来观察。361.1 流体运动与流体力学丰富多彩的流动图案背后隐藏着复杂的力学 规律，有些动物具有巧妙运用这些规律的本 领。371.1 流体运动与流体力学具有高度智慧的人类为了揭开流动奥秘，建 立了流体力学学科。381.1 流体运动与流体力学地球表面水和空气的运动是气象、水文、水利、环 保、农业、航空、航海、渔业、国防等部门研究的 对象。391.1 流体运动与流体力学航空、航天、造船、机械、动力、冶金、化工、石 油、建筑等部门设备中的工作介质都是流体，改进 流程，提高效率，需要流体力学知识。401.1 流体运动与流体力学流体力学流体力学是研究流体宏观运动规律的 学科。n主要研究流体运动规律、流体与流体、流体与固体相互作用力及流动过程中动量、能量、质量和传输规律等。411.1 流体运动与流体力学1.2 本门课程的学习目标421 绪论了解本学科的研究对象、任务、方法和范围；理解作用在流体上的质量力和表面力；掌握流体的(易)流动性、惯性、黏(滞)性、压缩性 、热胀性等定义、公式及常用的物理数值，以及 理想气体状态方程；理解液体和气体的黏度值随温度变化的趋势及原 因；理解连续介质假设、牛顿流体、理想流体(无黏流 体)和不可压缩流体等理论模型。431.2 本门课程的学习目标重点和难点n理解并掌握牛顿内摩擦定律，动力黏性系 数和运动黏性系数，并注意单位。441.2 本门课程的学习目标1.3 流体力学的研究对象、任务、方法和范围流体力学的研究对象 流体力学的分类 流体力学的研究方法(或主要手段) 流体力学在工程技术中的应用451 绪论1.3.1 流体力学的研究对象n已接触过了q力学(Mechanics)q理论力学(Theoretical mechanics)q材料力学(Strength of material)或工程力学(Engineering mechanics)n而将要学习的q流体力学(Fluid mechanics) 研究流体(包括液体、气体及蒸汽等)这样 的连续介质的宏观运动规律以及与其他物体之间的 相互作用。461.3 流体力学研究对象、任务、方法和范 围n所学过的q力学研究物质运动以及与其他运动状态相互作 用的科学。为了有效地解决实际问题，在力学中广 泛采用了抽象的理论模型，诸如质点、质点系(或组 )、刚体、连续介质等理论模型。q理论力学研究力学的普遍运动规律、一般性原理以 及质点、质点系(或组)和刚体等理论模型的运动规 律。471.3.1 流体力学研究对象n流体力学与弹塑性力学(Elastoplastic mechanics)同属于连 续介质力学(continua mechanics)，亦被某些物理学家称 为经典场论(field theory，classical field theory)。q弹塑性力学(Elastoplastic mechanics)研究固体连续介质的宏观运动规律以及与 其他物质之间的相互作用。主要描述固体连续介质 的应力与应变或大应力与大应变问题。481.3.1 流体力学研究对象连续介质力学固体力学 流体力学 一般场 理性力学计算力学研究诸如摄动理论、分叉、奇异、浑 沌(Chaos)、孤立波等问题。结合计算机求解的新兴学科。力学§力学分类与研究内容491.3.1 流体力学研究对象固体力学理论力学分析力学材料力学结构力学弹性力学塑性力学复合材料断裂力学研究质点、杆件系、刚体平衡与运动。由若干基本原理推演理论力学的主要 结论并引入微分方程描述。以受力分析为基础，研究材料的强度 与刚度，杆系、板。 复杂杆系、框架、桁架。矩阵分析。固体连续介质,微分方程描述,应力应变。研究固体连续介质中大变形与大应变。各向异性，特殊本构关系。裂纹区应力及强度因子，裂纹扩展。2018/7/20501.3.1 流体力学研究对象流体力学液体(不可压)流体力学低速(亚音速)空气动力学高速(超音速)空气动力学高超音速气体动力学黏性流体力学(边界层 )稀薄气体力学等离子及电磁流体力学将液体与气体(不可压)作统一研究亚临界流动激波热效应小参数展开计及分子运动水静力学水动力学水静压计算波浪511.3.1 流体力学研究对象一般场温度场(热力学)电磁场(电磁力学)以及液-固耦合问题(fluid-structure interaction)同时考虑固体(结构)及其周围流体(液体或气体，内流或 外流)的相互作用。当代前沿性研究课题。521.3.1 流体力学研究对象1.3.2 流体力学的分类流体动力学(Fluid Dynamics) 气体动力学(Gas Dynamics) 水力学(Hydraulics)空气动力学(Aerodynamics)据研究对象和性质的不同，流体力学可分为以不可压缩流体作为研 究对象。以可压缩流体作为研究对 象。研究水或液体运动特性。多用于管 道、渠道、河流等实际应用研究。以空气作为工作介质进行 研究的基本规律。531.3 流体力学研究对象、任务、方法和范 围1.3.3 流体力学的研究方法(或主要手段)理论分析引用连续介质假设模型和有关概念，运用经 典力学的基本原理，如牛顿力学三大定律、动能定理、动 量原理、质量守恒定律及热力学定律等，建立流体运动基 本方程。数值模拟利用电子计算机技术和数值计算与数值模拟 方法，对基本方程进行数值解，以及数值模拟。科学实验以相似性原理与因次分析方法为指导，把实 际工程缩小(或放大)为模型，在模型上预演相应的流体运 动，得出模型流动的某些经验性规律，然后按照流体运动 的相似关系换算到原型中去，以解决工程设计的需要。541.3 流体力学研究对象、任务、方法和范 围1.3.4 流体力学在工程技术中的应用n交通工具的设计枭龙FC-1551.3 流体力学研究对象、任务、方法和范 围新一代舰艇克星YJ91先进超音速反舰导弹561.3.4 流体力学在工程技术中的应用神州号飞船发射升空图571.3.4 流体力学在工程技术中的应用581.3.4 流体力学在工程技术中的应用现代II级导弹驱逐舰陆战队乘快速气垫船冲滩宋级(039)潜艇591.3.4 流体力学在工程技术中的应用n流体机械设计冷静迴流风扇轴流通风机单级单吸离心泵微小型空气压缩机601.3.4 流体力学在工程技术中的应用燃气轮机611.3.4 流体力学在工程技术中的应用n机械润滑、工业及民用建筑(如摩天大楼、高烟囱、商场、桥梁等)、地下管道等暖通系统的设计和 管网系统的设计等各种工程问题，医学领域中人 体血液循环系统、呼吸系统，以及人造心脏、人 造肺、人造肾等类装置的研究与设计机械润滑621.3.4 流体力学在工程技术中的应用八十八层四百五十二米高的大马石油大厦位于长安街延长线四惠桥旁的 二百四十米大烟囱，将穿上一 件奇特的外衣樽形钢索网631.3.4 流体力学在工程技术中的应用美国麦基那克海峡大桥641.3.4 流体力学在工程技术中的应用651.3.4 流体力学在工程技术中的应用n文体、娱乐活动661.3.4 流体力学在工程技术中的应用F1方程式赛车赛艇671.3.4 流体力学在工程技术中的应用681.3.4 流体力学在工程技术中的应用691.3.4 流