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工程流体力学机械工程学院主讲:杨阳(博士、副教授2013年03月本课程的性质和任务《工程流体力学》是机械设计制造及自动化、车辆工程、材料成形与控制工程等专业一门主要技术基础课程。
它的主要任料成形与控制工程等专业门它的主要任务是通过各教学环节,运用各种教学手段和方法,使学生掌握流体运动的基本概念、基本原理、基本计算方法;培养学生分流体运动的基本概念基本原基本计算方法培养学生分析、解决问题的能力和实验技能,为学习后继课程、从事工程技术工作和科学研究以及开拓新技术领域打下坚实的基础。
总学时:32总学时教学方法:课堂讲授与实验教学相结合,采用多媒体演示完成。
考试方式闭卷考试方式:闭卷第一章绪论¾有关流体运动与流体力学的三个问题;¾流体力学的发展概况;¾流体力学的概念;¾流体力学的概述与应用;¾流体力学课程的性质、目的、基本要求;流体力学课程的性质目的基本要求;¾流体力学的研究方法;¾流体的连续介质模型;¾流体的主要物理性质——惯性、粘性、压缩性;¾理想流体与实际流体、可压缩流体与不可压缩流体、牛顿流体与非牛顿流体概念顿流体与非牛顿流体概念。
第一节流体力学及其发展概况有关流体运动与流体力学的问题人类虽然长期生活在空气和水环境中,对一些流体运动现象却缺乏认识,现举三例。
A.高尔夫球:表面光滑还是粗糙?B.汽车阻力:来自前部还是后部?C.机翼升力:来自下部还是上部?A.高尔夫球:表面光滑还是粗糙?高尔夫球运动起源于15世纪的苏格兰,当时人们认为表面光滑的球飞行阻力小,因此用皮革制球。
表面光滑的球飞行阻力小因此用皮革制球后来发现表面有很多划痕的旧球反而飞得更远,这个谜直到20世纪建立流体力学边界层理论后才解开。
现在的高尔夫球表面有很多窝坑,在同样大小和重量下,飞行距离为光滑球的5倍。
思考题:表面凹窝状的高尔夫球飞得更远是因为:考表窝的高尔夫球得为A与气流接触的外表面积减小了;凹窝状表面使球更容易旋转B凹窝状表面使球更容易旋转;C其它。
汽车发明于19世纪末当时人们认为汽车的阻力主要来B.汽车阻力:来自前部还是后部?汽车发明于19世纪末,当时人们认为汽车的阻力主要来自前部对空气的撞击,因此早期的汽车后部是陡峭的,称为箱型车,阻力系数(C 很大,约为0.8。
箱型车阻力系数D 很大约为实际上汽车阻力主要来自后部形成的尾流,称为形状阻力。
50-60年代改进为船型,阻力系数为0.45。
20世纪30年代起,人们开始运用流体力学原理改进汽车尾部形状,出现甲壳虫型阻力系数降至06出现甲壳虫型,阻力系数降至0.6。
80年代经过风洞实验系统研究后,又改进为鱼型,阻力系数为03,90年代后,科研人员研制开发的未来型汽车阻力系数仅为0137进为鱼型,阻力系数为0.3,汽车,阻力系数仅为0.137。
经过近80年的研究改进,汽车阻力系数从0.8降至0.137阻力减小为经过近80年的研究改进汽车阻力系数从08降至0137阻力减小为原来的1/5 。
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外形使汽车具有更好的动力学性能和更低的耗油率。
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C.机翼升力:来自下部还是上部?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。
19世纪初建立的流体力学环量理论,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足球的香蕉球现象可帮助理解环量理论流体力学的任务和应用丰富多彩的流动图案背后隐藏着复杂的力学规律,具有高度智慧的人类为揭示流动奥秘建立了流体力学学科,研究和解决生产、科研、生活中的流体运动问题就是流体力学的任务。
生活中的流体运动问题就是流体力学的任务航空、航海、水利、水文、气象、环境保护、农业、渔业国防等部门必需掌握水和空气的宏观运动规律业、国防等部门必需掌握水和空气的宏观运动规律。
航空、航天、造船、机械、动力、冶金、化工、石油等部门设备中工作介质都是流体,为了改进流程、提高效率需要流体力学的知识。
油压千斤顶磨床油压系统1、活塞右移2、活塞左移3、溢流阀溢流4、油泵卸荷体液利用流体动力的液力变矩器后驱式前驱式AT轿车的驱动形式流体力学发展简史流体力学是在人类同自然界作斗争和在生产实践中逐步发展起来的。
古时中国有大禹治水疏通江河的传说;秦朝李冰父子带领劳动人民修建的都江堰,至今还在发挥着作用;大约与此同时,古罗马人建成了大规模的供水管道系统等视频规模的供水管道系统等。
对流体力学学科的形成作出第一个贡献的是古对流体力学学科的形成作出第个贡献的是古希腊的阿基米德,他建立了包括物理浮力定律和浮体稳定性在内的液体平衡理论奠定了流体静力学体稳定性在内的液体平衡理论,奠定了流体静力学的基础。
此后千余年间,流体力学没有重大发展。
直到15世纪,意大利达·芬奇的著作才谈到水波、管流、水力机械、鸟的飞翔原理等问题;17世纪,管流水力机械鸟的飞翔原理等问题17世纪帕斯卡阐明了静止流体中压力的概念。
流体力学尤其是流体动力学作为一门严密的科学,却是随着经典力学建立了速度、加速度,力、流场等概念,以及质量、动量、能量三个守恒定律的奠定之后才逐步形成的。
17世纪,力学奠基人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。
但是,牛顿还没有建立起流体动力学的理论基础,他提出的许多力学模型和结论同实际情形还有较大的差别。
法国皮托发明了测量流速的皮托管;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度之间的平方关系。
作证实了阻力同物体运动速度之间的平方关系瑞士的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;伯努利从经典力学的能量守恒出发,研究供水管道中水的流动,精心地安排了实验并加以分析,得到了流体定常运动下的流速、压力、管道高程之间的关系--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,从此开始了用微分方程和实验测量进行流体运动定量研究的阶段。
普朗特学派从1904年到1921年逐步将N-S方程普朗特学派从1904年到1921年逐步将N S方程作了简化,从推理、数学论证和实验测量等各个角度,建立了边界层理论,能实际计算简单情形下,度建立了边界层理论能实际计算简单情形下边界层内流动状态和流体同固体间的粘性力。
同时普朗克又提出了许多新概念,并广泛地应用到飞机和汽轮机的设计中去。
这一理论既明确了用到飞机和汽轮机的设计中去这理论既明确了理想流体的适用范围,又能计算物体运动时遇到的摩擦阻力。
使上述两种情况得到了统一。
摩擦阻力使上述两种情况得到了统20世纪初,飞机的出现极大地促进了空气动力世纪初飞机的出现极大地促进了空气动力学的发展。
航空事业的发展,期望能够揭示飞行器周围的压力分布飞行器的受力状况和阻力等问题周围的压力分布、飞行器的受力状况和阻力等问题,这就促进了流体力学在实验和理论分析方面的发展。
20世纪初,以儒科夫斯基、恰普雷金、普朗克等为代表的科学家,开创了以无粘不可压缩流体位势流理论为基础的机翼理论,阐明了机翼怎样会受到举力,从而空气能把很重的飞机托上天空机翼到举力,从而空气能把很重的飞机托上天空。
机翼理论的正确性,使人们重新认识无粘流体的理论,肯定了它指导工程设计的重大意义。
肯定了指导程设计的大意义机翼理论和边界层理论的建立和发展是流体力学的次重大进展,它使无粘流体理论同粘性流体学的一次重大进展它使无粘流体理论同粘性流体的边界层理论很好地结合起来。
随着汽轮机的完善和飞机飞行速度提高,又迅速扩展了从19世纪就开始的对空气密度变化效应的实验和理论研究,为高速飞行提供了理论指导。
20世纪40年代以后,由于喷气推进和火箭技术的应用,实现了航天飞行,使气体高速流动的研究的应用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学等分支学科。
以这些理论为基础,20世纪40年代,关于炸药或天然气等介质中发生的爆轰波又形成了新的理论,为研究原子弹、炸药等起爆后,激波在空气或水中的传播,发展了爆炸波理论。
流体力学又发展了许多分支,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(气液或气固流等等流等等。
这些巨大进展是和采用各种数学分析方法和建立大型、精密的实验设备和仪器等研究手段分不开的的。
从年代子计算机断完善使原来用 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新的分支学科法来进行,出现了计算流体力学这一新的分支学科。
与此同时由于民用和军用产的需要液体动与此同时,由于民用和军用生产的需要,液体动力学等学科也有很大进展。
20世纪60年代,根据结构力学和固体力学的需要,出现了计算弹性力学问题的有限元法。
经过十多年的发展,有限元分析这项新的计算方法又开始在流体力学中应用,尤其是在低速流和流体边界形状甚为复杂问题中,优越性更加显著。
近年来又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,流体力学开始了流体力学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。
第二节流体力学的概念和研究对象一、流体力学概念流体力学是力学的一个独立分支,是一门研究流体的平衡和流体机械运动规律及其实际应用的技术科学。
体机械动规律其实际应用技术科学所研究的基本规律,有两大组成部分:关于流体平衡的规律,它研究流体处于静止(或相对平衡状态时作用于流体上的各种力之间的关系关于流体运动的规律,它研究流体在运动状态时,作用于流体的力与运动要素之间的关系以及流体的运动特征与能量转状态时,作用于流体上的各种力之间的关系——流体静力学;体的力与运动要素之间的关系,以及流体的运动特征与能量转换等——流体动力学。
流体力学在研究流体平衡和机械运动规律时,要应用物理学及理论力学中有关物理平衡及运动规律的原理,如力系平衡定理、动量定理、动能定理,等等。
因为流体在平衡或运动状态下,也同样遵循等等因为流体在平衡或运动状态下也同样遵循这些普遍的原理。
所以物理学和理论力学的知识是学习流体力学课程必要的基础。
学习流体力学课程必要的基础理论研究方法通过对液体物理性质和流动特性的科学抽象(近似,提出合理的理论模型。
