流体力学发展史及其在实际工程中的应用80页PPT

二、流体力学在石油化工工业中的应用
流体力学是一门重要的工程学科，它的应用几乎遍及国民经济的各个部门， 尤其在石油工程和石油化工工业中，流体力学是其重要的理论核心之一。
在石油工业中 ，用到流体力学原理分析流体在管内的流动规律，压力、阻 力、流速和输量的关系，据此设计管径，校核管材强度，布置管线及选择泵的类 型和大小，设计泵的安装位置等；在校核油罐和其他储液容器的结构强度，估算 容器、油槽车、油罐的装卸时间，解释气蚀、水击等现象 。
实验方法的优点是能直接解决生产中的复杂问题，能发现流动中的新现象。
它的结果往往可作为检验其他方法是否正确的依据。这种方法的缺点是对不同 情况，需作不同的实验，也即所得结果的普适性较差。
3 、数值计算方法
数值计算方法是按照理论分析方法建立数学模型，在此基础上选择合理 的计算方法，如有限差分法、特征线法、有限元法、边界元法、谱方法等，将 方程组离散化，变成代数方程组，编制程序，然后用计算机计算，得到流动问 题的近似解。数值计算方法是理论分析法的延伸和拓展。
两板间流体沿y方向的速度呈线性分布。
上面的现象说明，当流体中发生了层与层之间的相对运动时，速度快的流层对 速度慢的流层产生了一个拉力使它加速，而速度慢的流层对速度快的流层就有 一个阻止它向前运动的阻力，拉力和阻力是大小相等方向相反的一对力，分别 作用在两个流体层的接触面上，这就是流体黏性的表现，这种力称为内摩擦力 或黏性力。
体积弹性模量：在工程上流体的压缩性也常用p的倒数即体积弹性模量来描述
E 1 dp
p dV /V
2．可压缩流动与不可压缩流动
流体的压缩性及相应的体积弹性模量是随流体的种类、温度和压力而变化 的。当压缩性对所研究的流动影响不大，可以忽略不计时，这种流动成为不可 压缩流动，反之称为可压缩流动。通常，液体的压缩性不大，所以工程上一般 不考虑液体的压缩性，把液体当作不可压缩流体来处理。当然，研究一个具体 流动问题时，是否考虑压缩性的影响不仅取决于流体是气体还是液体，而更主 要是由具体条件来决定。

连续介质模型 理想流体平衡微分方程 理想流体运动微分方程
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第1章 绪论

流体力学的西方史

拉格朗日（grange,1736－1813）

提出了新的流体动力学微分方程，使流体 动力学的解析方法有了进一步发展。

严格地论证了速度势的存在，并提出了流 函数的概念，为应用复变函数去解析流体 定常的和非定常的平面无旋运动开辟了道 路。

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。
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第1章 绪论
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第1章 绪论

机翼升力来至下部还是上部？
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第1章 绪论
第 1 章
绪
论
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第1章 绪论

本章内容

1.1 流体力学发展史简述 1.2 流体力学的研究内容、研究方法和应用 1.3 流体的定义和特征 连续介质模型

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第1章 绪论

流体力学的西方史

雷诺（O.Reynolds，1842-1912）

英国力学家、物理学家和工程师，杰 出的实验科学家。

层流与紊流——雷诺数 雷诺应力
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措施。
05
流体流动的湍流与噪声
湍流的定义与特性
湍流定义
湍流是一种高度复杂的三维非稳态、带旋转的不规则流动。 在湍流中，流体的各种物理参数，如速度、压力、温度等都 随时间与空间发生随机的变化。
湍流特性
湍流具有随机性、不规则性、非线性和非稳定性等特性。在 湍流中，流体的速度、方向和压力等都随时间和空间发生变 化，形成复杂的涡旋结构。
环境流体流动与环境保护
要点一
环境流体流动
环境中的流体流动对环境保护具有重要影响。例如，大气 中的气流会影响污染物的扩散和迁移，水流会影响水体中 的污染物迁移和沉积等。
要点二
环境保护
通过对环境中的流体流动进行研究和模拟，可以更好地了 解污染物扩散和迁移规律，为环境保护提供科学依据。同 时，通过合理规划和设计流体流动系统，可以有效降低污 染物对环境的影响，保护生态环境。
04
流体流动的能量转换
能量的定义与分类
总结词
能量是物体做功的能力，可以分为机械能、热能、电能等。在流体力学中，主要关注的是机械能中的 动能和势能。
详细描述
能量是物体做功的能力，它有多种表现形式，如机械能、热能、电能等。在流体力学中，我们主要关 注的是机械能，它包括动能和势能两种形式。动能是流体运动所具有的能量，与流体的速度和质量有 关；势能则是由于流体所处位置而具有的能量。
流体流动噪声
流体流动过程中产生的噪声主要包括 机械噪声和流体动力噪声。机械噪声 主要由机械振动和摩擦引起，而流体 动力噪声主要由湍流和流体动力振动 引起。
噪声控制
为了减小流体流动产生的噪声，研究 者们提出了各种噪声控制方法，如改 变管道结构、添加消音器和改变流体 动力特性等。这些方法可以有效降低 流体流动产生的噪声。

流体力学的应用领域
总结词
流体力学的应用领域广泛，涉及到工业、能源、环境、交通等多个领域。
详细描述
流体力学在工业中有着广泛的应用，如流体机械、管道输送、流体控制等。在能源领域，流体力学涉及到石油、 天然气、核能等领域的流体处理和传输。在环境领域，流体力学可用于水处理、大气污染控制和环境流体动力学 的研究。在交通领域，流体力学涉及到船舶、飞机和车辆的流体动力设计和优化。
02
流体静力学基础
流体静压强及其特性
流体静压强的概念
01
流体在静止状态下所受的压力。
流体静压强的特性
02
流体静压强在空间上均匀分布，方向垂直于作用面。
流体静压强的量纲和单位
03
量纲为长度，单位为帕斯卡（Pa）。
流体平衡的微分方程
流体平衡的微分方程
描述流体平衡状态的基本方程，由牛顿第二定律和连续性方程推 导得出。
微分方程的形式
流体平衡的微分方程是一个关于压力、密度和速度的偏微分方程 。
微分方程的应用
用于求解流体的压力分布、速度分布和密度分布等问题。
重力场中流体静压强的分布规律
重力场中流体静压强的分布规律
在重力场中，流体静压强随深度增加而减小，遵循流体静力学的基 本原理。
流体静压强的计算公式
根据流体静力学的基本原理，可以推导出流体静压强的计算公式， 用于计算不同深度下的流体静压强。
计算公式的应用
计算公式广泛应用于工程实践中，如水力学、航空航天、化工等领 域。
03
流体动力学基础
流体运动的描述方法
拉格朗日法
以流体质点为研究对象，描述其运动轨迹和速度 随时间的变化。
欧拉法
以固定点为研究对象，描述流体质点经过该点的 速度和压强等参数。

流体粘性
流体抵抗剪切力的性质，粘性大小与流体的种类和温度有关。
流动模型
根据流体的粘性和流动特性，建立各种流动模型，如层流、湍流等。
06
流体力学在工程中的应用
流体输送与管道设计
总结词
流体输送与管道设计是流体力学在工程 中的重要应用之一，主要涉及流体在管 道中的流动规律和设计原则。
VS
详细描述
在工业生产和城市供水中，需要利用流体 力学的原理进行管道设计和流体输送，以 实现高效、低能耗的流体传输。管道设计 需要考虑流体的流速、压力、粘度等参数 ，以及管道的材质、直径、长度等因素， 以确保流体输送的稳定性和可靠性。
流体力学的发展历程
要点一
总结词
流体力学的发展历程及重要事件
要点二
详细描述
流体力学的发展历程可以追溯到古代，但直到17世纪才真 正开始形成独立的学科。在17世纪到20世纪期间，许多科 学家和工程师为流体力学的发展做出了重要贡献，如伯努 利、欧拉、斯托克斯等。随着科技的发展，流体力学在理 论和实践方面都取得了巨大的进步，为人类社会的进步和 发展做出了重要贡献。
3
流体流动的连续性原理
在流场中任取一元流管，流进和流出该元流的流 量相等。
流体流动的能量传递与转换
压力能传递
流体在流动过程中，压力能可以传递给其他流体 或转化为其他形式的能量。
动能转换
流体的动能可以转换为其他形式的能量，如压能 、热能等。
热能传递
流体在流动过程中，可以与周围介质进行热能交 换，实现热量的传递。
流体流动的阻力与损失
摩擦阻力
流体在管道中流动时，由于流体的粘性和管壁的粗糙度，会产生 摩擦阻力。
局部阻力
流体在通过管道中的阀门、弯头等局部构件时，会产生局部阻力。

流体阻力计算
利用流体动力学方程，可以计算 流体在管道中流动时的阻力，为 管道设计提供依据。
管道优化设计
通过分析流体动力学方程，可以 对管道设计进行优化，提高流体 输送效率，减少能量损失。
流体动力学方程在流体机械中的应用
泵和压缩机性能分析
流体动力学方程用于分析泵和压缩机的性能 ，预测其流量、扬程、功率等参数，为机械 设计和优化提供依据。
适用于不可压缩的流体。
方程意义
描述了流体压强与密度、重力加速度和深度之间的 关系。
Part
03
流体动力学基础
流体运动的基本概念
01
02
03
流体
流体是气体和液体的总称 ，具有流动性和不可压缩 性。
流场
流场是指流体在其中运动 的区域，可以用空间坐标 和时间描述。
流线
流线是表示流体运动方向 的曲线，在同一时间内， 流线上各点的速度矢量相 等。
能量损失的形式
流体流动的能量损失可以分为沿程损失和局部损失两种形式。沿程损失是指流体在流动过程中克服摩擦阻力而损 失的能量，局部损失是指流体在通过管道或槽道的局部障碍物时损失的能量。
Part
05
流体动力学方程的应用
流体动力学方程在管道流动中的应用
稳态流动和非稳态
流动
流体动力学方程在管道流动中可 用于描述稳态流动和非稳态流动 ，包括流速、压力、密度等参数 的变化规律。
变化的流动。
流体动力学基本方程
1 2
质量守恒方程
表示流体质量随时间变化的规律，即质量守恒原 理。
动量守恒方程
表示流体动量随时间变化的规律，即牛顿第二定 律。
3
能量守恒方程
表示流体能量随时间变化的规律，即热力学第一 定律。

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EXIT
流膂力学也是众多运用科学和工程技术的根底。 由于空气动力学的开展，人类研制出3倍声速的战斗机。
F-15
EXIT
流膂力学也是众多运用科学和工程技术的根底。 由于空气动力学的开展，人类研制出3倍声速的战斗机。
EXIT
排水量达50万吨以上的超大型运输船；
EXIT
航速达30节，深潜达数百米的核动力潜艇；
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时速达200公里的新型地效艇等，它们的设计都 建立在水动力学，船舶流膂力学的根底之上。
EXIT
用翼栅及高温，化学，多相流动实际设计制呵 斥功大型气轮机，水轮机，涡喷发动机等动力 机械，为人类提供单机达百万千瓦的强大动力。
汽轮机叶片
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用翼栅及高温，化学，多相流动实际设计制呵 斥功大型气轮机，水轮机，涡喷发动机等动力 机械，为人类提供单机达百万千瓦的强大动力。
水轮机
EXIT
大型水利枢纽工程，超高层建筑，大跨度桥梁 等的设计和建造离不开水力学和风工程。
EXIT
大型水利枢纽工程，超高层建筑，大跨度桥梁 等的设计和建造离不开水力学和风工程。
杨浦大桥
EXIT
21世纪人类面临许多艰苦问题的处理，需求流 膂力学的进一步开展，它们涉及人类的生存和 生活质量的提高。
全球气候预告； 〔卫星云图〕
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环境与生态控制；
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灾祸预告与控制；
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火山与地震预告；
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开展更快更平安更温馨的交通工具；
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各种工业安装的优化设计，降低能耗，减少污 染等等。
EXIT
流膂力学需求与其他学科交叉，如工程学，地学，天 文学，物理学，资料科学，生命科学等，在学科交叉 中开辟新领域，建立新实际，发明新方法。

流体力学中研究得最多的流体是水和空气。除水和空气 以外流体还包括作为汽轮机工作介质的水蒸汽、润滑油、石 油、含泥沙的水体、血液、溶化状态下的金属和燃烧后产生 的成分复杂的气体，高温条件下的等离子体等等。
5
example：
Incise the oil well rock with high pressure water stream technique
13
Bernoulli —— Bernoulli’s law of steady incompressible fluid; Euler —— describing method of fluid motion and equation set of inviscid fluid motion;
Lagrange —— stream function； Reynolds —— Reynolds experiment and Reynolds equation; Navier-Stokes——differential equation of viscous fluid motion;
and the moment between fluid and solid. Water and air are researched mostly in fluid
mechanics. Besides these ,fluid also includes vapor as work medium in turbine, lube ,water which mixing with mud and
The fourth period：from early days of A.D 20 to middle period. Prandtl ——boundary layer theory.

流体力学的应用领域
总结词
流体力学的应用领域与实例
详细描述
流体力学在日常生活、工程技术和科学研究中有广学、石油和天然气工业中的流体输送等。
流体力学的发展历程
总结词
流体力学的发展历程与重要事件
详细描述
流体力学的发展经历了多个阶段，从 早期的水力学研究到近代的流体动力 学和计算流体力学的兴起。历史上， 牛顿、伯努利等科学家对流体力学的 发展做出了重要贡献。
损失计算
根据流体流动的阻力和能量损失，计算流体流动的总损失。
流体流动阻力和能量损失的减小措施
优化管道设计
采用流线型设计，减少流体与 管壁的摩擦。
合理配置局部障碍物
减少不必要的弯头、阀门等， 或优化其设计以减小局部阻力 。
选择合适的管材
选用内壁光滑、摩擦系数小的 管材。
提高流体流速
适当提高流体的流速，可以减 小沿程损失和局部损失。
流体动力学基本方程
连续性方程
表示质量守恒的方程，即单位时间内流出的质量等于单位 时间内流入的质量。
01
动量方程
表示动量守恒的方程，即单位时间内流 出的动量等于单位时间内流入的动量。
02
03
能量方程
表示能量守恒的方程，即单位时间内 流出的能量等于单位时间内流入的能 量。
流体动力学应用实例
航空航天
飞机、火箭、卫星等的设计与制造需要应用 流体动力学知识。
流动方程
描述非牛顿流体的流动规律，包括连续性方程 、动量方程等。
热力学方程
描述非牛顿流体在流动过程中的热力学状态变化。
非牛顿流体的应用实例
食品工业
01
非牛顿流体在食品工业中广泛应用于番茄酱、巧克力、奶昔等