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Shanghai Jiao Tong University课程名称：船舶流体力学(NA235) Introduction to Marine Hydrodynamics 主讲人：万德成dcwan@辅导老师：林志良linzhiliang@张驰zhangchi0309@课程安排Shanghai Jiao Tong University课程性质：专业基础课学时数：68 ＝58 (理论课) ＋4 (实验实践)+ 6 (三次课程设计)成绩：作业和课程设计30%，期末考试70%Shanghai Jiao Tong University《水动力学基础》，刘岳元、冯铁城、刘应中编，上海交通大学出版社，1990《流体力学》，许维德，国防工业出版社，1989《流体力学》(上、下册)，吴望一，北京大学出版社，1982《流体力学》(上、中、下册)，丁祖荣，高等教育出版社，2003《流体力学基础》(上、下册)，潘文全等，机械工业出版社，1982《流体力学》，易家训著(章克本、张涤明等)，高等教育出版社，1983Shanghai Jiao Tong UniversityHydrodynamics, H. Lamb, 6th edition, CambridgeUniversity Press, 1932Marine Hydrodynamics, J.N. Newman, MIT Press, 1977An Introduction to Fluid Dynamics, G.R. Batchelor,Cambridge University Press, 1967Introduction to Fluid Mechanics，James A. Fay，MITPress, 1994Fundamentals of Fluid Mechanics，B.R. Munson, D.F.Young & T.H. Okiishi, Wiley Asia Student Edition, 2005 Fluid Mechanics: Fundamentals and Applications, Y.A.Cengel& J.M. Cimbala, McGraw-Hill, 2006Fluid Mechanics，5th Ed., F.M.White, McGraw-Hill.Shanghai Jiao Tong University第0章序论第0章序论Shanghai Jiao Tong University•流体力学与现实生活•流体力学的发展过程•流体力学的研究方法•流体力学的研究内容流体力学与现实生活Shanghai Jiao Tong University船舶工程Shanghai Jiao Tong UniversityShanghai Jiao Tong University 船舶工程船舶工程Shanghai Jiao Tong UniversityShanghai Jiao Tong University 船舶工程Shanghai Jiao Tong University船舶工程Shanghai Jiao Tong University 船舶工程Shanghai Jiao Tong University船舶工程Shanghai Jiao Tong University 船舶工程Shanghai Jiao Tong University螺旋浆船舶工程船舶工程Shanghai Jiao Tong University船舶工程Shanghai Jiao Tong University海洋工程Shanghai Jiao Tong UniversityShanghai Jiao Tong University 海洋工程航空航天Shanghai Jiao Tong University航空航天Shanghai Jiao Tong University航空航天Shanghai Jiao Tong University航空航天Shanghai Jiao Tong UniversityShanghai Jiao Tong University航空航天水利工程Shanghai Jiao Tong University水利工程Shanghai Jiao Tong UniversityShanghai Jiao Tong University 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 D 很大，约为0.8。
Shanghai Jiao Tong University课程名称：船舶流体力学(NA311) Introduction to Marine Hydrodynamics德成@j主讲人：万德成dcwan@辅导老师：王吉飞wangjifei@Shanghai Jiao Tong University课程性质：专业基础课学时数：54 ＝50 (理论课) ＋4 (实验或上机练习)考试成绩：期中15%，作业15%，期末70%教材：《水动力学基础》，刘岳元、冯铁城、刘应中编，上海交通大学出版社，1990上海交通大学出版社参考书：《流体力学》，许维德，国防工业出版社，1989《流体力学》(上、下册)，吴望，北京大学出版社，1982，吴望一，北京大学出版社，《流体力学》(上、中、下册)，丁祖荣，高等教育出版社，2003Shanghai Jiao Tong University参考书：《流体力学》，林建忠等，清华大学出版社，2005 Introduction to Fluid Mechanics，James A. Fay，MIT Introduction to Fluid Mechanics James A Fay MITPress, 1994Fundamentals of Fluid Mechanics，B.R. Munson, D.F.Young & T.H. Okiishi, Wiley Asia Student Edition, 2005 Fluid Mechanics: Fundamentals and Applications, Y.A.Cengel & J.M. Cimbala, McGraw-Hill, 2006Fluid Mechanics，5th Ed., F.M.White, McGraw-Hill. Marine Hydrodynamics, J.N. Newman, MIT Press, 1977 Marine Hydrodynamics J N Newman MIT Press1977Shanghai Jiao Tong University航空航天Shanghai Jiao Tong University 船舶Shanghai Jiao Tong University 船舶Shanghai Jiao Tong University 船舶Shanghai Jiao Tong University 船舶船舶运动Shanghai Jiao Tong University 潜艇Shanghai Jiao Tong University 海洋平台Shanghai Jiao Tong University 螺旋浆Shanghai Jiao Tong University 汽车Shanghai Jiao Tong University体育运动：高尔夫球、皮筏艇Shanghai Jiao Tong University 体育运动：游泳Shanghai Jiao Tong University 气象科学龙卷风气象云图Shanghai Jiao Tong University 建筑节节能型建筑Shanghai Jiao Tong University 环境Shanghai Jiao Tong University 生物仿生学信天翁滑翔应用广泛已派生出很多新的分支:电磁流体力学、生物流体力学、化学流体力学、地球流体力学高温气体动力学、高速水动力学、非牛顿流体力学、爆炸力学、流变学、多相流体力学等Shanghai Jiao Tong University阿基米德（Archimedes，公元前287－212）欧美诸国历史上有记载的最早从事流体力学现象研究的是古希腊学者阿基米德在公元前250年发表学术论文《论浮体》，第一个阐明了相对密度的概念，发现了物体在流体中所受浮力的基本原理──阿基米德原理。
Shanghai Jiao Tong University当不可压缩粘性流体流过平板时，在边界层外边界上沿平板方向的速度是相同的，而且整个流场和边界层内的压强都保持不变。
当粘性流体流经曲面物体时，边界层外边界上沿曲面方向的速度是改变的，所以曲面边界层内的压强也将同样发生变化，对边界层内的流动将产生影响，发生曲面边界层的分离现象。
Shanghai Jiao Tong University在实际工程中，物体的边界往往是曲面（流线型或非流线型物体）。
当流体绕流非流线型物体时，一般会出现下列现象：物面上的边界层在某个位置开始脱离物面，并在物面附近出现与主流方向相反的回流，流体力学中称这种现象为边界层分离现象。
流线型物体在非正常情况下也能发生边界层分离。
Shanghai Jiao Tong UniversityStreamlined bodiesBlunted bodiesShanghai Jiao Tong UniversityShanghai Jiao Tong UniversityShanghai Jiao Tong UniversityShanghai Jiao Tong UniversityShanghai Jiao Tong UniversityShanghai Jiao Tong UniversityShanghai Jiao Tong University1.流动分离原因是什么？2. 发生流动分离的判据是什么?3.分离流动特性是什么？Shanghai Jiao Tong University以不可压缩流体绕流圆柱体为例在圆柱体前驻点A处，流速为零，该处尚未形成边界层，即边界层厚度为零。
在AB段，流体加速减压，沿流动方向形成顺压梯度。
在B点流速达到最大，过B点后，流体减速增压，沿流动方向形成逆压梯度。
Shanghai Jiao Tong University当流体绕过圆柱体最高点B 流到后半部时，压强增加，速度减小，更促使边界层内流体质点的减速，从而使动能消耗更大。
当达到S点时，近壁处流体质点的动能已被消耗完尽，流体质点不能再继续向前运动，于是一部分流体质点在S点停滞下来，过S点以后，压强继续增加，在压强差的作用下，除了壁上的流体质点速度仍等于零外，近壁处的流体质点开始倒退。
Shanghai Jiao Tong University接踵而来的流体质点在近壁处都同样被迫停滞和倒退，以致越来越多被阻滞的流体在短时间内在圆柱体表面和主流之间堆积起来，使边界层剧烈增厚，边界层内流体质点的倒流迅速扩展，而边界层外的主流继续向前流动，这样在这个区域内以ST线为界，在ST线内是倒流，在ST线外是向前的主流，两者流动方向相反，从而形成旋涡。
Shanghai Jiao Tong University使流体不再贴着圆柱体表面流动，而从曲面边界层分离现象分离出来，造成边界层分离，S点称为分离点。
形成的旋涡，不断地被主流带走，在圆柱体后面产生一个尾涡区。
尾涡区内的旋涡不断地消耗有用的机械能，使该区中的压强降低，即小于圆柱体前和尾涡区外面的压强，从而在圆柱体前后产生了压强差，形成了压差阻力。
压差阻力的大小与物体的形状有很大关系，所以又称为形状阻力。
Shanghai Jiao Tong University从以上的分析中可得如下结论：粘性流体在压力降低区内流动（加速流动），决不会出现边界层的分离，只有在压力升高区内流动（减速流动），才有可能出现分离，形成漩涡。
尤其是在主流减速足够大的情况下，边界层的分离就一定会发生。
Shanghai Jiao Tong UniversityShanghai Jiao Tong UniversityShanghai Jiao Tong UniversityShanghai Jiao Tong University关心的问题：壁面或粘性对流动的阻滞。
Shanghai Jiao Tong University⎪⎭ ⎝∂yShanghai Jiao Tong University3. 分离流动的特性边界层离体，形成尾流（尾迹）。
Shanghai Jiao Tong University分离点S 的位置与物体形状和边界层流动状态有关:层流边界层容易分离；湍流边界层不易分离，分离点将后移、尾迹变窄。
s xShanghai Jiao Tong University机翼升力下降、阻力增加；噪声增大。
Shanghai Jiao Tong UniversityShanghai Jiao Tong University出现纵向、横向涡激振荡。
Shanghai Jiao Tong University卡门涡街(von Karman vortex street)随着雷诺数的增大，边界层首先出现分离，分离点并不断的前移，当雷诺数大到一定程度时，会形成两列几乎稳定的、非对称性的、交替脱落的、旋转方向相反的旋涡，并随主流向下游运动，这就是卡门涡街。
Shanghai Jiao Tong University 卡门涡街(von Karman vortex street)Shanghai Jiao Tong University 卡门涡街(von Karman vortex street)Shanghai Jiao Tong University卡门涡街(von Karman vortex street)Shanghai Jiao Tong UniversityShanghai Jiao Tong University圆柱体和流线型柱体Shanghai Jiao Tong UniversityShanghai Jiao Tong University大雷诺数下均匀绕流物体表面的流场可以划分为三个区域，即外部势流、边界层流动、尾涡粘性流动。
边界层：II I 外部势流II 尾部流区域I 边界层边界层外边界边界层外边界Shanghai Jiao Tong University边界层内的流动：层流边界层，混合边界层，湍流边界层，层流底层。
判别边界层的层流和湍流的准则数为雷诺数，510)0.5~5.3(⨯==∞νKK x x V ReShanghai Jiao Tong University边界层的厚度：将壁面流速为零与流速达到来流速度的99％处之间的距离定义为边界层厚度δ。
边界层厚度沿着流体流动方向逐渐增厚。
Shanghai Jiao Tong University 边界层的排挤厚度Shanghai Jiao Tong University边界层的基本特征：δ<<•与物体的特征长度相比，边界层的厚度很小, 即x •边界层内沿厚度方向，存在很大的速度梯度。
•边界层厚度沿流体流动方向是增加的。
•由于边界层很薄，可以近似认为边界层中各截面上的压力等于同一截面上边界层外边界上的压力值。
•在边界层内，粘性力与惯性力同一数量级。
•边界层内的流态，也有层流和湍流两种流态。
Shanghai Jiao Tong UniversityShanghai Jiao Tong UniversityShanghai Jiao Tong UniversityShanghai Jiao Tong University 边界层Shanghai Jiao Tong University 粘性流体在压力降低区内流动（加速流动），决不会出现边界层的分离，只有在压力升高区内流动（减速流动），才有可能出现分离，形成漩涡。
尤其是在主流减速足够大的情况下，边界层的分离就一定会发生。
边界层分离现象：Shanghai Jiao Tong University第十章相似分析相似分析是沟通流体力学理论和实验之间的桥梁。
Shanghai Jiao Tong University在流体力学理论方法中，主导待求问题的控制方程一般是给出的。
但对于许多复杂的流动现象，特别是对于原本就不清楚的未知现象往往是不可能的，这就必须依靠实验方法。
在实际过程中任何一个物理现象往往有许多影响因素，要研究每一个因素对这一现象的影响，需要进行大量的实验，有时简直是不可能的。
因此需要一种简单的方法使得只进行少量的实验就可达到对流动现象的本质认识。
本章介绍的相似分析就是指导实验的理论基础。
Shanghai Jiao Tong University Similitude:Shanghai Jiao Tong University实验方法有两种：原型实验和模型实验。
原型实验方法有很大的局限性，其实验结果只适用于某些特定条件，并不具有普遍意义，因而即使花费巨大，也难能揭示现象的物理本质和描述其中各量之间的规律性关系。
并且还有许多流动现象不宜进行原型实验。
所以实际中常用模型做实验。
Shanghai Jiao Tong UniversityEquipments：Water basin, Water channel, Towing tank, Cavitation Tunnel, Wind tunnel, etc.Deepwater Marine BasinShanghai Jiao Tong UniversityShanghai Jiao Tong UniversityOcean Engineering BasinWind, waves and current can be modeled.Main dimensions ：50m ×30m ×5mWater depth can be adjusted between 0~5m.Shanghai Jiao Tong University Ship Model Towing TankMain dimensions : 110m ×6m ×3m Max. tow speed : 6.0m/s。
