流体力学课件

2. 在古典“水动力学”的基础上纳维和斯托克斯 在古典“水动力学” 提出了著名的实际粘性流体的基本运动方程——纳 提出了著名的实际粘性流体的基本运动方程 纳 斯托克思方程(N-S方程 。从而为流体力学的长 方程)。 维-斯托克思方程 斯托克思方程 方程 远发展奠定了理论基础。 远发展奠定了理论基础。但由于其所用数学的复杂 性和理想流体模型的局限性， 性和理想流体模型的局限性，不能满意地解决工程 问题，故形成了以实验方法来制定经验公式的“ 问题，故形成了以实验方法来制定经验公式的“实 验流体力学” 但由于有些经验公式缺乏理论基 验流体力学” 。但由于有些经验公式缺乏理论基 使其应用范围狭窄，且无法继续发展。 础，使其应用范围狭窄，且无法继续发展。
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。 鸟的翅膀，把鸟托在空中。
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
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。
测量和计算表明上部吸力的贡献 比下部要大。 比下部要大。
流体力学所研究的基本规律， 流体力学所研究的基本规律，有两大 组成部分： 组成部分：
流体静力学： １.流体静力学：它研究流体处于静止（或相对平衡） 流体静力学 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。 状态时，作用于流体上的各种力之间的关系。 ２.流体动力学：它研究流体在运动状态时，作用于流 流体动力学：它研究流体在运动状态时， 流体动力学 体上的力与运动要素之间的关系， 体上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，这一部分称为流体动力学。 征与能量转换等，这一部分称为流体动力学。
NACA2412翼型在 度攻角时的压强分布 翼型在7.4度攻角时的压强分布 翼型在
总之，没有流体力学的发展， 总之，没有流体力学的发展， 现代工业和高新技术的发展是不可 能的。 能的。 流体力学在推动社会发展方面做 出过很大贡献， 出过很大贡献，今后仍将在科学与 技术各个领域发挥更大的作用。 技术各个领域发挥更大的作用。
《流体力学与流体机械》 流体力学与流体机械》 课件
热能与动力工程教研室 刘志超
虽然生活在流体环境中， 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： 流体运动却缺乏认识，比如：
1. 高尔夫球 ：表面光滑还是粗糙？ 表面光滑还是粗糙？ 2. 汽车阻力： 来自前部还是后部？ 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？ 来自下部还是上部？
50～60年代又改进为船型，阻力系数为0.45。
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。
后来又出现楔型，阻力系数为0.2。
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。
目前在汽车外形设计中， 目前在汽车外形设计中，流体力学性能研究已 占主导地位， 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。 力学性能和更低的耗油率。
问题：按连续介质的概念，流体质点是指: 问题：按连续介质的概念，流体质点是指: A、流体的分子； 流体的分子； 流体内的固体颗粒； B、流体内的固体颗粒； 几何的点； C、几何的点； 几何尺寸同流动空间相比是极小量, D、几何尺寸同流动空间相比是极小量,又含 有大量分子的微元体。 有大量分子的微元体。 答案： 答案：D
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第三节 流体的主要物理性质
密度、容重、 一 、密度、容重、比重和比容 １.密度： 当∆V趋于无限小时： ∆V z
∆V A
ρ = lim
∆V →0
∆M ∆V
o y x
注意：密度是坐标点(x,y,z)和时间t的函数，即 ρ= ρ (x,y,z,t)。
2、容重（重度） 、容重（重度） 容重：指单位体积流体的重量。单位： 容重：指单位体积流体的重量。单位： N/m3 。
连续介质假设： 连续介质假设：把流体视为没有间隙地充满它所占据的整 个空间的一种连续介质， 个空间的一种连续介质，且其所有的物理量都是空间坐标 和时间的连续函数的一种假设模型： 和时间的连续函数的一种假设模型：u =u(t,x,y,z)。 。
流体质点：也称流体微团， 流体质点：也称流体微团，是指尺度大小同一切流动空 间相比微不足道又含有大量分子， 间相比微不足道又含有大量分子，具有一定质量的流体 微元。 微元。
气体的比容或密度，与气体的工况或过程是密切相关的， 气体的比容或密度，与气体的工况或过程是密切相关的， 是由状态方程确定， 是由状态方程确定，完全气体状态方程 Pν=P/ρ=RT ν ρ R为气体常数，空气的 为气体常数， 为气体常数 空气的R=287N·m/kg·k
3 . 从19世纪末起，人们将理论分析方法和实验分析方法 世纪末起， 世纪末起 相结合，以解决实际问题， 相结合，以解决实际问题，同时古典流体力学和实验流体 力学的内容也不断更新变化， 力学的内容也不断更新变化，如提出了相似理论和量纲分 边界层理论和紊流理论等，在此基础上， 析，边界层理论和紊流理论等，在此基础上，最终形成了 理论与实践并重的研究实际流体模型的现代流体力学。在 理论与实践并重的研究实际流体模型的现代流体力学。 20世纪 年代以后，由于计算机的发展与普及，流体力 世纪60年代以后 世纪 年代以后，由于计算机的发展与普及， 学的应用更是日益广泛。 学的应用更是日益广泛。 其他重要的科学家： 其他重要的科学家：李冰 达芬奇
现在的高尔夫球表面有许多窝，在同样大小和重量下， 现在的高尔夫球表面有许多窝，在同样大小和重量下， 飞行距离为光滑球的5倍 飞行距离为光滑球的 倍。
光滑的球和非光滑球对比
汽车发明于19世纪末 世纪末。 汽车阻力 汽车发明于 世纪末。
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。 对空气的撞击。
固体
液体
固体：既能承受压力，也能承受拉力，抵抗拉伸变形。 固体：既能承受压力，也能承受拉力，抵抗拉伸变形。 流体：只能承受压力，一般不能承受拉力， 流体：只能承受压力，一般不能承受拉力，抵抗拉伸 变形。 变形。 液体和气体的共同点： 液体和气体的共同点： 两者均具有易流动性，即在任何微小切应力作用下都会发 两者均具有易流动性， 生变形或流动，故二者统称为流体。 生变形或流动，故二者统称为流体。
因此早期的汽车后部是陡峭的，称为箱型车， 因此早期的汽车后部是陡峭的，称为箱型车，阻力系 很大， 数CD很大，约0.8 很大
实际上，汽车阻力主要取决于后部形成的尾流。 实际上，汽车阻力主要取决于后部形成的尾流。
20世纪 年代起，人们开始运用流体力学原理，改 世纪30年代起，人们开始运用流体力学原理， 世纪 年代起 进了汽车的尾部形状，出现了甲壳虫型， 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。 下降至 。
此后， 此后，流体力学的发展主要经历了三个阶段：
１.伯努利所提出的液体运动的能量估计及欧拉 所提出的液体运动的能量估计及欧拉 所提出的液体运动的解析方法， 所提出的液体运动的解析方法，为研究液体运 动的规律奠定了理论基础， 动的规律奠定了理论基础，从而在此基础上形 成了一门属于数学的古典“水动力学” 成了一门属于数学的古典“水动力学”（或古 流体力学” 典“流体力学”）。
目前，根据流体力学在各个工程领域的应用，流体 目前，根据流体力学在各个工程领域的应用， 力学可分为以下四类： 力学可分为以下四类： 水利类流体力学：面向水工、水动、海洋等； 水利类流体力学：面向水工、水动、海洋等； 机械类流体力学：面向机械、冶金、化工、 机械类流体力学：面向机械、冶金、化工、水机 等； 土木类流体力学：面向市政、工民建、道桥、 土木类流体力学：面向市政、工民建、道桥、城市防 洪等。 洪等。 大气类流体力学：飞机、飞行器外行的设计， 大气类流体力学：飞机、飞行器外行的设计，天气预 环境污染预报等。 报，环境污染预报等。
二、连续介质假设 １.连续介质假设的提出 微观：流体是由大量做无规则运动的分子组成的， 微观：流体是由大量做无规则运动的分子组成的，分子 之间存在空隙，但在标准状况下， 之间存在空隙，但在标准状况下，1cm3液体中含有 液体中含有 3×10(22)个左右的分子，相邻分子间的距离约为 个左右的分子， × 个左右的分子 3.1×10(-8)cm。1cm3气体中含有 3.1×10(-8)cm。1cm3气体中含有2.7×10(19)个左右的 气体中含有2.7×10(19)个左右的 分子，相邻分子间的距离约为3.2× 分子，相邻分子间的距离约为 ×10(-7)cm 宏观：考虑宏观特性， 宏观：考虑宏观特性，在流动空间和时间上所采用 的一切特征尺度和特征时间都比分子距离和分子碰 撞时间大的多。 撞时间大的多。
2.连续介质假设的意义 2.连续介质假设的意义 排除了分子运动的复杂性。 排除了分子运动的复杂性。 表征流体性质和运动特性的物理量和力学 量为时间和空间的连续函数， 量为时间和空间的连续函数，可用数学中连续 函数这一有力手段来分析和解决流体力学问题。 函数这一有力手段来分析和解决流体力学问题。 练习题
第一章 绪论
第一节 流体力学的概念与发展简史 第二节 流体的概念及连续介质假设 第三节 流体的主要物理性质 第四节 流体的分类
第一节 流体力学的概念与发展简史 一、流体力学的概念
流体力学是力学的一个独立分支，是 流体力学是力学的一个独立分支， 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。 律及其实际应用的技术科学。
γ = lim
∆V →0
∆G ∆V
均质流体内部各点处的容重均相等： 均质流体内部各点处的容重均相等：
γ =G/ V =ρg
水的容重常用值： 水的容重常用值： γ =9800 N/m3
3、气体的比容 、 比容：指单位气体质量所具有的体积。 比容：指单位气体质量所具有的体积。 ν=1/ρ ρ （ m3/kg） ）