工程流体力学课件
全套课件-工程流体力学 冯燕

(五)牛顿流体和非牛顿流体
• 牛顿流体满足牛顿粘性定律( 常数) • 非牛顿流体切应力不仅与切变率成非线性关
系 ,而且还可能与时间有关。
三.压缩性与膨胀性
• 压缩性:流体受压后,分子间距减小,体积缩小,密度增大, 除去外力作用后能恢复原状的性质。
• 膨胀性:流体受热后,分子间距增大,体积膨胀,密度减小, 当温度下降后能恢复原状的性质。
0
273 273 t
p 101325
• ρ0为标准状态(0℃,101325Pa)下气体的密度。
三.压缩性与膨胀性
• (四)不可压缩流体模型 不可压缩流体:忽略压缩性,密度等于常数的
流体。
四.表面张力特性
• (一)液体的表面张力 • 用表面张力系数σ来度量 • 不同的液体在不同温度下具有不同表面张
• 研究流体平衡、宏观机械运动规律及其在 工程中应用的科学,是力学的一个分支学 科。
• 包括: • 基本原理 • 基本原理的应用
五、流体力学的研究方法
• 实验研究 • 理论分析 • 数值模拟 • 三种方法互相结合,为发展流体力学理论,
解决复杂的工程技术问题奠定了基础。
• 对于一些重要的工程流体力学问题的研究, 通常采用理论分析、数值模拟和实验研究相 结合的途径。
• (一)液体的压缩性
•
体积压缩系数
dV
κ=- V
•
dp
• 弹性模量 K = 1
κ
对于大多数液体,随压强的增加稍为减小。
三.压缩性与膨胀性
• (一)液体的压缩性
• K越大,愈不易压缩
• 在常温下,温度每升高1℃,水的体积相对增量仅为 万分之一点五;温度较高时,如90~100℃,也只 增加万分之七。
《工程流体力学》课件—06水波理论

t
z0
A kc cosk(x ct) g
f x, y
t
当求得波动的速度势 后,自由表面形状为
1 g
t z
压强分布根据线性化后的拉格朗日积分式
p gz 0
t
(p为相对压强)
工程流体力学
6.3 深水微幅简谐波
6.3.1 深水微幅进行波
速度势的形式:
Aekz sin k x ct
1.自由面形状
c2 g k
-1 g
条件:在研究波浪运动时,流体是不可压缩理想流
体,而且是无旋的,在流体域内必定存在速度势 ,质
量力仅仅是重力。 基本方程如下:
不可压缩流体连续方程为 v 0
工程流体力学
流体是无旋的,存在着速度势 2 x, y, z,t 0
且
u , v , w
x y
z
或
v
拉格朗日积分式为 gz p v2 0
工程流体力学
(2)波长 :在波前进的方向上两个相邻的波顶或波
底之间的水平距离;
(3)波陡:波高与波长之比,即
H
;
(4)超高 0 :在波高的一半处,作一水平线称为波浪中 线,它超出静水面的高度称为超高;对于谐波,一般超
高为零。
(5)周期 T:波形传播一个波长 所需要的时间;
(6)频率:周期的倒数,f 1 ,即单位时间内出现波的
次数;
T
工程流体力学
(7)波数 k:2π 长度内所包含波的个数,显然 k 2π
(8)波速(相位速度)c:波面向右(或向左)推进的速度
c
T
(9)波倾角:波面的倾斜度
tan z
x
(10)圆频率 : 2πf 2π ,它表示单位时间转动的角
《工程流体力学》教学课件—04流体动力学基础

6.37kW
hp =16.47 m
第四节 恒定总流动量方程和动量矩方程
2
1
dA1
1
1
u1
dA2
1
2
t时流体质点系边界
2
2
u2
t+t时流体质点系边界
恒定总流,取过流断面1-1、2-2为渐变流断面,面积为A1、A2 ,
过流断面及总流的侧表面所围空间为控制体。控制体内的流体,
经dt时间,由1-2运动到1’-2'位置。
ρ gdQ ρ gu1dA1 ρ gu2dA2
z1
p1 ρg
u12 2g
ρ
gdQ
z2
p2 ρg
u22 2g
ρ
gdQ
hl 'ρ
gdQ
上式对总流过流断面积分
z1 A1
p1 ρg
ρ
gu1dA1
u12 ρ 2g
A1
gu1dA1
z2 A2
p2 ρg
ρ
gu 2dA2
u
2 2
ρ
2g
A2
第四章 流体动力学基础
第一节 理想流体运动微分方程
流体动力学三大方程之一,是牛顿第二定律的流体 力学表达式。
一、方程推导
根据牛顿第二运动定律 在y方向有 Fy=may,即:
D'
z
A'
p
p y
dy 2
dz p(x,y,z) B' O’
dx D dy
A
B
C'
p
p y
dy 2
C
y
o
x
(p
p y
dy 2
)
d
中国石油大学(华东)工程流体力学课件

绪论主要内容:●流体力学概述●工程流体力学概述●本学期学习任务●几点要求一、流体力学概述1、流体力学:研究流体的运动和平衡的规律以及流体和固体之间相互作用的一门科学。
2、流体力学的应用(1)航空航天领域——空气动力学、稀薄空气动力学飞机、火箭、人造地球卫星、宇宙探测器、航天飞机等。
例:飞机为什么能飞?——各种飞机都是靠空气动力克服自身重力实现升空的。
飞机在空中飞行,必然有外力作用。
在水平飞行中,飞机上主要作用着4种力,它们是升力(Y)、阻力(X)、推力(P)和重力(G)。
飞机的受力直接影响飞机的运动状态,它们相互平衡时,飞机便作水平匀速直线飞行。
尽管有各个部件的配合,但是最主要的是飞机有一对采用特殊剖面形状的机翼。
翼剖面又称翼型。
大家知道,机翼外形都是采用称流线形设计。
根据流体的连续性和伯努利定理可知,相对远前方的空气来说,流经上翼面的气流受挤,流速加快,压力减小,甚至形成吸力(负压力);而流过下翼面的气流流速减慢。
于是上下翼面就形成了压力差。
这个压力差就是空气动力。
按力的分解法则,将其沿飞行方向分解成向上的升力和向后的阻力。
阻力由发动机提供的推力克服,升力正好可克服自身的重力,将飞机托向空中。
这就是飞机会飞的奥秘。
(2)船舶工业很显然,船舶工业更是离不开流体力学。
船舶、舰艇的外形直接影响到他们的航行速度、稳定性等特性,在设计时必须考虑在流体力学上如何使船体线型达到最佳。
例:潜艇现代潜艇按艇体线型的形状可分为三种,即常规型、水滴型和过渡型。
常规型适宜于水面航行,但对提高水下航速是不利的。
水滴型水下阻力小,有利于提高水下航速,但水滴型潜艇的水面航行性能较差,艇首容易上浪,而且易出现埋首现象。
过渡型潜艇是把常规型的直首和水滴型的尖尾相结合的一种潜艇线型,这种潜艇的水面航行性能优于水滴型,而水下航行性能优于常规型潜艇。
1912年秋天,"奥林匹克"号正在大海上航行,在距离这艘当时世界上最大远洋轮的100米处,有一艘比它小得多的铁甲巡洋舰"豪克"号正在向前疾驶,两艘船似乎在比赛,彼此靠得较拢,平行着驶向前方。
《工程流体力学 》PPT课件

第一章 流体及其物理性质
§1.1流体的定义和特征 §1.2流体力学发展简史 §1.3流体的连续介质假设 §1.4国际单位制 §1.5流体的密度 §1.6流体的压缩性和膨胀性 §1.7流体的粘性 §1.8液体的表面张力
为非常大,另一方面,要通过流体质点反映流体及其物 理量在空间的变化,故流体质点相对于整个流体力学问 题的区域又是非常小,即微观无限大与宏观无限小。
在大多数流体力学问题中,这个条件能够满足。
例:许多工程问题,特征尺寸大于1mm,取Vmin=1mm3, 以10-3 cm作为流体质点的特征尺寸,δV′=10-9 cm3,对 于这个流体质点,考察在标准状况下的气体,则δV′中 包含2.69×1010个分子,完全能得到与分子数无关的统 计平均特性。而另一方面,Vmin/δV′=106,也完全能体 现出流体质点的变化.
lim 包含P(x,y,z)点的流体质点的密度
m
V V V
作为P(x,y,z)点的流体密度。而一般教科书都定义:
lim
V 0
m V
这是数学上的δV→0,或上节中所述的宏观无限小。
从宏观角度,即与所述问题的整个流体体积相比, δV′→0。
现分子统计平均特性的体积。 微元体积δV′中的所有流体分子的
总体就称为流体质点。δV′就是流体质点(微团)的体积。
四、流体的连续介质假设(模型)
流体是由无数连续分布的流体质点组成的连续介质。
而表征流体特性的物理量可由流体质点的物理量代表,
且在空间连续分布。这就是流体的连续介质假设(模型)。
工程流体力学PPT课件

v x x y v v 0 y y x
v x v y
二.点源和点汇
点源:流体从某点向四周呈直线均匀径向流出的流动,这 个点称为源点。 点汇:流体从四周往某点呈直线均匀径向流入的流动,这 个点称为汇点。 设源点或汇点位于坐标原点, 从源点流出或向汇点流入的 流体速度只有径向速度 v ,而无切向速度 v ,通过半径为 r 的单位长度圆柱面流出或流入的流量为 2rrv r 1 q
§6-1 拉格朗日方程
一.拉格朗日方程的推导
dv f m p dt v 2 v f m p 2v 2 t 1 1
假设条件:无旋;定常;质量力只有重力
v2 2 1 p g 0 z z v2 1 dp gdz 0 2 v2 p z C 2g g
工程流体力学
第六章 有势流动
§6-1 §6-2 §6-3 §6-4 §6-5 拉格朗日方程 势流叠加原理 几种简单的平面势流 均匀流绕圆柱体的无环流流动 均匀流绕圆柱体的有环流流动和库塔— 儒可夫斯基定理
复习内容
1.矢量场有势的概念?
2.矢量场有势的条件?
3.速度场有势(有势流动,无旋流动)的条件;势函 数与速度之间的关系;速度势的特点?
vr 0 v 2 r
2 ln r 2
cos r2 sin r2
M cos M x 2 r 2 x 2 y 2 M sin M y 2 r 2 x 2 y 2
四.环流与点涡
(1)环流定义:无限长的直线涡束所形成的平面流动, 除涡束内的流体像刚体一样以等角速度绕自身轴旋转 外,涡束周围的流体将绕涡束轴作等角速度的圆周运 动,但并不绕自身轴转动,因此涡束周围的流动是有势 流动,又称为环流。 (2)点涡定义:无限长的涡束当其半径 r 0 时,便成 一条涡线,垂直于无限长涡线各平面中的流动,称为 点涡或自由涡。
工程流体力学总复习课件

实际流体的流动状态和能量损失计算
要点一
总结词
要点二
详细描述
描述实际流体的流动状态和能量损失的计算方法。
实际流体的流动状态和能量损失计算是流体动力学中的重 要内容。由于流体流动过程中存在摩擦和能量损失,因此 需要采用适当的模型和方法来描述实际流体的流动状态和 能量损失。常用的方法包括湍流模型、流动阻力计算、能 量方程等,这些方法可以帮助我们更好地理解和预测流体 流动的行为,为工程设计和优化提供依据。
详细描述
流体的定义是指可以流动的物质,包 括液体、气体和等离子体等。流体的 特性包括粘性、压缩性、热传导性等 ,这些特性决定了流体在运动和受外 力作用时的行为。
流体力学的应用领域
总结词
流体力学在各个领域都有广泛的应用, 包括航空航天、水利工程、环境工程等 。
VS
详细描述
在航空航天领域,流体力学研究空气动力 学和热力学的基本原理,为飞行器和航天 器的设计提供支持。在水利工程领域,流 体力学研究水流的基本规律,为水坝、水 电站和航道的设计提供依据。在环境工程 领域,流体力学研究污染物扩散和迁移的 规律,为环境保护和治理提供技术支持。
不可压缩流体的动量方程
总结词
描述流体动量变化和外力之间的关系。
VS
详细描述
不可压缩流体的动量方程是流体动力学中 的另一个重要方程,它描述了流体动量变 化和外力之间的关系。该方程基于牛顿第 二定律,适用于不可压缩流体的稳态或非 稳态流动。通过该方程,可以推导出流体 受到外力作用时的动量变化,为流体动力 学分析和工程设计提供基础。
ρg▽²h + div(ρu▽uh) = ρf - ρg▽(gh)。
解释
ρg▽²h表示重力对流体作用产生的压强梯度,div(ρu▽uh)表示流速对流体作用产生的压强梯度,ρf表示外部作用 在流体上的力产生的压强,ρg▽(gh)表示重力加速度引起的压强梯度。
工程流体力学复习 ppt课件

4.2雷诺运输定理 雷诺运输方程-揭示系统内流体参数变
化与控制体内流体参数变化之间关系。
系统与控制体的对比与关联
系统 系统
系控统制体 系 统
系统位置随运动而改变, 可能与控制位置重叠
ppt课件
39
第四章 流体动力学分析基础
4.2雷诺运输定理
雷诺运输方程-揭示系统内流体参数变 化与控制体内流体参数变化之间关系。
系统与控制体的对比与关联
系统 系统
系控统制体 系 统
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40
I II
第四章 流体动力学分析基础
4.2雷诺运输定理
III
系统内与控制体内物理量随时间变化率之关
系的推导
设B为物理量,B的质量变化率为
dB
dm
B
(
dB )dm dm
dm
dV
(4-1)
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41
ppt课件
45
I II
第四章 流体动力学分析基础
4.2雷诺运输定理
III
逐项分析下式各项:
lim lim lim dB
( dt )s
t 0
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9
流体的连续介质假设
体积无穷小的微量流体称为 “流体质 点”。
流体质点的尺寸远大于分子间距离,质 点间的距离不大于分子间距离,即认为 质点间没间隙。
流体是由无数连续分布的流体质点所组 成的连续介质。
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10
练习题
1、下列命题中正确的有( )。 A、易流动的物质称为流体 B、液体和气体均为流体 C、液体与气体的主要区别是气体易于压
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中国石油大学(华东)工程流体力学课件

绪论主要内容:●流体力学概述●工程流体力学概述●本学期学习任务●几点要求一、流体力学概述1、流体力学:研究流体的运动和平衡的规律以及流体和固体之间相互作用的一门科学。
2、流体力学的应用(1)航空航天领域——空气动力学、稀薄空气动力学飞机、火箭、人造地球卫星、宇宙探测器、航天飞机等航空器都是在大气层内活动的飞行器。
例:飞机为什么能飞?——各种飞机都是靠空气动力克服自身重力实现升空的。
飞机在空中飞行,必然有外力作用。
在水平飞行中,飞机上主要作用着4种力,它们是升力(Y)、阻力(X)、推力(P)和重力(G)。
飞机的受力直接影响飞机的运动状态,它们相互平衡时,飞机便作水平匀速直线飞行。
尽管有各个部件的配合,但是最主要的是飞机有一对采用特殊剖面形状的机翼。
翼剖面又称翼型。
大家知道,机翼外形都是采用称流线形设计。
根据流体的连续性和伯努利定理可知,相对远前方的空气来说,流经上翼面的气流受挤,流速加快,压力减小,甚至形成吸力(负压力);而流过下翼面的气流流速减慢。
于是上下翼面就形成了压力差。
这个压力差就是空气动力。
按力的分解法则,将其沿飞行方向分解成向上的升力和向后的阻力。
阻力由发动机提供的推力克服,升力正好可克服自身的重力,将飞机托向空中。
这就是飞机会飞的奥秘。
(2)船舶工业很显然,船舶工业更是离不开流体力学。
船舶、舰艇的外形直接影响到他们的航行速度、稳定性等特性,在设计时必须考虑在流体力学上如何使船体线型达到最佳。
例:潜艇现代潜艇按艇体线型的形状可分为三种,即常规型、水滴型和过渡型。
常规型适宜于水面航行,但对提高水下航速是不利的。
水滴型水下阻力小,有利于提高水下航速,但水滴型潜艇的水面航行性能较差,艇首容易上浪,而且易出现埋首现象。
过渡型潜艇是把常规型的直首和水滴型的尖尾相结合的一种潜艇线型,这种潜艇的水面航行性能优于水滴型,而水下航行性能优于常规型潜艇。
船吸现象1912年秋天,"奥林匹克"号正在大海上航行,在距离这艘当时世界上最大远洋轮的100米处,有一艘比它小得多的铁甲巡洋舰"豪克"号正在向前疾驶,两艘船似乎在比赛,彼此靠得较拢,平行着驶向前方。
工程流体力学课件

u*
结论:粘性底层中的流速随y呈线性分布。
3、粘性底层的厚度
实验资料表明:当 y 0
时,u*0 11.6
0
11.6
u*
由
0
8
v2
0
8
v2
0
8 v u*
v
8
0 11.6
32.8 32.8 d 8v v vd
0
32.8d
Re
说明: (1)粘性底层厚度很薄,一般只有十分之几毫米。 (2)当管径d相同时,随着液流的流动速度增大,雷诺数增大,粘性底层 变薄。
0
l 2 ( dux
dy
)2
k 2l 2 ( dux
dy
)2
u*
0 ky dux
dy
dux 1 dy u* k y
ux 1 ln y C u* k
(y 0 )
说明:在紊流核心区(y>08
r0 2
1 2 umax
即圆管层流的平均流速是最大流速的一半。
二、沿程损失与沿程阻力系数
v
1 2
umax
gJ 8
r0 2
J
hf L
8v gr02
hf
32 vL gd 2
( hf v1.0 )
hf
32 vL gd 2
64 L v2 Re d 2g
L v2 d 2g
三、混合长理论
普兰特假设:
(1)引用分子自由程概念,认为
ux
l1
dux dy
uy
l2
dux dy
(2)归一化处理
l 2 ( dux )2
dy
四、紊流流速分布
普兰特假设:
工程流体力学课件_孔珑_第四版

流体力学与热力学教研室
第1章 绪论 第2章 流体静力学
目 录
第3章 流体动力学原理
第4章 管流损失和水力计算
第5章 气体的一维定常流动
第1章 绪论
§1.1 流体力学发展史简述 §1.2 流体力学研究的对象和应用
§1.3 连续介质模型
§1.4 流体的主要物理性质 §1.5 作用在流体上的力 返回目录
0 C,1mm3 水含3.4×1019个分子 如此大量的分子, 容易取得它们共同 作用的有代表性的 统计平均值
气体含2.7×1016个分子
§1.3
2. 流体质点
连续介质模型
是研究流体的机械运动中所取的最小流体微元
是体积无限小而又包含大量分子的流体微团 从宏观看,和流动所涉及的物体的特征长度相比,该微团的尺度充 分小,在数学上可以作为一个点来处理
N-S方程
§1.1
流体力学发展简述
19世纪末开始,针对复杂的流体力学问题,理论分析和实验研究 逐渐密切结合起来。
O. Reynolds (1842-1912) 1883年用实验验证了粘性 流体的两种流动状态——层流 和紊流的客观存在,找到了实 验研究粘性流体运动规律的相 似准则——雷诺数,以及判别 层流和紊流的临界雷诺数。
§1.1
流体力学发展简述
T. von Karman (1881-1963)
提出了分析带旋涡尾 流及其所产生的阻力的 理论——卡门涡街
提出了计算紊流粗糙 管阻力系数的理论公式
§1.1
流体力学发展简述
周培源 (1902- 1993)
钱学森 (1911-)
主要从事物理学的基础 理论中难度最大的两个方面, 即爱因斯坦广义相对论引力 论和流体力学中的湍流理论 的研究与教学并取得出色成 果。
流体动力学基础(工程流体力学).ppt课件

dV
II '
t t
dV
II '
t
dt t0
t
lim
dV
III
t t
dV
I
t
t 0
t
δt→0, II’ → II
x
nv
z
III
v II ' n
I
o y
20 20
dV
dV
II
tt II
t
lim t t0
t
dV
dV
lim III
t t
t0
t
v cosdA
质点、质点系和刚体 闭口系统或开口系统
均以确定不变的物质集协作为研讨对象!
7 7
定义:
系统(质量体)
在流膂力学中,系统是指由确定的流体质点所组成的流 体团。如下图。
系统以外的一切统称为外界。 系统和外界分开的真实或假象的外表称为系统的边境。
B C
A
D
Lagrange 方法!
系统
8
8
特点:
(1) 一定质量的流体质点的合集 (2) 系统的边境随流体一同运动,系统的体积、边境面的
31 31
固定的控制体
对固定的CV,积分方式的延续性方程可化为
CS
ρ(
vn
)dA
CV
t
dV
运动的控制体
将控制体随物体一同运动时,延续性方程方式不变,只
需将速度改成相对速度vr
t
dV
CV
CS (vr n)dA 0
32 32
延续方程的简化
★1、对于均质不可压流体: ρ=const
dV 0
令β=1,由系统的质量不变可得延续性方程
《工程流体力学》课件—09边界层理论

或者
dFD dx
0
FD
U02
0
u U0
1
u U0
dy
U02
m
上式中 m为动量厚度 。
dFD dx
U
2 0
d m
dx
0
工程流体力学
若定义平板局部摩擦因数
Cf
0
1 2
U
2 0
Cf
2 dm
dx
公式(9.10)和(9.11)称为平板边界层的动量积分方 程,又称为卡门方程。只要知道边界层的动量厚度m , 就可利用两公式求出平板表面切应力分布和摩擦阻力 。
Rex
U0x
为平板的局部雷诺数。当 x l 时 ,其中 l 为平板沿
流方向的长度,则
Rel
U0l
称为平板的雷诺数。
边界层内是黏性流体,因此也存在层流和湍流两
种流态。
测量表明实现转捩的下临界局部雷诺数为
工程流体力学
Rexcr =(3.5~5.0)10 5
在计算中一般取 Rexcr 5.0 105 。 平板边界层流动状态的转捩点位置为
u U0
1
u U0
sin
π 2
1
sin
π
2
sin
π 2
1 2
1
cos
π
因此由式(9.4)动量厚度为
m
0
u U0
1
u U0
dy
1 sin 0
π
2
1 2
1
cos π
d
0.136
9
由牛顿内摩擦定律
0
uyy0
U0
u
U0
工程流体力学
工程流体力学课件.

流体力学与热力学教研室
第1章 绪论 第2章 流体静力学
目 录
第3章 流体动力学原理
第4章 管流损失和水力计算
第5章 气体的一维定常流动
第1章 绪论
§1.1 流体力学发展史简述 §1.2 流体力学研究的对象和应用
§1.3 连续介质模型
§1.4 流体的主要物理性质 §1.5 作用在流体上的力 返回目录
流体平衡的条件及压强分布规律
4. 流体力学 的研究内容
流体运动的基本规律
流体绕流某物体或通过某通道时的速度分布、压强分 布、能量损失以及流体与固体间的相互作用
§1.2
流体力学研究的对象和应用
5. 流体力学的研究方法
研究方法 进行步骤 建立理论模型→建立方程 组与定解条件→求解析解 →算例验证 建立实验模型并选取实验 介质→测定有关物理量→ 拟合实验数据找出准则方 程式 建立理论模型→建立方程 组与定解条件→编制计算 程序→计算并分析答案 优点 缺点 数学难度大, 分析解有限
§1.1
流体力学发展简述
L. Prandtl (1875-1953)
建立边界层理论,解释了 阻力产生的机制 针对紊流边界层,提出混 合长度理论
§1.1
流体力学发展简述
儒科夫斯基 H. E. (1847-1921)
找到了翼型升力和绕翼型 的环流之间的关系,建立了二 维升力理论的数学基础,为近 代高效能飞机设计奠定了基础。
流体具有明显的流动性。
§1.2
流体力学研究的对象和应用
固体、液体、气体的区别
呈现易流动性?
是
流体 固体
否
状态 液体 气体
有无固定体积 有 无
能否形成自由液面 能 否
工程流体力学教学课件

第6章 水波理论
§ 6-1 二维波动的数学表达 § 6-2 波浪运动的基本方程与边界条件 § 6-3 深水微幅简谐波 § 6-4 有限深度微幅波动 § 6-5 界面波 § 6-6 波群和波群速 § 6-7 波浪的能量和波阻 返回
工程流体力学
第7章 黏性流体动力学
§ 7-1 黏性流体的运动微分方程式 § 7-2 量纲分析 § 7-3 相似理论 § 7-4 模型实验基础 返回
工程流体力学
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第10章 一维气体动力学基础
§ 10-1 声速和马赫数 § 10-2 气体一维恒定流动的基本方程 § 10-3 喷管的等熵出流 § 10-4 可压缩气体管道流动 返回
工程流体力学
工程流体力学
第4章 理想流体动力学
§ 4-1 欧拉运动微分方程式 § 4-2 伯努利方程 § 4-3 伯努利方程的实际应用 § 4-4 恒定流动的动量定理和动量矩定理 返回
工程流体力学
第5章 平面势 § 5-3 求解平面势流复势的方法 § 5-4 作用在物体上的力和力矩 返回
工程流体力学
第1章 绪论 第2章 流体静力学 第3章 流体运动学 第4章 理想流体动力学 第5章 平面势流理论 第6章 水波理论 第7章 黏性流体动力学 第8章 圆管中的流动 第9章 边界层理论 第10章 一维气体动力学基础
第1章 绪论
§ 1-1 流体力学的任务与研究对象 § 1-2 作用在流体上的力 § 1-3 流体的主要力学性质 返回
工程流体力学
第8章 圆管中的流动
§ 8-1 雷诺实验、层流和紊流 § 8-2 圆管层流运动 § 8-3 圆管湍流运动 § 8-4 湍流的沿程水头损失 § 8-5 管道流动的局部水头损失 返回
《工程流体力学》 杨树人 第2-4章 课件

目录
• 第2章 流体静力学 • 第3章 流体动力学基础 • 第4章 流体阻力和水头损失 • 第5章 量纲分析与相似原理
01
第2章 流体静力学
流体静力学基本概念
流体
流体是气体和液体的总称,具有流动性和可压缩 性。
静止流体
不发生宏观运动的流体。
平衡状态
流体处于静止状态时的受力平衡状态。
流体静力学基本方程
流体静力学基本方程
p + ρgh + p0 = 常数(适用于不可 压缩流体)。
p
流体压强;ρ:流体密度;g:重力加 速度;h:流体高度;p0:大气压强 。
静水压强分布及特性
静水压强
液体静止时对固体表面的压力。
静水压强特性
静水压强随深度增加而增大,在同一深度上,各方向静水压强相等 。
静水压强分布规律
在重力场中,静止液体内部压强随深度增加而线性增大。
02
第3章 流体动力学基 础
流体动力学基本概念
流体
在任何外力作用下都不能保持 其固有形状和体积的物质。
流体静力学
研究流体处于静止状态时的平 衡规律及其作用力的科学。
流体动力学
研究流体运动规律及其作用力 的科学。
牛顿流体
流体的应力与应变率成正比的 流体。
湍流阻力与水头损失
湍流阻力
当流体在管道中以湍流状态流动时,由于流体质点间的相互碰撞、混合,会产生较大的阻力。湍流阻 力和流速、管道长度、管道直径等因素有关。
水头损失
在湍流状态下,由于流体分子间的内摩擦力和流体质点间的相互碰撞、混合,使得流体机械能减小, 称为水头损失。水头损失与流速、管道长度、管道直径等因素有关。
工程流体力学基础课件

(录象) 布朗运动
(录象)表面张力a
(录象)表面张力其研究内容的侧重点不同,分为理论流体力学和工程流体力 学,理论流体力学主要运用严密的数学推理方法,力求结果的准确性和 严密性;工程流体力学则侧重于解决工程实际中出现的问题,而不去追 求数学上的严密性。从历史发展角度分为古典流体力学、试验流体力学 和现代流体力学,古典流体力学是在古典力学基础上,运用严密的数学 工具,建立有关理想流体及实际流体的基本运动方程,但实际情况往往 比理论假设不符。实验流体力学是工程技术人员用实验方法制定一些经 验公式,满足工程需要,但有些公式缺乏理论基础。近来发展成的现代 流体力学是由实验方法和理论分析相结合,实践和理论并重的学科。 目前流体力学已经发展出许多分支,如:《环境流体力学》、 《计 算流体力学》、 《高等流体力学》、《电磁流体力学》、《化学流体力 学》、《生物流体力学》、《高温气体力学》 、《非牛顿流体力学》、 《工业流体力学》、《随机水流体力学》、《坡面流体力学》、《高速 流体力学》、《流体动力学》、《空气动力学》、《多相流体力学》、 《实验流体力学》、《爆破力》等。在公路与桥梁工程中,在地下建筑、 岩土工程、水工建筑、矿井建筑等土木工程等各个分支中,也只有掌握 好流体的各种力学性质和运动规律,才能有效地、正确地解决工程实际 中所遇到的各种流体力学问题。
工程流体力学电子课件

汽车阻力来自前部还是后部? 汽车阻力来自前部还是后部?
汽车发明于19世纪末, 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 19世纪末 空气的撞击,因此早期的汽车后部是陡峭的,称为箱型车, 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 0.8。 系数CD很大,约为0.8。
工程流体力学 工程流体力学
目录
第1章 绪论 第2章 流体静力学 第3章 流体动力学理论基础 第4章 量纲分析与相似原理 第5章 流动阻力与水头损失 孔口、 第6章 孔口、管嘴及有压管流 第7章 明渠恒定流动 第8章 堰流 第9章 渗流
教材及教学参考书
禹华谦主编,工程流体力学, 禹华谦主编,工程流体力学,第1版,高等教育出版社,2004 高等教育出版社, 禹华谦主编,工程流体力学(水力学), ),第 禹华谦主编,工程流体力学(水力学),第2版,西南交通大学 出版社, 出版社,2007 黄儒钦主编,水力学教程, 西南交通大学出版社, 黄儒钦主编,水力学教程,第3版,西南交通大学出版社,2006 刘鹤年主编,流体力学, 中国建筑工业出版社, 刘鹤年主编,流体力学,第1版,中国建筑工业出版社,2001 李玉柱主编,流体力学, 高等教育出版社, 李玉柱主编,流体力学,第1版,高等教育出版社,1998 禹华谦主编,水力学学习指导,西南交通大学出版社, 禹华谦主编,水力学学习指导,西南交通大学出版社,1998 禹华谦编著,工程流体力学新型习题集,天津大学出版社, 禹华谦编著,工程流体力学新型习题集,天津大学出版社,2006
汽车阻力来自前部还是后部? 汽车阻力来自前部还是后部?
实际上汽车阻力主要来自后部形成的尾流,称为形状阻力。 实际上汽车阻力主要来自后部形成的尾流,称为形状阻力。
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流体力学绪论第一章流体的基本概念第二章流体静力学第三章流体动力学第四章粘性流体运动及其阻力计算第五章有压管路的水力计算第六章明渠定常均匀流第九章泵与风机
绪论一、流体力学概念流体力学——是力学的一个独立分支,主要研究流体本身的静止状态和运动状态,以及流体和固体界壁间有相对运动时的相互作用和流动的规律。1738年伯努利出版他的专著时,首先采用了水动力学这个名词并作为书名;1880年前后出现了空气动力学这个名词;1935年以后,人们概括了这两方面的知识,建立了统一的体系,统称为流体力学。研究内容:研究得最多的流体是水和空气。1、流体静力学:关于流体平衡的规律,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;2、流体动力学:关于流体运动的规律,研究流体在运动状态时,作用于流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。基础知识:主要基础是牛顿运动定律和质量守恒定律,常常还要用到热力学知识,有时还用到宏观电动力学的基本定律、本构方程(反映物质宏观性质的数学模型)和物理学、化学的基础知识。二、流体力学的发展历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等。流体力学的萌芽:距今约2200年前,希腊学者阿基米德写的“论浮体”一文,他对静止时的液体力学性质作了第一次科学总结。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,奠定了流体静力学的基础。此后千余年间,流体力学没有重大发展。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,帕斯卡阐明了静止流体中压力的概念。但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。流体力学的主要发展:17世纪,力学奠基人牛顿(英)在名著《自然哲学的数学原理》(1687年)中讨论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。使流体力学开始成为力学中的一个独立分支。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。之后,皮托(法)发明了测量流速的皮托管;达朗贝尔(法)对运动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;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(瑞士)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。从18世纪起,位势流理论有了很大进展,在水波、潮汐、涡旋运动、声学等方面都阐明了很多规律。法国拉格朗日对于无旋运动,德国赫尔姆霍兹对于涡旋运动作了不少研究……。在上述的研究中,流体的粘性并不起重要作用,即所考虑的是无粘性流体。这种理论当然阐明不了流体中粘性的效应。19世纪,工程师们为了解决许多工程问题,尤其是要解决带有粘性影响的问题。于是他们部分地运用流体力学,部分地采用归纳实验结果的半经验公式进行研究,这就形成了水力学,至今它仍与流体力学并行地发展。1822年,纳维(法)建立了粘性流体的基本运动方程;1845年,斯托克斯(英)又以更合理的基础导出了这个方程,并将其所涉及的宏观力学基本概念论证的令人信服。这组方程就是沿用至今的纳维-斯托克斯方程(简称N-S方程),它是流体动力学的理论基础。上面说到的欧拉方程正是N-S方程在粘度为零时的特例。普朗克学派从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,边界层内流动状态和流体同固体间的粘性力。同时普朗克(德)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。20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,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(俄)、恰普雷金(俄)、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。机翼理论和边界层理论的建立和发展是流体力学的一次重大进展,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到每秒50米以上,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,飞行器速度超过声速,进而实现了航天飞行,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。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。此后,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。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。从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一新的分支学科。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。
在我国,水利事业的历史十分悠久:•4000多年前的“大禹治水”的故事——顺水之性,治水须引导和疏通。•秦朝在公元前256—公元前210年修建了我国历史上的三大水利工程都江堰(平面图、视频)、郑国渠、灵渠——明渠水流、堰流。•古代的计时工具“铜壶滴漏”——孔口出流。•清朝雍正年间,何梦瑶在《算迪》一书中提出流量等于过水断面面积乘以断面平均流速的计算方法。•隋朝(公元587—610年)完成的南北大运河。
隋朝工匠李春在冀中洨河修建(公元605—617年)的赵州石拱桥——拱背的4个小拱,既减压主拱的负载,又可宣泄洪水。三、流体力学的应用1、课程的性质与目的性质:流体力学是研究流体机械运动规律及其应用的学科,是一门必修的专业基础课程。研究对象以水为主体,旁及气体与可压缩流体;研究内容:机械运动规律和工程应用。目的:通过各教学环节,使学生掌握流体运动的基本概念,基本理论,基本计算方法与实验技能,培养分析问题的能力和创新能力,为学习专业课程,并为将来从事专业技术工作打下基础。地位:为水污染控制工程、大气污染控制工程、环境工程设计等多门专业课程阐释所涉及的流体力学原理。其他:a.素质教育——“力学文化”、“水文化”。b.研究生入学考试:工程流体力学(水力学)往往成为研究生入学考试中的专业基础课之一。2、流体力学的应用流体是人类生活和生产中经常遇到的物质形式,因此许多科学技术部门都和流体力学有关。例如水利工程、土木建筑、交通运输、机械制造、石油开采、化学工业、生物工程等都有大量的流体问题需要应用流体力学的知识来解决,事实上,目前很难找到与流体力学无关的专业和学科。(1)在流体力学已广泛用于土木工程的各个领域,如建筑工程和土建工程中的应用。如基坑排水、路基排水、地下水渗透、地基坑渗稳定处理、围堰修建、海洋平台在水中的浮性和抵抗外界扰动的稳定性等。(2)在市政工程中的应用。如桥涵孔径设计、给水排水、管网计算、泵站和水塔的设计、隧洞通风等,特别是给水排水工程中,无论取水、水处理、输配水都是在水流动过程中实现的。流体力学理论是给水排水系统设计和运行控制的理论基础。观看录像(3)城市防洪工程中的应用。如堤、坝的作用力与渗流问题、防洪闸坝的过流能力等。(4)在建筑环境与设备工程中的应用。如供热、通风与空调设计,以及设备的选用等。
例1高位取水的电力大于低位取水的电力?实际发电电能相同例2在98长江特大洪水时,有人提出了一个紧急提案:调用休渔期的数百只船至长江中游,抛锚后,齐开足马力用螺旋桨推动水流加大流速,降低长江上下游的洪水位?
异想天开3、本课程基本要求通过本课程学习应达到的基本要求是:(1)具有较为完整的理论基础,包括:①掌握流体力学的基本概念;②熟练掌握分析流体力学的总流分析方法;③掌握流体运动能量转化和水头损失的规律。(2)具有对一般流动问题的分析和讨论能力,包括:①水力荷载的计算;②管道、渠道和堰过流能力的计算,井的渗流计算;