工程流体力学10-课程
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。
完整版工程流体力学教案
授课时间班级授课顺序第1次课课题绪论、流体的物理性质目的要求1、了解流体力学工程与历史背景；2、了解流体力学的研究方法；3、明确理解流体的概念及连续介质假设、流体的主要物理参数；4、掌握牛顿内摩擦定律.教学内容要占八、、1、工程流体力学的研究任务和研究方法2、流体的概念及连续介质假设3、流体的主要物理参数4、流体的粘性工一■—重点：流体的概念及连续介质假设、流体的粘性、牛顿内摩擦定律.J2T 1任J27难点：连续介质假设、牛顿内摩擦定律.通过经典力学的知识引入本门课程,结合大量的实例讲解流体力学的开展过程及其重要性,增加学生对本课程的学习积极性.本此课以讲 述为 主,结合多媒体手段.1导论 1.1 工程流体力学的研究任务和研究方法 讲清工程流体力学的研究对象、研究内容、开展历程和研究方法,重 点介绍流体力学的开展历程和研究方法.说明工程流体力学在工程实践中的具体应用范围, 有重点地介绍流 体力学新的开展方向及在生产生活中的作用.〔20分钟〕通过与固体力学的比拟,引出流体力学各物理参数的概念,以及连续 介质假设和牛顿内摩擦定律.把抽象的概念具体化.____ 彳 0 ：玄右卜"今 R /4寺/S 山侬也教 学 思路与 教法设 计首先介绍流体的概念,并对物质的根本属性进行总结,突出介绍流体与固体之间的差异所在.〔8分钟〕讲清流体质点概念、流体连续介质模型的主要物理意义.〔12分钟〕1.2流体的密度、重度、比体积与相对密度讲清流体几个根本物理量,使学生掌握流体的密度、重度、比体积与相对密度的根本定义和公式,并对常见的水和空气的一些参数有所了解. 〔10分钟〕讲解流体的热膨胀性和可压缩性定义及计算公式,使学生掌握体积膨胀系数、体积压缩率和体积模量的概念和物理意义.〔10分钟〕1.3流体的粘性本节为重点,详细向学生介绍粘性的定义和牛顿内摩擦定律以及粘性的表示方法和单位,应使学生掌握动力粘度、运动粘度和恩氏粘度三者之间的区别和变换关系.最后向学生介绍粘度的变化规律,理想流体和实际流体.〔25分钟〕小结.布置作业：习题：1-9； 1T0; 〔5分钟〕通过生活中有趣的流表达象分析,学生对课程产生了一定的兴趣.课后分析授课时间班级授课顺序第2次课课题流体静力学目目的要V9 求1、明确理解流体静压强及根本特性；2、掌握流体静力学根本方程；3、掌握静压强的计算；4、掌握静压强的表示方法.教学内容要点1、作用于静止流体上的力2、流体静压强及其特性3、静止流体的平衡微分方程4、重力作用下静止流体中的压强分布规律5、静压强的表示方法及其单位重占难占重点：静止流体的平衡微分方程的建立及应用. 难点：静止流体的平衡微分方程的建立及应用.教学路与教旺设计2流体静力学介绍流体静力学定义以及流体静止状态的两种形式：相对静止和绝对静止.〔5分钟〕2.1作用于静止流体上的力画图讲解静止流体所受作用力的种类以及质量力和外表力的性质. 重点讲清质量力与惯性力之间的关系.〔10分钟〕2. 2流体静压强及其特性介绍压强的概说明流体静压强的两个重要特性.详细推导特性二,并给出流体静压强全微分公式,说明流体静压强是标量的具体含义.〔15分钟〕2. 3静止流体的平衡微分方程式画图推导静止流体的平衡微分方程式,并说明其物理意义.〔分钟〕综合平衡微分方程,得出压强差公式.介绍力势函数、有势力的定义以及相应的物理意义.〔10分钟〕给出等压面XE义,并由压强差公式引出等压面方程,介绍等压面的三个性质,由此说明判断等压面的原那么和方法.〔10分钟〕2.4重力作用下静止流体中的压强分布规律说明重力场中流体的根本特征,并推出流体静力学根本方程,详细分析流体静力学根本方程的能量意义和几何意义. 集中介绍概念：位置水头、压强水头、静力水头和淹深的概念.〔15分钟〕2. 5静压强的表示方法及其测量介绍概念大气压强、表压强、绝对压强和真空度,并对它们之间的关系画图详细说明.〔5分钟〕讲解压强测量的三种主要方式,并说明每一种的具体应用场合.详细介绍测压管、测压计、差压计和微压计的主要原理和具体测量方法.〔10分钟〕教学内容安排恰当,课堂节奏紧凑,学生对本次课内容理解较好.课后分析授课时间班级授课顺序第3次课课题流体静力学目的1、掌握相对平衡的问题.要求教学内容要1、流体的相对静止占八、、重占难占重点：流体的相对静止.难点：流体的相对静止.2.7流体的相对静止再次强调流体的相对静止意义,简单说明静止流体在容器作等速直线 运动时遵守流体静力学根本规律.〔10分钟〕分析静止流体在容器作等加速直线运动时的平衡规律,重点说明对此 类问题的具体分析方法：先写出流体的单位质量力,再列出等压面方 程,而后推导出流体静压强分布规律,得出最终的流体压强分布公式. 〔25分钟〕由此再推导出二种特例情况下流体静压强分布规律.〔20分钟〕分析静止流体在容器作等角速度旋转运动时的平衡规律,重点说明对 此类问题的具体分析方法：先写出流体的单位质量力,再列出等压面方 程,而后推导出流体静压强分布规律,得出最终的流体压强分布公式.〔20分钟〕由此再推导出两种特例情况下流体静压强分布规律.60分钟〕教 学 思路与 教法设 计小结.〔5分钟〕应该多结合具体实例讲解该局部内容. 课后分析授课时间班级授课顺序第4次课课题流体静力学目的要求1、掌握静止流体对平壁和曲壁合力的计算；教学内容要占八、、1、静止流体对壁面作用力的计算重占难占重点：静止流体对平壁和曲壁的合力计算.难点：静止流体对平壁和曲壁的合理计算.教学思路与教法设计2.6静止流体对壁面作用力的计算总压力概念.介绍本节主要内容.〔10分钟〕讲解静止流体对平面壁总压力的计算,之中介绍面积矩、惯性矩和压力中央等概念.〔20分钟〕讲解静止流体对曲面壁总压力的计算,重点说明压力体定义及其具体确定方法,并由此简述阿基米德原理.〔25分钟〕讲解实例.〔15分钟〕小结,布置本草习题：习题：2-4； 2-10； 2-13 ； 2-15； 2-18. 〔10分钟〕学生对压力体的理解有一定难度.课后分析授课时间班级授课顺序第5次课课题流体运动学根底r理解描述流体运动的方法;目的2、理解流体运动中的根本概念；要求3、掌握连续性方程的意义和作用.内容要1、研究流体运动的两种方法卜2、流体运动中的根本概念八、\3、连续性方程重点：流线和迹线的求法、连续性方程的意义和作用. 占又隹占难点：流线和迹线的求法.3流体运动学根本方程流体运动学定义,描述流体运动的几个根本运动规律.〔10分钟〕3.1研究流体运动的两种方法流场的概念,介绍研究流体运动的两种方法：拉格朗日法和欧拉法.教学主要说明两种方法的异同点,重点介绍欧拉法.〔15分钟〕思路与3.2流体运动中的根本概念教法设讲解欧拉法分析流体运动时的几个根本概念：定常流动、非定常流计动、均匀流动、一维流动、迹线、流线〔重点〕、流管、流束、过流断面、流量、平均速度.〔35分钟〕3. 3连续性方程式说明流体运动遵循的质量守恒定律就是连续性方程.〔25分钟〕小结,布置本章习题：3-1； 3-5o 〔5分钟〕到达了预期的教学效果. 课后分析授课时间班级授课顺序第6次课课题伯努利方程目的要求1、理解不可压缩理想流体的运动方程2、掌握伯努利方程的意义及应用教学内容要占八、、1、理想流体的运动微分方程式2、理想流体的伯努利方程式3、实际流体总流的伯努利方程式4、伯努利方程的应用重占难占重点：伯努利方程的意义及应用.难点：伯努利方程的意义及应用.教学思路与教法设计3流体运动学根本方程流体动力学定义及研究内容.〔5分钟〕3. 4理想流体的运动微分方程式画图推导理想流体的欧拉运动微分方程式,并说明各局部物理意义. 〔15分钟〕3. 5理想流体的伯努利方程式利用外力做功的能量关系,推导理想流体沿流线的伯努利方程式.〔10分钟〕引进几个根本概念：动能修正系数、缓变流动、缓变过流断面.〔10 分钟〕画图推导理想流体总流的伯努利方程式,并联系流体静力学根本方程说明各局部参量的能量意义和几何意义.〔10分钟〕3.7实际流体总流的伯努利方程式及其应用根据对理想流体总流的伯努利方程的修正得到实际流体总流的伯努利方程形式,并说明其应用条件.〔15分钟〕介绍毕托管、文丘里流量计的分析过程.〔25分钟〕通过数学函数的推导,学生能更好理解伯努利方程.课后分析授课时间班级授课顺序第7次课课题伯努利方程的应用目的要求1、掌握伯努利方程的意义及应用教学内容要占八、、1、伯努利方程的应用重占难占重点：伯努利方程的建立.难点：伯努利方程的建立.教学思路与教法设计3. 8实际流体总流的伯努利方程式及其应用讲解伯努利方程的物理意义,伯努利应用的条件,以及如何建立伯努利方程式.〔15分钟〕介绍孔板流量计和射流泵原理及分析过程.〔35分钟〕最后,结合几道具体的例题讲解,并做随堂练习.〔40分钟〕教学内容和方法安排得当,学生对此局部内容找我较好. 课后分析授课时间班级授课顺序第8次课课题动量定理及其应用目的要求1、掌握动量方程及其应用；2、了解动量矩方程.教学内容要占八、、1、动量定理及其应用2、动量矩定理及其应用重占难占重点：动量定理及其应用.难点：3.11动量定理及其应用详细推导流体的动量守恒原理,并对动量定理的几种不同形式进行分说明其各局部含义.利用动量方程对流体运动的几种典型情况进 行求 〔70分钟〕简单介绍动量矩定理,以及它应用的方面.〔10分钟〕 小结,布置本章习题：3-11； 3-14； 3-22； 3-27； 3-36.〔 10 分析, 教学解. 思路与 教法设 计 钟〕学生对流体的受力分析理解不是很透彻. 课后分析授课时间班级热动普授课顺序第9次课课题习题课目的对所学的知识进行总结要求教学内容要作业讲评占八、、重占难占教学思路与教法设计把学生没有掌握透彻的知识,通过实例讲解进行分析,到达了预期的课后效果分析授课时间班级授课顺序第10次课课题流体在管路中的流动目的要求1、掌握流体运动分两种类型及判别方法；2、正确理解层流和紊流的特征；3、了解沿程能量损失和局部能量损失的原因；4、掌握沿程能量损失的计算.教学内容要占八、、1、管路中流体流动的两种状态2、能量损失的两种形式3、圆管中的层流流动重占难占重点：恒定均匀流的沿程损失.难点：恒定均匀流的沿程损失.教学思路与教法设计4流体在管路中的流动介绍流体流动的主要方式.〔10分钟〕4.1管路中流体流动的两种状态介绍雷诺实验装置及实验过程,说明流动的三种不同状态：层流、湍流和过渡状态.并重点解释雷诺数和上、下临界流速等概念.〔25 分钟〕4. 2能量损失的两种形式利用公式说明流动阻力的两种形式：沿程阻力和局部阻力.并利用伯努利方程向学生解释清楚能量损失的具体物理含义.〔25分钟〕4. 3圆管中的层流流动利用牛顿内摩擦定律推导出圆管中的层流流动微分方程, 并以此分别导出速度分布公式、流量公式以及切应力分布公式.〔30分钟〕通过多媒体动画演示实际流动状态,学生很容易理解.课后分析授课时间班级授课顺序第11次课课题流体在管路中的流动目的要求1、掌握圆管中的湍流流动；2、掌握沿程阻力系数和局部阻力系数确实定；3、了解管路计算原那么和根本方法.教学内容要占人1、圆管中的湍流流动2、管中流动沿程阻力系数确实定3、局部阻力系数确实定4、管路计算重占难占重点：沿程阻力系数和局部阻力系数确实定.难点：沿程阻力系数和局部阻力系数确实定.教堂思路与教法设计4.5圆管中的湍流流动首先说明湍流与层流的本质区别,而后介绍研究湍流的统计时均法,主要解释概念：脉动、时均速度、时均值等.〔15分钟〕由时均速度引出湍流流动的时均速度结构,着重介绍粘性底层厚度.并根据雷诺数大小说明水力光滑流水力粗糙流动是湍流流动的两种不同流动状态,并穿插介绍水力光滑管和水力粗糙管概念.〔15 分钟〕根据普朗特混和长度理论,推导出湍流切应力分布规律公式和断面速度分布公式.〔15分钟〕4. 8管中流动沿程阻力系数确实定由管道沿程损失引出尼古拉兹实验,并说明参量间关系.此后利用尼古拉兹曲线图说明流体流动在五个区域流动中入值的理论和经验公式计算方法.由此再说明莫迪图与尼古拉兹曲线图二者之间的关系, 以及莫迪图的使用方法.〔20分钟〕4. 9局部阻力系数确实定介绍局部能量损失的三种形式,并说明产生局部能量损失的主要原因.〔5分钟〕详细讲解断面忽然扩大的局部阻力系数计算方法及过程.说明Z i 和Z 2代表的意义.〔10分钟〕小结,布置习题：4-8 ; 4-13.〔10分钟〕内容较多,学生应该课下及时看书复习.课后分析授课时间班级授课顺序第12次课课题相似理论和量纲分析目的要求1、掌握量纲分析法及其应用；2、掌握力学相似概念和主要相似准那么的意义及应用.教学内容要占八、、1、相似理论2、量纲分析及其应用重占难占重点：量纲一致原理及相似理论.难点：量纲一致原理应用.教学思路与教法设计相似理论详细讲解力学相似的概念,推倒主要的相似判据,重力相似判据、粘性力相似判据和压力相似判据〔30分钟〕量纲分析及其应用详细讲解布金汉定理.结合实例讲解布金汉定理的应用〔50分钟〕本章小结.〔10分钟〕学生对布金汉定理的理解有一定难度. 课后分析授课时间班级授课顺序第13次课课题压力管路目的要求1、掌握压力管路的分类；2、掌握压力管路的水力计算；教学内容要占八、、1、压力管路的分类2、压力管路的水力计算重占难占重点：串并联管路的水力计算.难点：串并联管路的水力计算.压力管路介绍压力管路在工程实际中的主要应用.〔10分钟〕压力管路的分类〔10分钟〕教学思路与教法设计长管的水力计算〔20分钟〕复杂管路的水力计算〔50分钟〕根本完本钱次课的相关内容. 课后分析授课时间班级授课顺序第14次课课题压力管路目的要求1、掌握压力管路的水力计算；教学内容要占八、、1、压力管路的水力计算重占难占重点：分支管路的水力计算.难点：分支管路的水力计算.教学思路与教法设计压力管路复杂管路的水力计算〔60分钟〕短管的水力计算〔30分钟〕根本完本钱次课的相关内容. 课后分析授课时间课题孑L 口出流目的要求1、掌握孔口出流的分类；2、掌握薄壁小孔出流的特征；教学内容要占八、、1、孔口出流的分类2、薄壁小孔口自由出流重占难占重点：薄壁小孔出流.难点：薄壁小孔出流.教学思路与教法设计孔口出流介绍孔口出流在工程实际中的主要应用和研究方法.〔10分钟〕孔口出流的分类本节主要讨论孔口出流的一些根本概念：薄壁孔口、厚壁孔口、大孔口、小孔口、自由出流、淹没出流.重点介绍薄壁孔口和厚壁孔口的主要技术特征.〔20分钟〕薄壁小孔口自由出流分析推导薄壁小孔口自由出流时的各个特征参数计算公式.〔60分钟〕课后分析学生独立分析实际问题的水平还有欠缺.授课时间课题一元不稳定流失目的要求1、了解水击的现象；2、了解水击压力计算和水击的预防.教学内容要占八、、1、水击的产生和水击波的传播2、水击的分类3、水击压力的计算4、水击的预防和利用重占难占重点：水击的预防和利用难点：水击的预防和利用充分利用多媒体软件的特点给学生演示水击的这个动画过程. 结合实际的流体运动,再进行相关的理论知识分析.教学思路与教法设计课堂反响较好. 课后分析授课时间班级授课顺序第17次课课题非牛顿流体目的要求1、掌握非牛顿流体的流变性和流变方程；2、塑性流体的流动规律；3、了解塑性流体的水力计算.教学内容要占八、、1、非牛顿流体的流变性和流变方程；2、塑性流体的流动规律.重占难占重点：非牛顿流体的流变性和流变方程；塑性流体的流动规律.难点：塑性流体的流动规律教学思路与教法设计非牛顿流体介绍流变性的相关概念,以及非牛顿流体的流变曲线〔20分钟〕重点讲解塑性流体的静止根本规律和运动规律,分析其流动状态,以及与水头损失之间的关系.〔40分钟〕讲解钻井工程中,钻井泵压力和功率的相关计算.〔25分钟〕本章小结,布置本章习题：6-6o 〔5分钟〕课后分析学生对实际应用有很浓厚的兴趣.授课时间班级授课顺序第18次课课题气体的一元流动目的要求1、掌握压力波的传播、音速、马赫数；2、掌握一元稳定流的根本方程.教学内容要占八、、1、声速和马赫数2、可压缩气体的一元流动的根本方程式重占难占重点：一元稳定流的根本方程.难点：一元稳定流的根本方程.教学思路与教法设计气体的一元流动简单介绍气体一元流动的概念及气体动力学研究内容和对象.〔5 分钟〕声速和马赫数通过例子推导出气体运动传播速度公式〔三种不同形式〕.〔15 分钟〕介绍马赫数概念及物理意义.〔5分钟〕可压缩气体的一元流动的根本方程式与液体的伯努利方程以及连续性方程比拟,推导出可压缩气体的一元流动的连续性方程和伯努利方程.〔20分钟〕小结,布置习题：7-3 ；7-4o 〔5分钟〕随堂练习〔40分钟〕教学效果较好. 课后分析授课时间班级授课顺序第19次课课题气体的一元流动目的1、掌握一元气流的根本特征要求2、了解气体在变截面管〔喷嘴〕中的流动教学内容要占八、、1、一元气流的根本特征2、气体在变截面管〔喷嘴〕中的流动重占难占重点：一元气流的根本特征.难点：一元气流的根本特征.本节米用自学加提问的方式进行教学.教学思路与教法设计完本钱堂课的教学方案.课后分析。
中国石油大学工程流体力学教案
中国石油大学工程流体力学教案一、课程简介工程流体力学是研究流体在工程中的应用和行为的科学，它涉及到流体的运动规律、动力学特性以及流体与固体相互作用的规律。
本课程旨在使学生掌握流体力学的基本理论、方法和应用，为他们在石油工程、化工、能源等领域的工作提供必要的流体力学知识。
二、教学目标通过本课程的学习，学生应能：1. 理解并掌握流体力学的基本概念、原理和定律；2. 运用流体力学的理论和方法分析和解决实际工程问题；3. 掌握流体力学在石油工程等领域的应用；4. 培养科学思维和创新能力，提高工程实践能力。
三、教学内容第一部分：流体力学基础1. 流体的性质和流动分类2. 流体静力学3. 流体动力学第二部分：流体流动的数值模拟1. 数值模拟的基本原理和方法2. 流体流动的数值模拟实例第三部分：流体与固体的相互作用1. 流体对固体的作用力2. 流体与固体的相互作用实例第四部分：流体力学在石油工程中的应用1. 油气藏流体力学2. 油井流动分析3. 油气管道流动分析四、教学方法采用课堂讲授、案例分析、上机实习相结合的教学方法。
通过讲授流体力学的基本理论和方法，分析实际工程案例，使学生掌握流体力学的应用技能。
利用上机实习环节，让学生亲自动手进行流体流动的数值模拟，提高他们的实践能力。
五、教学评价课程结束后，进行闭卷考试，考试内容涵盖课程的全部教学内容。
还将在学习过程中进行课堂讨论、上机实习等形式的平时考核，全面评估学生的学习效果。
六、教学安排1. 流体的性质和流动分类课时：2学时2. 流体静力学课时：4学时3. 流体动力学课时：6学时4. 数值模拟的基本原理和方法课时：4学时5. 流体流动的数值模拟实例课时：4学时6. 流体对固体的作用力课时：4学时7. 流体与固体的相互作用实例课时：4学时8. 油气藏流体力学课时：4学时9. 油井流动分析课时：4学时10. 油气管道流动分析课时：4学时七、教学资源1. 教材：工程流体力学教材及相关参考书2. 课件：教师制作的课件3. 案例分析：实际工程案例及相关数据4. 数值模拟软件：FLUENT、ANSYS等流体力学模拟软件八、教学建议1. 提前预习，加强课堂互动：学生应提前预习教材，了解课程内容，积极参与课堂讨论，提高学习效果。
工程流体力学
我们将会看到，是否忽略粘性影响将对流动问题的处理带来很大的区别，理想流体假设可以大大简化理论分析过程。 而 是流体的客观属性，所以往往是在变形速率不大的区域将实际流体简化为理想流体。
ΔV
流体的压缩性
V
流体能承受压力，在受外力压缩变形时，产生内力（弹性力）予以抵抗，并在撤除外力后恢复原形，流体的这种性质称为压缩性。
长度单位：m（米）
质量单位：kg（公斤）
时间单位：s（秒）
流体力学课程中使用的单位制
SI 国际单位制（米、公斤、秒制）
三个基本单位
导出单位，如：
01
密度 单位：kg/m3
02
力的单位：N（牛顿），1 N=1 kgm/s2
03
应力、压强单位：Pa（帕斯卡），1Pa=1N/m2
04
动力粘性系数 单位：Ns/m2 =Pas
05
运动粘性系数 单位：m2/s
06
体积弹性系数 K 单位： Pa
07
一般取海水密度为
常压常温下，空气的密度是水的 1/800 与水和空气有关的一些重要物理量的数值 1大气压，40C 1大气压，100C
空气的密度随温度变化相当大，温度高，密
度低。
水的密度随温度变化很小。 1大气压，00C 1大气压，800C
04
流体不能承受集中力，只能承受分布力。
02
一般情况下流体可看成是连续介质。
03
力学
§1－1 课程概述
工程流体力学的学科性质
研究对象 力学问题载体
宏观力学分支 遵循三大守恒原理
流体力学
水力学
流体
水
力学
强调水是主要研究对象 偏重于工程应用，水利工程、流体动力工程专业常用
《工程流体力学》 Engineering fluid mechanics
lim
V 0
M V
p3(1-2-2)
均质流体内部各点处的密度均相等：
ρ——流体的密度， kg/m ； m ——流体的质量, kg； V ——该流体的体积， m3 。
m V 3
p3(1-2-1)
三、重力特性
第一章
流体受地球引力的特性，称重力特性，用容重表示。
容重(Specific Weight): 指单位体积流体的重量。单位: N/m3
分 类
1 .按物理性质的不同分类： 重力、摩擦力、惯性力、弹性力、表面张力等。 2 .按作用方式分： 质量力和表面力（面积力）。
第一章
一、质量力（Mass Force）：
定义：作用于流体的每一个质点(或微团)上的力,它的 大小与质量成正比。 单位质量力f：单位质量流体所受到的质量力。 设X、Y、Z为单位质量力在x、y、z 轴向的分力，即：
三、应用流体力学的概述
• 应用流体力学的概念
应用流体力学是一门讨论研究液体及气体平衡和机械运动 规律及其实际工程应用的一门技术学科。
• 流体力学分类
机械类流体力学：机械、冶金、化工、水力机械 水利类流体力学：水工、水动、海洋 土木类流体力学：土建、市政、工民建、道桥、城市防洪
• 流体力学的内容
流体静力学：研究流体处于静止状态下的力学规律； 流体动力学：研究作用于流体上的各种力和运动之间的关系 以及流体的运动特性及能量等问题。
航空发动机燃烧室燃烧
燃烧炉
燃烧炉
旋转机
交互式叶片设计界面
丰富的叶片模板
法国电力公司(EDF)：水轮机
北美的EMP公司：水泵
压缩机
流体功能
超 高 音 速 导 弹 飞 行
战斗机六自由度投掷分析
北京科技大学 任老师《工程流体力学》课件完整版。Chapter4
(b) transition flow
(c) turbulent flow
Engineering Fluid Mechanics 12
§4.2 Flow regime
lower critical velocity (a) laminar flow flow velocity ↑
dQv udA dA volumetric l i flowrate fl
mass flowrate
v
dQ Qv udA
1 1 3 1 2 2 kinetic energy dQv u udA u u dA 2 2 2
kinetic energy of flow
V Vc
upper critical velocity (c) turbulent flow
V Vc
(b) transition flow
Vc Vc
flow velocity ↓
l laminar i fl flow - orderly - no significant mixing of neighboring fluid particles which move in definite and regular paths. turbulent flow - disorderly, diffusive, random motion -flow varies irregularly so that flow quantities show random variation.
of unit weight fluid
1
2
Engineering Fluid Mechanics
6
§4.1 Bernoulli equation of viscous fluid in a pipe
《工程流体力学》 Engineering fluid mechanics
第一章
二、表面力(Surface Force)又称面积力；
定义：作用于流体表面上的力,与作用的表面积大小 成正比。 拉力、压力、切力 表面力包括法向力和切向力；
法向力：垂直于流体表面 P= pA 切向力：与流体表面相切 T=τA
第一章 应力：单位面积上的表面力，正应力(压强)和切向力,
单位：N /m2 , Pa
lim
V 0
M V
p3(1-2-2)
均质流体内部各点处的密度均相等：
ρ——流体的密度， kg/m ； m ——流体的质量, kg； V ——该流体的体积， m3 。
m V 3
p3(1-2-1)
三、重力特性
第一章
流体受地球引力的特性，称重力特性，用容重表示。
容重(Specific Weight): 指单位体积流体的重量。单位: N/m3
工程流体力学课程的学习要求
1.掌握流体力学的基本理论，基本原理； 2.能运用流体力学的基本理论解决工程实际中的问题； 3.掌握流体力学的基本计算技巧，熟练运用“三大方程” 进 行实际工程的计算和设计； 4.了解水泵(风机)的类型、性能及结构特点； 5.掌握水泵(风机)各种性能参数(流量、扬程、功率)的计算； 6.能根据工程的设计要求进行水泵(风机)选型、安装和调节。
葛洲坝水利枢纽是长江干流上新建的第一座水利枢 纽，被誉为长江第一明珠；
葛洲坝水利枢纽奠基于70年代初，竣工于80年代， 工程总投资48.48亿元人民币； 大江电厂、二江电厂总装机21台，总容量271.5万KW ，年均发电量153亿KW.h； 截至1999年电厂累计发电2320亿KW.h，人均创造劳 动产值71.8万元； 战胜大于45000m3/s特大洪水43次，1998年8月在长 江发生特大洪水期间三次超常规拦蓄洪峰，为缓解 长江中下游灾情、避免荆江分洪做出了突出贡献。
工程流体力学课程概述
工程流体力学课程概述
2. 课程的性质
工程流体力学是高等学校工程基础类课程。 基础类学科是指解释自然界中的一些普遍规律的学科。比如 用万有引力来解释苹果为什么会从树上掉下来等。 工程基础类课程是基础课和专业课的桥梁。 同时，工程流体力学也能直接解决一些工程实际问题。它是本 专业的核心课程。
工程流体力学课程概述
工程流体力学课程概述
实验授课部分，共8学时
实验1：水静力学综合实验 实验2：伯努利能量方程实验测定 实验3：雷诺数的测定和流动阻力水头损失测量实验 实验4：节流式流量计测量实验（孔板和文丘里流量计）
工程流体力学课程概述
6. 课程学习的基本要求 （1）熟悉和掌握流体平衡、运动的基本运动规律、基本方程，
工程典型应用。
（2）学习方法
• 浏览预习：把握内容、疑难点； • 听课理解：重点在预习中的疑难点； • 课后作业：理解、思考、应用。并计入学习考核的一部分； • 课外拓展：文献、资料、论坛等。 • 认真阅读1.7 工程流体力学学习导论，根据自己的情况研究一套适
合自己的学习方法。
3. 课程的科技、工程地位
工程流体力学是动力工程、机械工程、石油和化学工程、城市 建筑工程、环境工程、航空航天工程以及生物工程等诸多领域研究 和应用的最基础的知识之一。参考1.7节的阅读材料。
4. 课程的专业地位
管道流体输送； 流体机械（泵、压缩机、风机、分离机）； 能源动力等
工程流体力学课程概述
5. 课程的内容
理论授课部分，共48学时 第1章 流体的性质（4） 第2章 流体静力学（6） 第3章 流体运动的基本方程（10） 第4章 量纲分析与相似理论（2） 第5章 黏性流体管内流动（12） 第6章 明渠流动（2） 第7章 黏性流体绕流流动（6） 第8章 孔口和缝隙的水力计算（自学） 第9章 气体动力学基础（6）（未讲章节自学）
工程流体力学课件(孔珑第四版)
4℃ 水的密度 ρ= 1000kg/m3 0℃水银的密度 ρ= 13600kg/m3 0专℃业空基础气课 的密度 ρ= 1.29 kg/m3
43
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《工程流体力学》——第二章 流体及物理性质
五、流体的压缩性、膨胀性
可压缩性 在一定温度T下，单位压强升高引起的流体体积变化率。
- V / V P
其中，为压缩系数，（m2 / N）
或 者 用 压 缩 模 量K表 示 。
w —4o C时 水 的 密 度 。 2023/3/9
《工程流体力学》——第二章 流体及物理性质
四、流体的密度
混合物的密度：
11 22 ii nn 其中，i — 第i种物质的密度；i — 第i种物质的体积百分比；
或者，混合物的密度：
1
2
1
i
n
1 2
i
n
其 中 ，i — 第i种 物 质 的 密 度 ；i — 第i种 物 质 的质 量百 分 比 ；
➢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
33
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《工程流体力学》——第一章 绪论——流体力学发展简史
专业基础课
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。
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《工程流体力学》——第一章 绪论——流体力学发展简史
B. PASCAL (1623-1662)
提出了密闭流体能传 递压强的原理——帕斯卡 原理。
专业基础课
25
2023/3/9
《工程流体力学》——第一章 绪论——流体力学发展简史
大学课程《工程流体力学》PPT课件：第三章
§3.1 研究流体运动的方法
➢ 欧拉法时间导数的一般表达式
d (v ) dt t
d ：称为全导数，或随体导数。
dt
：称为当地导数。
t
v
：称为迁移导数。
例如，密度的导数可表示为： d (v )
dt t
§3.1 研究流体运动的方法
3.1.2 拉格朗日法
拉格朗日法的着眼点：特定的流体质点。
lim t0
(
dV
III
)
t
t
t
CS2 vndA
单位时间内流入控制体的物理量：
z
Ⅲ
Ⅱ’
Ⅰ
y
lim
t 0
(IdV )t t t CS1vndA
x
§3.3 雷诺输运方程
➢ 雷诺输运方程
dN dt
t
CV dV
CSvndA
雷诺输运方程说明，系统物理量 N 的时间变化率，等于控 制体该种物理量的时间变化率加上单位时间内经过控制面 的净通量。
d dt
V
dV
t
CV
dV
CS
vndA
0
因此，连续性方程的一般表达形式为：
t
CV
dV
CS
vndA
0
连续性方程是质量守恒定律在流体力学中的表现形式。
对定常流动，连续性方程简化为：
CS vndA 0
§3.4 连续性方程
对一维管流，取有效截面 A1 和 A2，及
v2
管壁 A3 组成的封闭空间为控制体：
ay
dv y dt
v y t
vx
v y x
vy
v y y
vz
v y z
az
工程流体力学课程设计
工程流体力学课程设计一、教学目标本课程的教学目标是使学生掌握工程流体力学的基本概念、原理和方法，培养学生运用流体力学知识分析和解决实际问题的能力。
具体目标如下：1.知识目标：（1）掌握流体力学的基本概念和常用术语；（2）理解流体力学的基本方程和原理；（3）熟悉流体力学在工程应用中的常见问题；（4）了解流体力学的发展趋势和前沿领域。
2.技能目标：（1）能够运用流体力学基本方程分析和解决实际问题；（2）具备一定的数值分析和计算能力；（3）掌握流体力学实验的基本方法和技巧；（4）具备流体力学设计和创新的能力。
3.情感态度价值观目标：（1）培养学生的科学精神和探究意识；（2）激发学生对流体力学的兴趣和热情；（3）培养学生团队合作和学术交流的能力；（4）强化学生对社会和环境责任感。
二、教学内容根据教学目标，本课程的教学内容主要包括以下几个方面：1.流体力学基本概念和常用术语；2.流体力学的基本方程和原理，如纳维-斯托克斯方程、伯努利方程等；3.流体的流动类型和特点，如层流、湍流、稳态流动、非稳态流动等；4.流体力学在工程应用中的常见问题，如流体阻力、压力损失、流体动力学参数的测量等；5.流体力学的发展趋势和前沿领域，如计算流体力学、实验流体力学、生物流体力学等。
三、教学方法为了实现教学目标，本课程将采用多种教学方法，如讲授法、讨论法、案例分析法、实验法等。
1.讲授法：通过教师的讲解，系统地传授流体力学的基本概念、原理和方法；2.讨论法：学生针对流体力学问题进行讨论，培养学生的思考和交流能力；3.案例分析法：分析工程中的流体力学问题，培养学生运用流体力学知识解决实际问题的能力；4.实验法：进行流体力学实验，让学生掌握实验方法和技巧，培养学生的实践能力。
四、教学资源为了支持教学内容和教学方法的实施，本课程将选择和准备以下教学资源：1.教材：选用权威、实用的流体力学教材，如《工程流体力学》、《流体力学教程》等；2.参考书：提供相关的流体力学参考书籍，供学生自主学习；3.多媒体资料：制作精美的课件、动画和视频，直观地展示流体力学知识和现象；4.实验设备：配置齐全的流体力学实验设备，让学生亲自动手进行实验。
大学课程表word 模版
星期一
星期二
星期三
星期四
星期五
星期六
星期日
上午
1
2
节
几何量公差与检测1-9周谢凤琴14-342
机械工程材料与热理10-18周14-442周培坤
材料力学1-10周13-17周马静敏
5-402
几何量公差与检测1-9周谢凤琴14-342
机械工程材料与热理10-18周14-442周培坤
翻译实践
1-18周
概率论与数理统计1-9周
王芳
14-406
下午
5
6
节
机械原理A 1-16周
谢凤琴
1-311
电工电子技术
李学慧
6-16周14-330
乒乓球1-15周
于然
B区乒乓球馆
电工电子技术
李学慧
以案说法（公民行政救济法律事务）1-9周马玮
5-308
晚上
9
10
节
仇全菊
7-406
机械原理A 1-16周
谢凤琴
1-423
3
4
节
概率论与数理统计1-9周王芳14-330
工程流体力学10-18周王建伟14-328
英美文化
1-18周
陈超
7-114
概率论与数理统计1-9周王芳14-406
工程流体力学10-18周王建伟14-328
材料力学1-10周13-17周马静敏
5-208
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PHOENICS 的应用领域
Aerospace （航空航天） Automotive （汽车） Chemical Process （化工过程） Combustion （燃烧） Electronics （电子） Marine （航海） Metallurgical （冶金） Nuclear （核反应堆） Petroleum （石油） Power （电力，包括燃煤锅炉） Water （水利） Bio-medical （生物制药） Environmental （环保，包括污染物的扩散） Ship Hydrodynamics （舰船的水动力） Architecture and building （建筑行业）
FLUENT可让用户定义多种边界条件，如流动入口及出口边界条件、壁面边界条件 等，可采用多种局部的笛卡儿和圆柱坐标系的分量输入，所有边界条件均可随空间和 时间变化，包括轴对称和周期变化等。FLUENT提供的用户自定义子程序功能，可让 用户自行设定连续方程、动量方程、能量方程或组分输运方程中的体积源项，自定义 边界条件、初始条件、流体的物性、添加新的标量方程和多孔介质模型等。
实验测量方法所得到的实验结果真实可信，它是理论分
析和数值方法的基础，其重要性不容低估。然而，实验往往 受到模型尺寸、流场扰动、人身安全和测量精度的限制，有 时可能很难通过试验方法得到结果。此外，实验还会遇到经 费投入、人力和物力的巨大耗费及周期长等许多困难。
而CFD方法恰好克服了前面两种方法的弱点，在计算机 上实现—个特定的计算，就好像在计算机上做一次物理实验。 例如，机翼的绕流，通过计算并将其结果在屏幕上显示，就 可以看到流场的各种细节：如激波的运动、强度，涡的生成 与传播，流动的分离、表面的压力分布、受力大小及其随时 间的变化等。数值模拟可以形象地再现流动情景，与做实验 没有什么区别。
设定待求变量在单元上的分布函数
适应性强，适用于复杂的求解区域
一度有取代有限差分法的趋势
程序技巧要求高
数学基础不如有限差分法明确
1 PHOENICS PHOENICS是世界上第一套计算流体动力学与传热学的商用软件，它是
Parabolic Hyperblic Or Elliptic Numerical Interation Code Series的缩写，它是 英国皇家学会D.B.SPALDING教授及40多位博士20多年心血的典范之作。 PHOENICS已广泛应用于航空航天、船舶、汽车、暖通空调、环境、能源动力、化 工等各个领域。第一个正式版本于1981年开发完成。 除了通用CFD软件应该拥有的功能外，PH0ENICS软件有自己独特的功能： ● 开放性。PHOENICs最大限度地向用户开放了程序，用户可以根据需要添加用户 程序、用户模型。 ● CAD接口。PH0ENICS可以读入几乎任何CAD软件的图形文件。 ● 运动物体功能。利用MovOBJ，可以定义物体运动，克服了使用相对运动方法的 局限性。 ● 多种模型选择,提供了多种湍流模型、多相流模型、多流体模型、燃烧模型、辐 射模型等。 ● 双重算法选择。既提供了欧拉算法，也提供了基于粒子运动轨迹的拉格朗日算法。 ● 多模块选择。PHOENICs提供了若干专用模块，用于特定领域的分析计算。如 COFFUS用于煤粉锅炉炉膛燃烧模拟，FLAIR用于小区规划设计及高大空间建筑 设计模拟，HOTBOX用于电子元器件散热模拟等。
数值方法、分析解法与实验研究
分析解法 成本最低 结果最理想 影响因素表达清楚 缺点：局限与非常简单的问题
数值方法 成本较低：数值实验 适用范围宽 缺点：可靠性差，表达困难
实验研究 可靠 成本高
将三种方法有 机结合，互为 补充，必然会 取得相得益彰
的效果
按离散方法分类
有限差分法（ Finite difference method）
CFD方法与传统的理论分析方法、实验测量方法组成了 研究流体流动问题的完整体系
图1.1给出了表征三者之间大系的“三维”流体力学示意 图。
理论分析方法的优点在于所得结果具有普遍性，各种影
响因素清晰可见，是指导实验研究和验证新的数值计算方法 的理论基础。但是，它往往要求对计算对象进行抽象和简化， 才有可能得出理论解。对于非线性情况，只有少数流动才能 给出解析结果。
PHOENICS模块应用
FLAIR 用于HVAC（暖通建筑行业）； HOTBOX用于电子元件散热； COFFUS用于工业锅炉煤燃烧； EXPLOIT用于爆炸燃烧
2 FLUENT FLUENT是由美国FLUENT公司于1983推出的CFD软件。它是继PHOENICS软件
之后的第二个投放市场的基于有限体积法的软件。FLUENT是目前功能最全面、适用 性最广、国内使用最广泛的CFD软件之一。
FLUENTT提供了非常灵活的网格特性，让用户可以使用非结构网格，包括三角形、 四边形、四面体、六面体、金字塔形网格来解决具有复杂外形的流动，甚至可以用混 合型非结构网格。它允许用户根据解的具体情况对网格进行修改(细化／租化)。 FLUENT使用GAMBIT作为前处型软件，它可读入多种CAD软件的三维儿何模型和多 种CAE软件的网格模型。FLUENT可用于二维平面、二维轴对称和三维流动分析，可 完成多种参考系下流场模拟、定常与非定常流动分析、不可压流和可压流计算、层流 和湍流模拟、传热和热混合分析、化学组分混合和反应分析、多相流分析、固体与流 体耦合传热分析、多孔介质分析等。
用差商与代替导数
经典、成熟
数学理论基础明确
主导方法
有限体积法(Finite volume method)
控制容积法（Control volume method）
基本上属于有限差分法的范畴
有限单元法（Finite element method)
目前的 CFD商用 软件大多lement）