武汉理工大学《流体力学》课件1 绪论

流体团分子速度的统计平均值曲线
1.3.2 流体质点概念
• 为了符合数学分析的需要，引入流体质点模型 (1)流体质点无线尺度，无热运动，只在外力作用下作宏观平 移运动; (2) 将周围临界体积范围内的分子平均特性赋于质点。
• 为了描述流体微团的旋转和变形引入流体质元（流体元）模型：
(1)流体元由大量流体质点构成的微小单元（δx，δy，δz）； (2) 由流体质点相对运动形成流体元的旋转和变形运动。
流体力学与流体机械
Fluid Mechanics and Fluid Machines
教材与参考书
1 2 3 4 流体力学. 孔珑. 高等教育出版，2003.12 过程流体机械. 姜培正. 化学工业出版社，2001.8 流体力学(第二版). 张也影. 高等教育出版社，1999 流体力学，泵与风机(第三版). 周谟仁. 中国建筑工 业出版社，1994.11 5 Fluid Mechanics with Engineering Application (Tenth Edition). E. John Finnemore. 清华大学出 版社，2003
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流体力学需要与其他学科交叉，如工程学，地学，天 文学，物理学，材料科学，生命科学等，在学科交叉 中开拓新领域，建立新理论，创造新方法。
工程学、材料学、气象学
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1.3
流体的主要物理性质
统计平均值
1.3.1 流体的微观和宏观特性 •流体团宏观运动 外力引起
•流体分子微观运动
自身热运动
流体力学作为一门独立的学科, 其发展既 依赖于科学实验和生产实践，又受到许多社会 因素的影响。我国是世界上四大文明古国之一， 有着悠久的历史和灿烂的文化，由于生产发展 的需要，远在两三千年以前，古代劳动人民就 利用孔口出流的原理发明了刻漏、铜壶滴漏 （西汉时期的计时工具）,还发明了水磨、水 碾等。
杨浦大桥
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21世纪人类面临许多重大问题的解决，需要流 体力学的进一步发展，它们涉及人类的生存和 生活质量的提高。
全球气象预报； （卫星云图）EXITFra bibliotek 环境与生态控制；
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灾害预报与控制；
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火山与地震预报；
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发展更快更安全更舒适的交通工具；
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各种工业装置的优化设计，降低能耗，减少污 染等等。
测量技术有：热线、激光测速；粒子图像、迹线测速；高速摄 影；全息照相；压力、密度测量等。实验结果能反映工程中的实际 流动规律，发现新现象，检验理论结果等，但结果的普适性较差。
数值方法
数值方法的优点是能计 算理论分析方法无法求 解的数学方程，比实验 方法省时省钱，但毕竟 是一种近似解方法，适 用范围受数学模型的正 确性和计算机的性能所 限制。
4、对考试的要求
1、考试形式：闭卷 2、(考勤＋作业＋实验)30％、考试70％。
学时分配(流体力学与流体机械部分)
第一章 第二章 第三章 第四章 第五章 第六章 第七章 第八章 第九章 实 验 总学时 流体力学绪论 流体静力学 流体运动学和动力学基础 相似原理和量纲分析 管中损失和水力计算 流体机械绪论 压缩机 泵 离心机 2 4 6 4 4 2 2 2 2 4 32
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单价超过10亿美元，能抵御大风浪的海上采油 平台；
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排水量达50万吨以上的超大型运输船；
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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，船舶流体力学的基础之上。
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用翼栅及高温，化学，多相流动理论设计制造 成功大型气轮机，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。
F-15
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流体力学也是众多应用科学和工程技术的基础。
由于空气动力学的发展，人类研制出3倍声速的战斗机。
幻影2000
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使重量超过3百吨，面积达半个足球场的大型民 航客机，靠空气的支托象鸟一样飞行成为可能， 创造了人类技术史上的奇迹。
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利用超高速气体动力学，物理化学流体力学和 稀薄气体力学的研究成果，人类制造出航天飞 机，建立太空站，实现了人类登月的梦想。
有关流体力学的三个问题
机翼：升力来自下部还是上部?
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。 19世纪初建立的流体力学环流理论 足球的香蕉球现象可帮助理解环流理 彻底改变了人们的传统观念。 论。旋转的球带动空气形成环流，一侧气 体加速，另一侧减速，形成压差力，使足 球拐弯，称为马格纳斯效应。
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1.2 流体力学的应用
Mechanical Engineering
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1.2 流体力学的应用
Mechanical Engineering
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1.2 流体力学的应用
Civil, Hydraulic
and
Environmental Engineering
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1.2 流体力学的应用
流体力学的发展概况
流体力学是一门基础性很强和应用性很 广的学科，是力学的一个重要分支。它的研 究对象随着生产的需要与科学的发展在不断 地更新、深化和扩大。
流体力学的基础理论由三部分组成。一是流体 处于平衡状态时，各种作用在流体上的力之间关系 的理论，称为流体静力学；二是流体处于流动状态 时，作用在流体上的力和流动之间关系的理论，称 为流体动力学；三是气体处于高速流动状态时，气 体的运动规律的理论，称为气体动力学。工程流体 力学的研究范畴是将流体流动作为宏观机械运动进 行研究，而不是研究流体的微观分子运动，因而在 流体动力学部分主要研究流体的质量守恒、动量守 恒和能量守恒及转换等基本规律。
Chemical Engineering
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1.2 流体力学的应用
Bioscience
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1.2 流体力学的应用
Other Applications
Visualization of Flow Past Swimmer’s Arm
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流体力学也是众多应用科学和工程技术的基础。
由于空气动力学的发展，人类研制出3倍声速的战斗机。
地得到了充实与提高。
第一章 流体力学绪论
1.1 流体力学的研究对象与特点 1.2 流体力学的应用 1.3 流体的主要物理性质
第一章 流体力学绪论
有关流体力学的三个问题
高尔夫球：表面光滑还是粗糙?
高尔夫球运动起源于15世纪的苏格兰，当时人 们认为表面光滑的球飞行阻力小，因此用皮革 制球 。 后来发现表面有很多划痕的旧球反而飞得更远 这个谜直到20世纪建立流体力学边界层理论后 才解开。 现在的高尔夫球表面有 很多窝坑，在同样大小 和重量下，飞行距离为 光滑球的5倍。
1.1 流体力学的研究对象与特点
物质 Substance
气体(Gas)、液体(Liquid)、固体(Solid)、等离子体(Plasma)、 玻色-爱因斯坦凝聚态(BEC, Bose-Einstein Condensate) 、费 密冷凝物(Fermi Condensate)
流体的性质
A fluid is a substance that deforms continuously when subjected to a shear stress, no matter how small that the shear stress may be.
•从力学的角度建立对流体的认识，包括流体的:
•输运特性（如粘性等） •运动学特性（如平移、旋转和变形规律等） •热力学特性（如密度、可压缩性、状态方程等) •其他特性（如流态等）
•从物理学基本定律出发建立流体运动和力（能量）的 定量关系，这些物理定律包括：
•质量守恒定律 •动量守恒定律 •能量守恒定律等
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，两者合成形成升力。
1.1 流体力学的研究对象与特点
力学 MECHANICS
研究物质受力及其运动规律的科学
流体力学 Fluid Mechanics
是力学的的一个分支，是研究流体的受力及 其运动规律的一门科学
研究内容 流体平衡及运动时的规律 流体与固体之间相互作用的规律
汽轮机叶片
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用翼栅及高温，化学，多相流动理论设计制造 成功大型气轮机，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
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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。
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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。
分析运动与力(能量)的定量关系的方法有： 理论分析法
目前流体力学理论研究的 主攻方向是：湍流、流动 稳定性、涡运动、水动力 学、水波动力学、复杂流 动、多相流动等。
理论分析结果能揭示流动的内在规律， 具有普遍适用性，但分析范围有限。
机翼涡系
实验方法
典型的流体力学实验有：风洞实验、水洞实验、水池实验等。
• 除了稀薄气体与激波之外的绝大多数工程问题，均可用连续介质模
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流体力学需要与其他学科交叉，如工程学，地学，天 文学，物理学，材料科学，生命科学等，在学科交叉 中开拓新领域，建立新理论，创造新方法。
星云
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流体力学需要与其他学科交叉，如工程学，地学，天 文学，物理学，材料科学，生命科学等，在学科交叉 中开拓新领域，建立新理论，创造新方法。
毛细血管流动
1876年雷诺发现了流体流动的两种流态：层流和紊流。
1858年亥姆霍兹指出了理想流体中旋涡的许多基本性质及旋涡运动理论， 并于1887年提出了脱体绕流理论。