《工程流體力學》

FluidDynamics任課教師：趙存友Tel求：關閉通訊工具第1章 緒論流體力學?你想知道高爾夫球飛得遠應表面光滑還是粗糙嗎？?你想知道汽車阻力來自前部還是尾部嗎？?你想知道機翼升力來自下部還是上部嗎？?你想知道同一容器上同高同徑孔口和管嘴泄流誰的流速大誰的流量大嗎？

………———請學習流體力學高爾夫球表面為什么有很多小凹坑？最早的高爾夫球現在的高爾夫球高爾夫球表面為什么有很多小凹坑？飛行中的高爾夫球汽車阻力來自前部還是后部？汽車發明于19世紀末，當時人們認為汽車的阻力主要來自前部對空氣的撞擊，因此早期的汽車后部是陡峭的，稱為箱型車，阻力系數CD很大，約為0.8。汽車阻力來自前部還是后部？實際上汽車阻力主要來自后部形成的尾流，稱為形狀阻力。汽車阻力來自前部還是后部？20世紀30年代起，人們開始運用流體力學原理改進汽車尾部形狀，出現甲殼蟲型，阻力系數降至0.6。汽車阻力來自前部還是后部？20世紀50－60年代改進為船型，阻力系數為0.45。汽車阻力來自前部還是后部？80年代經過風洞實驗系統研究后，又改進為魚型，阻力系數為0.3。以后進一步改進為楔型，阻力系數為0.2。90年代后，科研人員研制開發的未來型汽車，阻力系數僅為0.137。

經過近80年的研究改進，汽車阻力系數從0.8降至0.137，阻力減小為原來的1/5。目前，在汽車外形設計中流體力學性能研究已占主導地位，合理的外形使汽車具有更好的動力學性能和更低的耗油率。汽車阻力來自前部還是后部？機翼升力來至下部還是上部？流體無所不在——天氣與氣候——交通工具：汽車、火車、輪船、飛機等——環境——生理學和醫學——運動與休閑——還有其它許許多多的例子!流體力學的重要性旋風閃電全球氣候颶風天氣與氣候交通工具飛機高速鐵路水面艦只潛艇環境空氣污染河流水力橋梁建筑生理學和醫學輸血管心臟起搏器運動與休閑水上運動自行車運動賽車沖浪汽艇用翼柵及高溫，化學，多相流動理論設計制造成功大型氣輪機，水輪機，渦噴發動機等動力機械，為人類提供單機達百萬千瓦的強大動力。汽輪機葉片用翼柵及高溫，化學，多相流動理論設計制造成功大型氣輪機，水輪機，渦噴發動機等動力機械，為人類提供單機達百萬千瓦的強大動力。水輪機通過各個教學環節，使學生掌握流體力學的基本知識（基本概念、原理和研究方法）、有關的計算和必要的實驗技能，對工程實踐中有關的流體力學問題能夠應用流體力學知識進行分析并具備一定的解決實際問題的能力，為后續專業課的學習和將來從事專業技術工作打下基礎。課程性質、目的和意義本課程是機械設計制造及其自動化專業一門重要的技術基礎課，是必不可少的先修課程。目的和意義：性質：本門課程講授的內容體系1、緒論2、流體靜力學3、流體動力學及工程應用4、相似原理與量綱分析5、管流損失和水力計算6、孔口和管嘴出流7、縫隙流教學參考書籍教材：《工程流體力學》高等教育出版社，2010年，趙存友先修課程要求：高等數學、物理學、理論力學、材料力學參考教材：[1]張也影主編，流體力學，高等教育出版社，1999[2]杜廣生主編，流體力學，機械工業出版社，2004[3]姜興華等編，流體力學，西南交通大學出版社，1999[4]禹華謙主編，工程流體力學，高等教育出版社，2004[5]禹華謙編著，工程流體力學新型習題集，天津大學出版社，2005[6]李玉柱主編，工程流體力學，清華大學出版社，2006[7]劉鶴年編著，流體力學，中國建筑工業出版社，2007

考核方法采用考試（60%）+作業（5%）+實驗（10%）+出勤（5%）+綜合能力和素質訓練考核（20%）的考核方式,即平時成績占總成績的40%，期末采用閉卷考試形式，重點考核對知識的運用能力，成績占總成績的60%。學習網站

1)http://2)http://3)http://4)http://5)http:///cae/cfd.php本課程有一定的作業，必須按要求完成1.作業根據要求抄題，畫圖，寫出計算公式，具體計算步驟和結果；2.作業須按時交，課程結束時沒完成作業者，不能參加考試；3.作業的成績占總評成績的5%；本課程有實驗，必須按要求完成1.按照規定的時間、地點進行上好實驗課；2.課前須預習實驗指導書，實驗后按規定的時間交實驗報告；3.無實驗成績，最后成績為不及格。第一章 緒論（Introduction）

基本要求：（1）了解工程流體力學研究對象及方法、表面張力的形成及計算；（2）掌握流體物理性質及其連續介質概念和模型包括粘性、牛頓內摩擦定律、流體的壓縮性、膨脹性、流體質點等。重點：粘性、牛頓內摩擦定律、連續介質概念。

難點：牛頓內摩擦定律的具體應用。

§1.1工程流體力學的研究對象、任務和方法流體力學是力學的一個分支，是研究流體平衡和宏觀運動規律及其應用的科學。在工程技術中應用流體力學，形成的學科叫工程流體力學。1、工程流體力學2、研究對象流體：氣體和液體

3、流體的定義根據力學中的應力理論來定義，在靜力平衡時，不能承受剪切力的物質。4、流體的基本特征(1)易流動性：在剪切力的作用下發生連續不斷的變形；(2)不能受拉，只能受壓；(3)形狀，取決于約束邊界形狀；(4)流體的物理性質不同，即使相同的邊界必將產生不同的流動。流動性的應用：便于管道進行運輸，適宜于供熱、制冷等。流體不能承受拉力，只能承受壓力，其抗壓能力和易流動性的應用：利用蒸汽壓力推動氣輪機發電，利用液壓、氣壓傳動各種機械等。流動現象：微風吹過平靜的池水，水面因受氣流的摩擦力（沿水面作用的剪切力）作用而波動；斜坡上的水，因受重力沿坡面方向的切向分力而往低處流……(1)理論方法：通過對流體物理性質和運動特征的科學抽象，提出合理的理論模型，并能運用數學方法求出理論結果，以達到揭示運動規律的目的。建立模型推導方程求解方程解釋結果5、流體力學的研究方法(2)實驗方法：通過對具體流動的觀察和測量，來認識流動的規律，其實驗包括原型觀測和模型實驗，而以模型實驗為主。將實際流體問題概括為相似的實驗模型，在實驗中觀察現象、測定數據并進而按照一定方法推測實際結果。相似理論模型試驗測量數據分析(3)數值方法：根據理論分析與實驗觀測擬定計算方案，在計算機應用的基礎上，采用各種離散化方法（有限差分法、有限元法等），建立各種數學模型通過編制程序輸入數據用計算機獲得定量描述流場的數值解。計算流體力學有限差分法有限元法邊界元法譜分析等（1）密度：單位體積流體的質量，即流體質量在空間的密集程度，簡稱為密度，用表示。

分別為流體微團的質量和體積。1、慣性

§1.2流體的主要物理性質對于均質流體對于非均質液體mVΔm,ΔV

（2）重度（Formula）：重量密度(SpecificWeight)，即單位體積流體的重量簡稱為重度,用表示。對于均質流體，其重度為，若不指明溫度，水的重度=9810kg/m2s24℃蒸餾水的比體積（3）流體的比容（比體積）：（m3/kg)（4）流體的相對密度:

40C蒸餾水的密度某液體的質量與同體積4°C（嚴格說是3.98°C）蒸餾水質量之比，它是無量綱的純數，即

40C蒸餾水的比體積流體密度、比體積數值與相對密度的關系為：2、黏性（viscosity）黏性：當流體運動時，流體內部各質點間或流體層間會因相對運動而產生內摩擦力（剪切力）以抵抗其相對運動，流體的這種性質稱為粘性。此內摩擦力稱為粘滯力（粘性切應力）。粘性是流體的固有屬性。

流體運動時才顯示出來，靜止時顯示不出來。流體阻止發生剪切變形的一種特性，是流體的內摩擦特性。粘性流體內摩擦的概念最早由牛頓（Newton,1687）提出。（1）牛頓內摩擦定律由庫侖（C.A.Coulomb,1784）用實驗得到證實。庫侖分別測量了普通板、涂臘板和細沙板，三種圓板的衰減時間，三種圓板的衰減時間均相等。

結論:衰減的原因，不是圓板與液體之間的相互摩擦，而是液體內部的摩擦。

實驗證明：牛頓內摩擦定律流體的內摩擦力（剪切力）與速度梯度、流層的接觸面積成比例，與流體的性質有關，與接觸面上的壓力無關。速度梯度，即速度在流層法線方向的變化率。流層接觸面面積動力黏度，單位Pa·s牛頓流體和非牛頓流體牛頓流體(Newtonianfluid)：符合牛頓內摩擦定律的流體。如水、酒精、汽油和一般氣體等分子結構簡單的流體都是牛頓流體。非牛頓流體：不符合牛頓內摩擦定律的流體。如泥漿、有機膠體、油漆、高分子溶液等。非牛頓流體包括：a.塑性流體(凝膠、牙膏）b.假塑性流體（泥漿、紙漿、高分子溶液）c.脹塑性流體(乳化液、油漆、油墨）相關概念（2）粘性系數動力粘度（dynamicviscosity）：反映流體的粘性，具有動力學問題的量綱。↑，↑。值由實驗測定。值表示速度梯度等于1時的接觸面上的切應力。動力粘度的單位是Pa·s工程流體力學的理論公式中常常出現與液體密度的比，用表示，稱運動粘度。運動粘度（kinematicviscosity）：

動力粘度與密度的比值，即

運動粘度的單位是m2/s或cm2/s,mm2/s)

例如：30號機械油，就是指這種油在50°C時的運動粘性系數平均值為

液體與氣體內部分子運動機理不同，因此，氣體與液體的粘度變化規律不同。液體：溫度↑，粘度↓。氣體：溫度↑，粘度↑。溫度影響大。液體、氣體：常壓影響小；高壓下：壓強↑，粘度↑。（3）溫度、壓力對粘性系數的影響（4）理想流體與實際流體

自然界中存在的流體都具有粘性——粘性流體或實際流體（practicalfluid）。流體力學的研究方法：將實際流體假想為理想流體，找出它的運動規律后，再考慮粘性的影響，修正后再用于實際流體。理想流體（perfectfluid）：是一種假想的無粘性的流體，即認為。壓縮性(Compressible)

流體受壓，體積縮小，密度增大，除去外力后能恢復原狀的性質。

可壓縮性實際上是流體的彈性。膨脹性(Expansibility)

流體受熱，體積膨脹，密度減小，溫度下降后能恢復原狀的性質。3、壓縮性和膨脹性液體壓縮系數（CompressibleCoefficient)：βp，單位1/Pa體積彈性模量（BulkModulus）：E0,單位Pa

壓縮系數的倒數在實際工程中，一般認為：液體是不可壓縮的；氣體，當壓力和溫度在整個流動過程中變化很小時（如通風系統），可按不可壓縮流體處理。如礦井通風系統。熱膨脹系數（ExpansibilityCoefficient）：

在實際工程中，由于液體的壓縮系數和熱膨脹系數都很小，一般認為液體是不可壓縮的。對一些特殊情況，如有壓管道的水擊、水中爆炸波的傳播，即研究液體的振動、沖擊時，必須考慮液體的壓縮性。在液壓封閉系統或熱水采暖系統中，當工作溫度變化較大時，須考慮體積膨脹對系統的影響（高壓鍋爐）。不可壓縮流體流體的每個質點在運動全過程中，密度不變化，是一種理想化的力學模型。液體的壓縮系數很小，在相當大的壓強變化范圍內，密度幾乎不變，如20℃時，在101.3kPa～2500kPa的變化范圍，水的壓縮系數是4.844×10-10氣體的可壓縮性遠大于液體，是可壓縮流體。幾乎所有的自然大氣運動，在土木工程中常見的氣流運動，密度沒有明顯變化，可近似看作不可壓縮的。相關概念4、表面張力特性表面張力——由于分子間的吸引力，在液體的自由表面上能夠承受極其微小的張力。毛細現象(CapillarityPhenomena):是指含有細微縫隙的物體與液體接觸時，在浸潤情況下液體沿縫隙上升或滲入、在不浸潤情況下液體沿縫隙下降的現象。毛細現象rh水毛細作用的計算rh水rh水銀對于水有：=0°，=0.074N/m對于水銀有：=140°，=0.514N/m毛細高度：1.為什么荷葉上的露珠總是呈球形？2.一塊毛巾，一頭搭在臉盤內的水中，一頭在臉盤外，過了一段時間后，臉盤外的臺子上濕了一大塊，為什么？3.為什么測壓管的管徑通常不能小于1厘米？4.若測壓管的讀數為h1，毛細高度為h2，則該點的測壓管實際高度為多少？(測壓管的工作流體分別為水和水銀)請思考§1.3連續介質假設定義：不考慮流體分子間的間隙，把流體視為由無數連續分布的流體微團組成的連續介質。流體微團必須具備的四個條件宏觀尺寸足夠小；微觀尺寸足夠大；必須包含足夠多的分子；形狀可以任意劃定。優點：(1)避免了流體分子運動的復雜性，只需研究流體的宏觀運動。(2)可以利用數學工具來研究流體的平衡與運動規律。流體的連續介質模型流體是由連續分布的流體質點所組成，每一空間點都被確定的流體質點所占據，其中沒有間隙，流體的任一物理量可以表達成空間坐標及時間的連續函數，而且是單值可微函數。§1.4作用在流體上的力1、表面力（surfaceforce）：壓應力剪應力通過直接接觸，作用在所取流體表面上的力。表面力包括表面切向力（切應力或摩擦應力）和表面法向力（壓應力簡稱為壓強）。由流體粘性所引起的內摩擦力是表面切向力，平衡流體或理想流體，不存在表面切向力，只有表面法向力。2、質量力（surfaceforce）：作用在所取流體體積內每個質點上的力，且與質量成正比的力。不是通過兩種物質直接接觸而施加的力，而是在某種力場作用在單位質量流體上的力，因此也稱長程力。包括重力、慣性力（離心力、科里奧利力）。思考題：什么是科里奧利力？單位與加速度的單位相同，均是m/s2

。

質量力（G

）：質量↑，G↑。質量力包括重力和慣性力。在流體力學中，常用單位質量力J來衡量質量力的大小。X、Y、Z分別代表單位質量力J

在直角坐標軸x、y、z方向的分量，則若作用在流體上的質量力只有重力，則單位質量力解：因軸與軸套間的徑向間隙很小，故設間隙內流體的速度為線性分布，由式例1軸置于軸套中，如圖所示。以的力由左端推軸向右移動，軸移動的速度為，軸的直徑為，其它尺寸見圖中。求軸與軸套間流體的動力粘性系數。上式中典型例題得例2直徑為150mm的圓柱，固定不動。內徑為151.24mm的圓筒，同心地套在圓柱之外。二者的長度均為250mm。柱面與筒內壁之間的空隙充以甘油，轉動外筒，轉速為100r/min，測得轉矩為9.091N.m。求甘油的動力粘性系數。解：本章小結1、工程流體力學研究的是實際流體；2、研究方法是將實際流體假想為理想流體

本章三個主要力學模型是：（1）連續介質模型（2）無粘性流體力學模型。（3）不可壓縮流體力學模型3、牛頓內摩擦定律；4、流體物理性質：慣性、黏性、壓縮性和膨脹性作業：1-3，1-41、為什么水通常被視為不可壓縮流體？2、自來水水龍頭突然開啟或關閉時，水是否為不可壓縮流體？為什么？3、自來水水龍頭關閉的情況下，若有滴水，但此時水表可能不轉，為什么？過了一段時間后，水表又會動一動，這又是為什么？請思考思考題流體的動力黏度與（）有關。

A.流體種類、溫度、體積等B.流體種類、壓力、體積

C.流體種類、溫度、壓力等D.溫度、壓力、體積等2.理想流體是指（）。

A.平衡流體B.運動流體C.忽略密度變化的流體D.忽略黏性的流體3.新拌水泥砂漿和新拌混凝土