工程流体力学11流体力学任务和概况课件.ppt

1、工程流体力学主讲教师：洪文鹏能源与动力工程学院 流体力学教研室1、总学时：、总学时：72学时，其中实验学时，其中实验10学时（学时（5个实验），个实验），4学分学分2、成绩考核：期末笔试、成绩考核：期末笔试90%，实验，实验10%（由实验教师给定）（由实验教师给定）3、试题类型：、试题类型：（1）概念与知识理解（填空、选择、名词、简答分析等）概念与知识理解（填空、选择、名词、简答分析等）（2）基本理论、基本方程应用（计算题）基本理论、基本方程应用（计算题）4、答疑安排：、答疑安排：地点：二教地点：二教707室或室或722；时间：周时间：周1、3下午下午5、联系电话、联系电话：（：（O）6480

2、6286 （M）1384322819与流体力学有关的几个问题：与流体力学有关的几个问题：n 高尔夫球表面光滑还是粗糙？n 汽车阻力来自前部还是后部？n 机翼升力来自下部还是上部？最早的高尔夫球（皮革已龟裂最早的高尔夫球（皮革已龟裂)高尔夫球运动高尔夫球运动起源于起源于15世纪的苏世纪的苏格兰，当时人们认格兰，当时人们认为表面光滑的球飞为表面光滑的球飞行阻力小，因此用行阻力小，因此用皮革制球。皮革制球。后来发现表面有很多划后来发现表面有很多划痕的旧球反而飞得更远，这痕的旧球反而飞得更远，这个谜直到个谜直到20世纪建立流体力世纪建立流体力学学边界层理论边界层理论后才解开。后才解开。现在的高尔夫球表

3、面有很多窝坑，在同样大小和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重量下，飞行距离为光滑球的5倍。倍。1.球的阻力主要是前后表面的压差阻力；2.大的尾迹区旋涡消耗很多能量；3.表面粗糙能干扰边界层的形成或使分离点位置后移。汽车发明于汽车发明于19世纪末，当时人们认为汽车的阻力主要世纪末，当时人们认为汽车的阻力主要来自前部对空气的撞击，因此早期的汽车后部是陡峭的，来自前部对空气的撞击，因此早期的汽车后部是陡峭的，称为箱型车，阻力系数（称为箱型车，阻力系数（CD）很大，约为）很大，约为0.8。AvFCDD221实际上汽车阻力主要来自后部形成的尾流，称为实际上汽车阻力主要

4、来自后部形成的尾流，称为形状阻力形状阻力 20世纪世纪30年代起，人们开始运用流体力学原理改进汽年代起，人们开始运用流体力学原理改进汽车尾部形状，出现甲壳虫型，阻力系数降至车尾部形状，出现甲壳虫型，阻力系数降至0.6。20世纪世纪5060年代改进为船年代改进为船型，阻力系数型，阻力系数为为0.45。80年代经过风年代经过风洞实验系统研洞实验系统研究后，又改进究后，又改进为鱼型，阻力为鱼型，阻力系数为系数为0.3。以后进一步改进为楔型，阻力系数为以后进一步改进为楔型，阻力系数为0.2。90年代后，科研人年代后，科研人员研制开发的未来员研制开发的未来型汽车，阻力系数型汽车，阻力系数仅为仅为0.13

5、7。人们的直观印象是空气从下面冲击着鸟的翅膀，把鸟托在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。空中。19世纪初建立的世纪初建立的流体力学环量流体力学环量(circulation)理论理论彻底改彻底改变了人们的传统观念变了人们的传统观念 机翼理论（机翼理论（Airfoil theory）Kelvins circulation theorem 足球的足球的香蕉球香蕉球现象可帮助理解环量理论。旋转的球带动现象可帮助理解环量理论。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，使空气形成环流，一侧气体加速，另一侧减速，形成压差，使足球拐弯，称为马格努斯效应。足球拐弯，称为

6、马格努斯效应。机翼的特殊形状使它不用旋转就能产生环量，上部流速加机翼的特殊形状使它不用旋转就能产生环量，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。快形成吸力，下部流速减慢形成压力，两者合成形成升力。一、研究内容一、研究内容流、固体相互作用流、固体相互作用流动规律流动规律平衡规律平衡规律绝对静止绝对静止相对静止相对静止压力分布压力分布压力计算压力计算管管 流流绕绕 流流速度分布速度分布压力分布压力分布能量损失能量损失力与流动的关系力与流动的关系流体动力学流体动力学流体运动学流体运动学流体静力学流体静力学第一节 流体力学的任务及发展概况流体高速流动流体高速流动空气动力学（可压缩

7、流体动力学）空气动力学（可压缩流体动力学）二、流体力学研究方法二、流体力学研究方法 理论分析理论分析-采用数学分析法方法（如解析法），采用数学分析法方法（如解析法），优点在于优点在于结果具有普遍性，是指导实验和验证数值解的基础；缺点是结果具有普遍性，是指导实验和验证数值解的基础；缺点是需要抽象、简化才可能得出理论解。对于非线性情况，只有需要抽象、简化才可能得出理论解。对于非线性情况，只有少数流动有解析解。少数流动有解析解。实验测量实验测量-借助实验数据分析，试验结果真实可信，然借助实验数据分析，试验结果真实可信，然而受模型尺寸、人力、物力巨大耗费限制。而受模型尺寸、人力、物力巨大耗费限制。数值

8、模拟数值模拟-采用数值计算方法给出数值解（近似解），采用数值计算方法给出数值解（近似解），即即CFD（Computational Fluid Dynamics)方法。相当于用方法。相当于用计算机做物理实验，通过计算将结果在屏幕上显示，可以计算机做物理实验，通过计算将结果在屏幕上显示，可以形象地再现流动情景。形象地再现流动情景。流体力学也是众多应用科学和工程技术的基础。在能源、化工、环保、机械、建筑、航空航天、海洋、航运、水利等领域有广泛应用。由于空气动力学的发展，人类研制出3倍声速的战斗机。F-15三、流体力学应用领域三、流体力学应用领域幻影2000使重量超过3百吨，面积达半个足球场的大型民航

9、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。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。航天飞机太空站单价超过10亿美元，能抵御大风浪的海上采油平台；排水量达50万吨以上的超大型运输船；EXIT航速达30节，深潜达数百米的核动力潜艇；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。用翼栅及热力学、水动力学理论设计制造的大型汽轮机，水轮机，涡轮喷气发动机等动力机械，为人类提供单机达百万千瓦的强大动力。汽轮机叶片水轮机 大型水利枢纽工程大型水利枢纽丰满水力发电厂大跨度

10、桥梁等的设计和建造离不开水力学和风工程。超高层建筑等的设计和建造离不开水力学和风工程。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）环境与生态控制灾害预报与控制龙卷风太平洋风暴发展更快更安全更舒适的交通工具 各种工业装置的优化设计，降低能耗，减少污染等等。流体力学需要与其他学科交叉，如工程学、地理学、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。星云毛细血管流动流体力学在火力发电厂中应用 第一时期：第一时期：1818世纪以前世纪以前四、流体力学发展史四、流体力学发展史 第二时期：

11、第二时期：1818世纪世纪2020世纪初叶世纪初叶 第三时期：第三时期：近代近代第一时期：第一时期：1818世纪以前世纪以前 公元前公元前250250年年 阿基米德阿基米德论浮体论浮体流体力学第一部著作流体力学第一部著作第二章第二章 流体静力学流体静力学古希腊数学家、力学家，静力学古希腊数学家、力学家，静力学和流体静力学的奠基人和流体静力学的奠基人 第一时期：第一时期：1818世纪以前世纪以前 十五世纪十五世纪达芬奇达芬奇 射流、物体的运动阻力以及射流、物体的运动阻力以及管道、明渠中水流等问题管道、明渠中水流等问题用实验方法了解水流性态用实验方法了解水流性态第一时期：第一时期：1818世纪以前

12、世纪以前 16121612年年 伽利略伽利略第二章第二章 流体静力学流体静力学提出潜体的沉浮原理提出潜体的沉浮原理并首先提出，运动物体的阻力随着并首先提出，运动物体的阻力随着流体介质密度的增大和速度的提高流体介质密度的增大和速度的提高而增大。而增大。在流体静力学中应用了虚位移原理在流体静力学中应用了虚位移原理第一时期：第一时期：1818世纪以前世纪以前 16431643年年 托里拆利托里拆利 16501650年年 帕斯卡帕斯卡孔口泄流公式孔口泄流公式液体中压力传递定律液体中压力传递定律第一时期：第一时期：1818世纪以前世纪以前 16861686 牛顿牛顿 流体黏性流体黏性第一章第一章 黏性黏

13、性自然哲学的数学原理自然哲学的数学原理 牛顿内摩擦定律牛顿内摩擦定律英国伟大的数学家、物理学家、英国伟大的数学家、物理学家、天文学家和自然哲学家。天文学家和自然哲学家。对普通流体的黏性性状作了描述第二时期：第二时期：1818世纪世纪2020世纪初叶世纪初叶 17381738 伯努利（伯努利（Bernoulli,D.Bernoulli,D.）伯努利方程伯努利方程古典流体力学成为一门独立学科古典流体力学成为一门独立学科第三章第三章 流体动力学基础流体动力学基础流体动力学基本公式流体动力学基本公式瑞士科学家，曾在俄国彼得堡科学院任教，他在流瑞士科学家，曾在俄国彼得堡科学院任教，他在流体力学、气体动力

14、学、微分方程和概率论等方面都体力学、气体动力学、微分方程和概率论等方面都有重大贡献，是理论流体力学的创始人。有重大贡献，是理论流体力学的创始人。第二时期：第二时期：1818世纪世纪2020世纪初叶世纪初叶 17551755欧拉（欧拉（EulerEuler，L.L.）理想流体平衡理想流体平衡微分方程微分方程第二章第二章 流体静力学流体静力学理想流体运动理想流体运动微分方程微分方程第三章第三章 流体动力学基础流体动力学基础瑞士数学家、力学家、天文学家、物理学家，瑞士数学家、力学家、天文学家、物理学家，变分法的奠基人，复变函数论的先驱者，理变分法的奠基人，复变函数论的先驱者，理论流体力学的创始人。论

15、流体力学的创始人。第二时期：第二时期：1818世纪世纪2020世纪初叶世纪初叶 纳维尔纳维尔(Navier,-)(Navier,-)斯托克斯斯托克斯(Stokes,-)(Stokes,-)N NS S方程方程第三章第三章 流体动力学基础流体动力学基础黏性流体运动微分方程黏性流体运动微分方程第二时期：第二时期：1818世纪世纪2020世纪初叶世纪初叶 18831883雷诺雷诺(Reynolds,-)(Reynolds,-)层流、紊流层流、紊流第六章第六章 黏性流体黏性流体的一维定常流动的一维定常流动雷诺应力雷诺应力英国力学家、物理学家和工程师。英国力学家、物理学家和工程师。杰出的实验科学家。杰出

16、的实验科学家。udRe雷诺数：第二时期：第二时期：1818世纪世纪2020世纪初叶世纪初叶 儒可夫斯基儒可夫斯基机翼理论机翼理论升力公式升力公式第四章第四章 不可压缩流体有不可压缩流体有旋流动和二维无旋流动旋流动和二维无旋流动机翼设计机翼设计第二时期：第二时期：1818世纪世纪2020世纪初叶世纪初叶 19121912卡卡 门门卡门涡街卡门涡街美国著名空气动力学家美国著名空气动力学家 解释机翼张线的解释机翼张线的 线鸣线鸣、水下螺旋桨的水下螺旋桨的 嗡鸣嗡鸣 第二时期：第二时期：1818世纪世纪2020世纪初叶世纪初叶 19041904普朗特普朗特(Prandtl,-)(Prandtl,-)边

17、界层理论边界层理论第五章第五章 不可压缩流体二不可压缩流体二维边界层概述维边界层概述德国力学家。现代流体力学的创始人之一。边界层德国力学家。现代流体力学的创始人之一。边界层理论、风洞实验技术、机翼理论、紊流理论等方面理论、风洞实验技术、机翼理论、紊流理论等方面都作出了重要的贡献，被称作空气动力学之父。都作出了重要的贡献，被称作空气动力学之父。大禹治水 4000多年前的大禹治水大禹治水，说明我国古代已有大规模的治河工程。(公元前256210年)秦代，在公元前256-前210年间便修建了都江堰都江堰、郑郑国渠国渠、灵渠灵渠三大水利工程，说明当时对明槽水流和堰流流动规律的认识已经达到相当水平。龙首渠

18、（公元前156-前87）西汉武帝时期，为引洛水灌溉农田，在黄土高原上修建了龙首渠，创造性地采用了井渠法，即用竖井沟通长十余里的穿山隧洞，有效地防止了黄土的塌方。流体力学在中国流体力学在中国水利风力机械 在古代，以水为动力的简单机械也有了长足的发展，例如用水轮提水，或通过简单的机械传动去碾米、磨面等。东汉杜诗任南阳太守时（公元37年）曾创造水排水排（水力鼓风机），利用水力，通过传动机械，使皮制鼓风囊连续开合，将空气送入冶金炉，较西欧约早了一千一百年。流体力学在中国流体力学在中国真州船闸北宋（960-1126）时期，在运河上修建的真州船闸与十四世纪末荷兰的同类船闸相比，约早三百多年。潘季顺明朝的水

19、利家潘季顺（1521-1595）提出了“筑堤防溢，建坝减水，以堤束水，以水攻沙”和“借清刷黄”的治黄原治黄原则则，并著有两河管见、两河经略和河防一揽。流 量清朝雍正年间，何梦瑶在算迪一书中提出流量流量等于过水断面面积乘以断面平均流速的计算方法。李冰（公元前李冰（公元前302-235302-235）都江堰都江堰流体力学在中国流体力学在中国流体力学在中国流体力学在中国 钱学森钱学森 钱学森（1911）浙江省杭州市人，他在火箭、导弹、航天器的总体、动力、制导、气动力、结构、材料、计算机、质量控制和科技管理等领域的丰富知识，为中国火箭导弹和航天事业的创建与发展作出了杰出的贡献。1957年获中国科学院自

20、然科学一等奖，1979年获美国加州理工学院杰出校友奖，1985年获国家科技进步奖特等奖。1989年获小罗克维尔奖章和世界级科学与工程名人称号，1991年被国务院、中央军委授予“国家杰出贡献科学家”荣誉称号和一级英模奖章。流体力学在中国流体力学在中国周培源（19021993)。1902年8月28日出生，江苏宜兴人。理论学家、流体力学家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。吴仲华吴仲华（Wu Zhonghua）在1952年发表的在轴流式、径流式和混流式亚声速和超声速叶轮机械中的三元流普遍理论和在1975年发表的使用非

21、正交曲线坐标的叶轮机械三元流动的基本方程及其解法两篇论文中所建立的叶轮机械三元流理论，至今仍是国内外许多优良叶轮机械设计计算的主要依据。第三时期：第三时期：近近 代代 三元流动理论三元流动理论 计算流体力学计算流体力学 多相流体力学多相流体力学 环境流体力学环境流体力学 磁流体力学磁流体力学 非牛顿流体力学非牛顿流体力学穿过厚纸片的子弹的激波飞机激波航天飞机周围的激波战机突破音障瞬间瑞典SAAB-37雷式战机涡街液滴落在液面时的瞬间涡街形成过程的数值模拟协和式飞机着陆时的流场有攻角的锥头背风面的涡 喷气式飞机外流场喷气式飞机外流场机舱内空调气体流动模拟效果图机舱内空调气体流动模拟效果图宝马轿车的外流场显示图宝马轿车的外流场显示图车厢内的空气流场车厢内的空气流场海上石油平台的空气外流场海上石油平台的空气外流场