船舶流体力学课件_绪论
01第一章 绪论 《流体力学(第4版)》罗惕乾(电子课件)
E dp dv v
其中E为体积弹性模量，v为流体体积，负号是因为当受压时dp>0体 积减小dv<0，考虑到一定质量的流体 m=ρv = 常数, 其密度与体积成 反比:
dv vd 0, 即 dv d v
体积弹性模量可写为： E ddp(N /mddp2)
dt
d
dt
其中比例系数μ是反映粘性大小的物性参数，称为流体的粘性系数或粘度。
考虑如上图的流体元变形，因为Δ=（u+du)dt-udt=dudt,
又Δ= dytgdθ=dydθ，所以单位时间内的角变形 d等于速度梯度
dt
dd。uy
从而得到著名的牛顿粘性公式：
du
dy
其中τ的单位是帕：N/m2，流体粘性系数μ的单位是：N.s/m2
(3)表面张力σ（N/m) 液体表面由于分子引力大于斥力而在表层沿表面方向
产生的拉力, 单位长度上的这种拉力称为表面拉力。
2、毛细现象
(1)内聚力，附着力
液体分子间相互制约，形成一体的吸引力。
(2)毛细压强
由表面张力引起的附加压强称为毛细压强
3.毛细管中液体的上升或下降高度
d cos( ) 1 d 2hg
慢的趋势，而快层对慢层有向前的牵扯使其有变快的趋势
Δ
u+du τ
dy
d
u
t
t+dt
流体相邻层间存在着抵抗层间相互错动的趋势，这一特性称为流
体的粘性，层间的这一抵抗力即摩擦力或剪切力，单位面积上的剪
切力称为剪切应力τ
牛顿提出，流体内部的剪切力τ与流体的角变形率 成d正比（注
意对于固体而言，τ 与θ 成正比）
上海交通大学船舶流体力学课件
Shanghai Jiao Tong University课程名称：船舶流体力学(NA235) Introduction to Marine Hydrodynamics 主讲人：万德成dcwan@辅导老师：林志良linzhiliang@张驰zhangchi0309@课程安排Shanghai Jiao Tong University课程性质：专业基础课学时数：68 ＝58 (理论课) ＋4 (实验实践)+ 6 (三次课程设计)成绩：作业和课程设计30%，期末考试70%Shanghai Jiao Tong University《水动力学基础》，刘岳元、冯铁城、刘应中编，上海交通大学出版社，1990《流体力学》，许维德，国防工业出版社，1989《流体力学》(上、下册)，吴望一，北京大学出版社，1982《流体力学》(上、中、下册)，丁祖荣，高等教育出版社，2003《流体力学基础》(上、下册)，潘文全等，机械工业出版社，1982《流体力学》，易家训著(章克本、张涤明等)，高等教育出版社，1983Shanghai Jiao Tong UniversityHydrodynamics, H. Lamb, 6th edition, CambridgeUniversity Press, 1932Marine Hydrodynamics, J.N. Newman, MIT Press, 1977An Introduction to Fluid Dynamics, G.R. Batchelor,Cambridge University Press, 1967Introduction to Fluid Mechanics，James A. Fay，MITPress, 1994Fundamentals of Fluid Mechanics，B.R. Munson, D.F.Young & T.H. Okiishi, Wiley Asia Student Edition, 2005 Fluid Mechanics: Fundamentals and Applications, Y.A.Cengel& J.M. Cimbala, McGraw-Hill, 2006Fluid Mechanics，5th Ed., F.M.White, McGraw-Hill.Shanghai Jiao Tong University第0章序论第0章序论Shanghai Jiao Tong University•流体力学与现实生活•流体力学的发展过程•流体力学的研究方法•流体力学的研究内容流体力学与现实生活Shanghai Jiao Tong University船舶工程Shanghai Jiao Tong UniversityShanghai Jiao Tong University 船舶工程船舶工程Shanghai Jiao Tong UniversityShanghai Jiao Tong University 船舶工程Shanghai Jiao Tong University船舶工程Shanghai Jiao Tong University 船舶工程Shanghai Jiao Tong University船舶工程Shanghai Jiao Tong University 船舶工程Shanghai Jiao Tong University螺旋浆船舶工程船舶工程Shanghai Jiao Tong University船舶工程Shanghai Jiao Tong University海洋工程Shanghai Jiao Tong UniversityShanghai Jiao Tong University 海洋工程航空航天Shanghai Jiao Tong University航空航天Shanghai Jiao Tong University航空航天Shanghai Jiao Tong University航空航天Shanghai Jiao Tong UniversityShanghai Jiao Tong University航空航天水利工程Shanghai Jiao Tong University水利工程Shanghai Jiao Tong UniversityShanghai Jiao Tong University 汽车阻力来自前部还是后部？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 D 很大，约为0.8。
船舶流体力学课件 Note09
fy
1
p y
0
fz
1
p z
0
4.2 流体平衡微分方程式
const 均质不可压
f x y
f y x
f y z
f z y
f z x
f x z
存在力势函数：
质量力做功 与路径无关
fx
W x
,
fy
W y
,
fz
W z
Shanghai Jiao Tong University
4.2 流体平衡微分方程式
Shanghai Jiao Tong University
4.4 静压强的测量
2）U型测压计 (U-tube manometer )
被测流体的密度 1 U形管中工作液体的密度 2
p pa
p 1gh1 pa 2 gh2 p pa 2 gh2 1gh1
pguage 2 gh2 1gh1
4.1 流体静压强及特性
作用在流体上的力
质量力: ◆作用在流体的每个质点上
◆大小与流体质量成正比
◆重力、惯性力等
单位质量力: f lim F
V 0 V 表面力: ◆作用在流体的封闭界面上
◆大小与流体表面积成正比
◆压力、摩擦力等
表面应力:
pn
lim Pn S 0 S
Shanghai Jiao Tong University
1
p1 water gz1
Hg
1
p2 mercury gz2
p1
Shanghai Jiao Tong University
帕斯卡原理
4.3 重力场中的流体平衡
p1 p2 (z2 z1) p2 h
p1 p2
流体力学基础讲解PPT课件
05
流体流动的湍流与噪声
湍流的定义与特性
湍流定义
湍流是一种高度复杂的三维非稳态、带旋转的不规则流动。 在湍流中，流体的各种物理参数，如速度、压力、温度等都 随时间与空间发生随机的变化。
湍流特性
湍流具有随机性、不规则性、非线性和非稳定性等特性。在 湍流中，流体的速度、方向和压力等都随时间和空间发生变 化，形成复杂的涡旋结构。
环境流体流动与环境保护
要点一
环境流体流动
环境中的流体流动对环境保护具有重要影响。例如，大气 中的气流会影响污染物的扩散和迁移，水流会影响水体中 的污染物迁移和沉积等。
要点二
环境保护
通过对环境中的流体流动进行研究和模拟，可以更好地了 解污染物扩散和迁移规律，为环境保护提供科学依据。同 时，通过合理规划和设计流体流动系统，可以有效降低污 染物对环境的影响，保护生态环境。
04
流体流动的能量转换
能量的定义与分类
总结词
能量是物体做功的能力，可以分为机械能、热能、电能等。在流体力学中，主要关注的是机械能中的 动能和势能。
详细描述
能量是物体做功的能力，它有多种表现形式，如机械能、热能、电能等。在流体力学中，我们主要关 注的是机械能，它包括动能和势能两种形式。动能是流体运动所具有的能量，与流体的速度和质量有 关；势能则是由于流体所处位置而具有的能量。
流体流动噪声
流体流动过程中产生的噪声主要包括 机械噪声和流体动力噪声。机械噪声 主要由机械振动和摩擦引起，而流体 动力噪声主要由湍流和流体动力振动 引起。
噪声控制
为了减小流体流动产生的噪声，研究 者们提出了各种噪声控制方法，如改 变管道结构、添加消音器和改变流体 动力特性等。这些方法可以有效降低 流体流动产生的噪声。
船舶流体力学课件 Note16
Shanghai Jiao Tong University点源和点汇偶极子流点涡——均匀流•典型简单势流流动的速度势和流函数：ln ,22m m r φψθππ==4m rφπ=,2φθπΓ=r Γln 2πψ-=2,2M x rφπ=-22M y r ψπ=34M xrφπ=,Ux Uy φψ==Uxφ=Shanghai Jiao Tong University•势流流动的速度势和流函数满足线性叠加原理：将简单的势流叠加起来，可以用来求解复杂的势流流动。
a)点源与点汇的叠加偶极子流b)点源与点涡的叠加螺旋流c)均匀流与点源的叠加半无限长物体绕流Shanghai Jiao Tong University6.4匀速运动物体的势流流动Shanghai Jiao Tong University前面的物体绕流问题，都是物体固定不动，而是有一个均匀来流对物体的绕流。
而实际问题中，更多的是物体在静止的流体中运动。
1) 匀速运动物体的势流流动是否与静止物体的势流绕流流动是相同还是不同？也就是说能不能用静止物体的势流绕流代替运动物体的势流流动？2)匀速运动物体的势流流动是定常流动还是非定常流动？3)在匀速运动物体的势流流动中，物体是否受流体作用力？即达朗伯佯谬是否成立？6.4Shanghai Jiao Tong University题：匀速运动物体的势流流动是定常流动还是非定常流动？这初始条件6.4Shanghai Jiao Tong University如果坐标系固定在物体上，记为Shanghai Jiao Tong University6.4匀速运动物体的势流流动x ’Uo ’y ’z ’xoyzFixed in spaceFixed in translating bod yx = x` +U t两个坐标系之间可互相转换，有：t'=+⋅x x U ()()()()()()()(),,,,,,,,,,,,,,,,,,,x y z t x y z x Ut y z x y z t x y z Ux x Ut y z Ux Ux x Ut y z t x y z φφφφφ'''''=+=-+'''''''=+=-+''''''''-++=V V U V UShanghai Jiao Tong University根据动力学条件(不考虑质量力)，在无穷远处，对两个坐标系分别有：Shanghai Jiao Tong University 根据动力学条件Shanghai Jiao Tong University如果采用2Shanghai Jiao Tong University 例子：Shanghai Jiao Tong UniversityΦ'的势流绕流一样，物体不受流体作用力(达朗伯佯谬)。
(完整版)流体力学 第一章 流体力学绪论
第一章绪论§1—１流体力学及其任务1、流体力学的任务：研究流体的宏观平衡、宏观机械运动规律及其在工程实际中的应用的一门学科。
研究对象：流体,包括液体和气体。
2、流体力学定义：研究流体平衡和运动的力学规律、流体与固体之间的相互作用及其在工程技术中的应用.3、研究对象：流体(包括气体和液体）。
4、特性：•流动(flow)性，流体在一个微小的剪切力作用下能够连续不断地变形,只有在外力停止作用后,变形才能停止。
•液体具有自由（free surface）表面，不能承受拉力承受剪切力（ shear stress)。
•气体不能承受拉力,静止时不能承受剪切力，具有明显的压缩性，不具有一定的体积，可充满整个容器。
流体作为物质的一种基本形态，必须遵循自然界一切物质运动的普遍，如牛顿的力学定律、质量守恒定律和能量守恒定律等。
5、易流动性：处于静止状态的流体不能承受剪切力,即使在很小的剪切力的作用下也将发生连续不断的变形,直到剪切力消失为止。
这也是它便于用管道进行输送，适宜于做供热、制冷等工作介质的主要原因.流体也不能承受拉力，它只能承受压力.利用蒸汽压力推动气轮机来发电，利用液压、气压传动各种机械等,都是流体抗压能力和易流动性的应用.没有固定的形状，取决于约束边界形状，不同的边界必将产生不同的流动。
6、流体的连续介质模型流体微团——是使流体具有宏观特性的允许的最小体积。
这样的微团，称为流体质点。
流体微团：宏观上足够大,微观上足够小。
流体的连续介质模型为:流体是由连续分布的流体质点所组成，每一空间点都被确定的流体质点所占据,其中没有间隙，流体的任一物理量可以表达成空间坐标及时间的连续函数，而且是单值连续可微函数。
7流体力学应用:航空、造船、机械、冶金、建筑、水利、化工、石油输送、环境保护、交通运输等等也都遇到不少流体力学问题。
例如,结构工程:钢结构，钢混结构等.船舶结构；梁结构等要考虑风致振动以及水动力问题；海洋工程如石油钻井平台防波堤受到的外力除了风的作用力还有波浪、潮夕的作用力等，高层建筑的设计要考虑抗风能力;船闸的设计直接与水动力有关等等。
第一章 绪论 船舶阻力 与推进
上篇船舶阻力第一章绪论本章作为绪论，首先分析船舶在航行中受到阻力的物理成因及其阻力成分的分类，然后讲述涉及船舶阻力共性的重要基本概念。
进而介绍阻力相似定律，并提出造船工程中应用较广的傅汝德(W．Froude)假定。
§1-1 船舶阻力划分与分类当船舶在水而上航行时，船体处于空气和水两种流体介质中运动，必然遭受空气和水对船体的反作用力。
这种与船体运动方向相反的流体作用力称为船舶阻力。
为研究方便起见，船体总阻力按流体种类可分成空气阻力和水阻力。
空气阻力是指空气对船体水上部分的反作用力。
水阻力是水对船体水下部分的反作用力。
水阻力又可分成船舶在静水中航行时的静水阻力和波浪中的汹涛阻力(亦称为波浪中阻力增值)两部分。
静水阻力通常分成裸船体阻力和附体阻力两部分。
所谓附体阻力是指突出于裸船体之外的附属体如舵、舭龙骨、轴支架等所增加的阻力值。
根据这种处理方法，船舶在水中航行时所受到的阻力通常可分为两大部分，一是静水中的裸船体阻力，这是船舶阻力中的主要部分，是要着重研究的内容，裸船体阻力往往简称为“船体阻力”；另一部是附加阻力，是空气阻力、汹涛阻力和附体阻力的总称。
裸船体阻力静水阻力船舶阻力23水阻力 附体阻力船舶阻力 汹涛阻力 附加阻力空气阻力因此，实际船体阻力可按照裸船体阻力和附加阻力两部分分别进行研究。
下面将先讨论“裸船体阻力”的成因及其组成，而附加阻力部分在后面有关章节予以讨论。
一、船体阻力成因及分类 1．船体绕流物理现象与阻力成因船体在静水中运动时所受到的阻力与船体周围的流动现象密切有关。
根据观察，船体周围的绕流运动情况相当复杂，但主要有以下三种流动现象：其一，船体在运动过程中兴起波浪，简称兴波。
兴波包括产生稳定的船行波和不稳定的破波。
由于船行波的产生，改变了船体表面的压力分布情况，如图1-1所示。
船首的波峰使首部压力增加，而船尾的波谷使尾部压力降低，于是产生首尾流体动压力差，形成阻力。
从能量观点看，无论是船行波还是破波都具有一定的能量，这些能量必然由船体供给。
《流体力学实验》PPT课件
20时40年代开始，航天飞行--气体动力学
随着喷气式发动机和火箭技术的应用，满足超音速飞行的需要。
爆炸波理论，爆炸力学
研究原子弹、炸药爆炸后激波在空气或水中的传播等的需要。
对自然界固有的流动现象或工程全尺寸实物，利用各种仪器进行系统观测， 总结出流体运动规律，预测流动现象的演变。（气象观测、预报） 问题：对现场的流动现象不能控制，发生条件不可能完全重复出现；花费 大量的人力、物力、财力。
2. 实验室模拟
根据数学、物理和流体力学基本理论的指导以及实验室条件，改变研究对 象的尺度建立模型，根据模型实验结果依据相似理论推算出原型的数据。 现场观测是对已有事物已有工程的观测，实验室模拟则可以对还没有出现 的事物及现象进行观察、预测，是一种研究流体力学问题的重要方法。
3. 理论分析
根据流体运动的普遍规律如质量守恒、动量守恒及能量守恒等，利用数学 分析、物理学和基础力学等手段，观测和研究流体的运动规律，解释已知现 象、预测可能发生的现象。
17
理论分析步骤 1）建立力学模型
针对实际的流体力学问题，分析主要矛盾，对问题进行适当简化，使得建 立的力学模型能够反映问题的本质。
2）建立连续性方程、动量方程和能量方程
针对流体运动特点，应用质量、动量、能量守恒定律得到方程组，此外还 要加上某些联系流动参量的关系式或其它方程。
3）求解方程组
结合具体流动，回归解的物理意义，解释流动机理。通常还需将求解结果 与实验结果进行比较，确定解的准确程度及所建力学模型的适用范围。 从基本概念到基本方程的一系列定量研究均涉及到很深的数学问题，因此 流体力学的发展是以数学的发展为前提。对于进行流体力学研究的人来说， 数学基础十分重要!
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汽车：阻力来自前部还是后部 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（CD）很大，约为0.8。
实际上汽车阻力主要来自后部形成的尾流，称为形状阻力
汽车：阻力来自前部还是后部 20世纪30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0.6。
脱体涡量与机翼环量大小相等方向相反
机翼：升力来自上部还是下部 足球的“香蕉球”现象可帮助理解环量理论。
U1
U2
U1
U2
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，称为马格努斯效应
机翼：升力来自上部还是下部 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。
主讲教师：孙 雷 宗智
船舶工程学院
A 绪论
A1 流体运动与流体力学 A2 流体力学与科学 A3 流体力学与工程技术 A4 流体力学的研究方法 A5 单位制
A1 流体运动与流体力学
从古至今：人类生活在被流体围绕的环境中
人类祖先在海洋里生活了 40亿年
在空气中也生活了近700万年
人类的感性认识: 流体<<固体
经过近80年的研究改进，汽车阻力系数从0.8降至0.137， 阻力减小为原来的1/5 。
机翼：升力来自上部还是下部 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，就像船舶受到水下面的压力把船托在水面上一样。
错误的根源：认为升力来源于对空气的拍打
机翼：升力来自上部还是下部 19世纪初建立的流体力学环量理论彻底改变了人们的传统 观念。
20世纪50－60年代改进为船型，阻力系数为0.45。
汽车：阻力来自前部还是后部 80年代经过风洞实验系统研究后，又改进为鱼型，阻力 系数为0.3。
以后进一步改进为楔型，阻力系数为0.2。
汽车：阻力来自前部还是后部
90年代后，科研人员研制开发的未来型汽车，阻力系数 仅为0.137。
汽车：阻力来自前部还是后部
A1.2 流体力学的任务
流体力学是研究流体宏观运动规律的学科。 主要研究流体的运动规律，流体之间或流体 与固体之间的相互作用力，及流动过程中动 量、能量和质量的传输规律等。
A2 流体力学与科学
纪元前人类研究流体运动取得的成就：
公元前2282年我国的大禹治水， 公元前４世纪古罗马建造城市供水系统， 公元前３世纪阿基米德发现浮力定律， 及我国四川建造都江堰水利工程等。
丰富多彩的流动图案背后隐藏着复杂的力学规律， 人类为揭示流动奥秘建立了流体力学学科。
研究和解决生产、科研、生活中的流体运动问题 就是流体力学的任务。
A1.2 流体力学的任务
航空、航海、水利、水文、气象、环境保护、农业、 渔业、国防等部门必须掌握水和空气的宏观运动规律。
船舶与海洋工程中的设备的工作介质都是流体，为 了改进流程、提高效率，更需要流体力学的知识。
因此用皮革制球
15世纪苏格兰盛行
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
高尔夫球：飞得远应表面光滑还是粗糙
光滑圆球体 一杆打击40
米远
老旧带划痕 球体打击更
远
螺旋线、网纹、 方格纹、凸粒、 凹坑200米开外
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，飞行阻 力为光滑球的1/5。
以周培源、钱学森为代表的中国科学家在湍流理论、 空气动力学等许多重要领域内作出了基础性、开创性的 贡献。
在流体力学领域内的一些重大发现和研究成果被推广 应用到其他学科领域中，有的已成为新学科的理论基 石，开创了新的研究方向。
A2 流体力与科学
２０世纪最具代表性的例子有：
边界层理论导致应用数学中渐近展开匹配法
A1.1 有关流体运动的三个问题
一些流体运动问题的直觉往往与事实不符
高尔夫球：飞得远应表面光滑还是粗糙 汽车：阻力来自前部还是后部 机翼：升力来自上部还是下部
高尔夫球：飞得远应表面光滑还是粗糙
“捶丸”早在元世祖至元十九年（公元1282年） 就在中国出现
当时人们认为表面光 滑的球飞行阻力小，
的形成。
孤立波理论成为新学科光通信的基石，并应
用于声学、超导等其他领域。
劳伦兹方程发现混沌。劳伦兹系统中代表
无穷多天气状态的吸引子图形像蝴蝶，因此被称为“蝴蝶
效应”。
A3 流体力学与工程技术
流体力学也是工程技术的重要基础。 对航空、航天、航海技术的影响： 由于空气动力学的发展人类已研制出的战斗机；
机翼：升力来自上部还是下部 测量和计算表明，上部吸力的贡献远比下部压力要大。
上部吸力 下部压力
机翼：升力来自上部还是下部 思考题：直升飞机没有机翼，靠旋转的浆翼产生升力，你 认为它产生环量的机理是（ ） 请选择： A.与旋转的足球一样； B.与固定的机翼一样； C.其他。
A1.2 流体力学的任务
A2 流体力学与科学
公元１８世纪，随着牛顿运动定律和微积分方法的建立， 流体力学迈入理性发展的阶段。
一批著名的科学家如欧拉、伯努利、达朗贝尔、拉格朗日和拉普 拉斯等建立了关于无粘性流体的理论流体力学； 哈根、泊肃叶和谢才等一批著名的实验家则建立了关于真实流体 的实验流体力学。
公元１９世纪末，两个流体力学分支开始结合，此期间的 重大发展还有：
米格-15和F-86
米格-23
F-16战隼
５ X-51A 倍 声 速
F-22猛禽
A3 流体力学与工程技术
使载重量超过300t，面积达半个足球场的大型民航客 机靠空气动力作用，像鸟一样飞行成为现实，创造了人类 技术史上的奇迹。
安托诺夫An-225"梦想式"运输机
弗劳德建立模型实验法则， 瑞利建议采用量纲分析法， 雷诺发现两种流动状态， 纳维和斯托克斯则建立了粘性流体的运动方程。
A2 流体力学与科学 现代意义上的流体力学形成于２０世纪初，
以普朗特的边界层理论为标志，还有冯·卡门和泰 勒等一批流体力学家在空气动力学、湍流和涡旋理论等 方面的卓越成就奠定了现代流体力学基础。