上海交大船舶流体力学课件10
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。
流体力学课件PPT课件
注意：恒定流中流线与迹线重合
第27页/共90页
四、流管、流束、元流、总流、过流断面
1.流管
在流场中通过任意不与流线重合的封闭曲线上各 点作流线而构成的管状面。
第28页/共90页
2.流束
流管内所有流线的总和。流束可大可小，视流管 封闭曲线而定。
•元流：流管封闭曲线无限小，故元流又称微元流束。 •总流：流管封闭曲线取在流场边界上，总流即为许
x
y方向:
my
(uy ) dxdydz
y
z方向:
mz
(uz ) dxdydz
z
据质量守恒定律：
第39页/共90页
单位时间内流进、流出控制体的流体质量差之总和
等于控制体内流体因密度发生变化所引起的质量增
量 即
mx
my
mz
t
dxdydz
将 mx、my、mz 代入上式，化简得：
(ux ) (u y ) (uz ) 0
第54页/共90页
1.伯努利方程的物理意义
• z mgz : 单位重量流体所具有的位能。 mg
•
p
mg
p
/
mg
:
单位重量流体所具有的压能。
•z p :
单位重量流体所具有的势能。
•
u2 2g
1 2
mu
2
/
mg
:
单位重量流体所具有的动能。
第55页/共90页
• z p u2 : 单位重量流体所具有的机械能。
第8页/共90页
§3-1 描述流体运动的方法
一、拉格朗日方法
1.方法概要
着眼于流体各质点的运动情况，研究各质点 的运动历程，并通过综合所有被研究流体质点的 运动情况来获得整个流体运动的规律。
上海交通大流体力学课件
常用粘度表示方法有三种：
<1>动力粘度 µ 单位 ： Pa s （帕 • 秒） 1 Pa s = 1 N/m2 s
<2>运动粘度：
单位：m2 / s
工程上常用：10 – 6 m2 / s (厘斯) mm2 / s 油液的牌号：摄氏 40ºC 时油液运动粘度的 平均厘斯( mm2 /s )值。
平衡流体内不显示粘性，所以不存在切应力 。
§2-1 平衡流体上的作用力
一、质量力
质量力 —— 与流体的质量有关，作用在某一体积 流体的所有质点上的力。（如重力、惯性力）
单位质量力
——
单位质 量流体所受到的质量力。
Fm mam m fx i fy j fz k
am —— 单位质量力（数值等于流体加速度）。
内摩擦力： F A dv
dy
以切应力表示： F dv
A dy
牛顿内摩擦定律
式中：µ—— 与流体的种类及其温度有关的比例
常数；
dv —— 速度梯度（流体流速在其法线方
dy
向上的变化率）。
2、粘度及其表示方法
粘度
dv dy
代表了粘性的大小
µ 的物理意义：产生单位速度梯度，相邻流 层在单位面积上所作用的内摩擦力（切应力）的 大小。
§1-3 流体的主要物理性质
z
一、密度
P
= lim
V0
M V
kg/m3
• 流体密度是空间位置
x
和时间的函数。
V. M
• P ( x,y, z )
y
• 对于均质流体： M
V
kg/m3
二、压缩性
可压缩性—— 流体随其所受压强的变化而发生
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。
流体力学(共64张PPT)
1) 柏努利方程式说明理想流体在管内做稳定流动，没有
外功参加时，任意截面上单位质量流体的总机械能即动能、
位能、静压能之和为一常数，用E表示。
即：1kg理想流体在各截面上的总机械能相等，但各种形式的机
械能却不一定相等，可以相互转换。
2) 对于实际流体，在管路内流动时，应满足：上游截面处的总机械能大于下游截面
p g 1z12 u 1 g 2W g ep g 2z22 u g 2 2g hf
JJ
kgm/s2
m N
流体输送机械对每牛顿流体所做的功
令
HeW ge,
Hf ghf
p g 1z12 u 1 g 2H ep g 2z22 ug 2 2 H f
静压头
位压头
动压头 泵的扬程（ 有效压头） 总压头
处的总机械能。
22
3)g式中z各、项 的2u 2物、理 意p 义处于g 某Z 个1 截u 2 1 面2上的p 1流 W 体e本 身g Z 所2具u 有2 22 的 能p 量2 ; hf
We和Σhf： 流体流动过程中所获得或消耗的能量〔能量损失〕;
We：输送设备对单位质量流体所做的有效功;
Ne：单位时间输送设备对流体所做的有效功，即有效功率;
u2 2
u22 2
u12 2
p v p 2 v 2 p 1 v 1
Ug Z 2 u2 pQ eW e
——稳定流动过程的总能量衡算式 18
UgZ 2 u2pQ eW e
2、流动系统的机械能衡算式——柏努利方程
1) 流动系统的机械能衡算式〔消去△U和Qe 〕
UQ'e vv12pdv热力学第一定律
26
五、柏努利方程应用
三种衡算基准
《流体力学》课件
流体力学是在人类同自然界作斗争和在生产实践中逐步发展起来的。
古时中国有大禹治水疏通江河的传说；秦朝李冰父子带领劳动人民修建的都江堰，至今还在发挥着作用；大约与此同时，古罗马人建成了大规模的供水管道系统等等。
流体力学的萌芽：距今约2200年前，希腊学者阿基米德写的“论浮体”一文，他对静止时的液体力学性质作了第一次科学总结。
建立了包括物理浮力定律和浮体稳定性在内的液体平衡理论，奠定了流体静力学的基础。
此后千余年间，流体力学没有重大发展。
15世纪，意大利达·芬奇的著作才谈到水波、管流、水力机械、鸟的飞翔原理等问题；17世纪，帕斯卡阐明了静止流体中压力的概念。
但流体力学尤其是流体动力学作为一门严密的科学，却是随着经典力学建立了速度、加速度，力、流场等概念，以及质量、动量、能量三个守恒定律的奠定之后才逐步形成的。
流体力学的主要发展：17世纪，力学奠基人牛顿（英）在名著《自然哲学的数学原理》（1687年）中讨论了在流体中运动的物体所受到的阻力，得到阻力与流体密度、物体迎流截面积以及运动速度的平方成正比的关系。
他针对粘性流体运动时的内摩擦力也提出了牛顿粘性定律。
使流体力学开始成为力学中的一个独立分支。
但是，牛顿还没有建立起流体动力学的理论基础，他提出的许多力学模型和结论同实际情形还有较大的差别。
之后，皮托（法）发明了测量流速的皮托管；达朗贝尔（法）对运动中船只的阻力进行了许多实验工作，证实了阻力同物体运动速度之间的平方关系；瑞士的欧拉采用了连续介质的概念，把静力学中压力的概念推广到运动流体中，建立了欧拉方程，正确地用微分方程组描述了无粘流体的运动；伯努利（瑞士）从经典力学的能量守恒出发，研究供水管道中水的流动，精心地安排了实验并加以分析，得到了流体定常运动下的流速、压力、管道高程之间的关系——伯努利方程。
欧拉方程和伯努利方程的建立，是流体动力学作为一个分支学科建立的标志，从此开始了用微分方程和实验测量进行流体运动定量研究的阶段。
船舶流体力学课件：Lecture2016_Note24
8.7 湍流流动
Johann Nikuradse
Shanghai Jiao Tong University
8.7 湍流流动
尼古拉兹实验曲线 是用各种不同的人工均匀砂粒粗糙度的圆管 进行实验得到的沿程阻力系数的变化规律。
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层流时, λ = 64
(舍维列夫公式)
hf ∝V 2
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• 适合湍流区的公式：
8.7 湍流流动
λ = −2 lg( ks + 2.51 ) (柯列勃洛克公式) 3.7d Re λ
λ＝0.1（1 ks + 68 ）0.25
d Re
(阿里特苏里公式)
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8.7 湍流流动
∂u i ∂t
+u
j
∂u i ∂x j
=f i
−
1
ρ
∂p ∂x i
+1
ρ
µ ∇ 2 u i
−
∂ ∂x j
(ρ
u′iu′j )
µ ∇2 ui ——平均运动的粘性应力
−ρu′u′
Rij = −ρ v′u′ −ρ w′u′
− ρ u ′v′ −ρ v′v′ −ρ w′v′
−ρu′w′
Shanghai Jiao Tong University
8.7 湍流流动
Reynolds湍流方程(RANSE) 雷诺认为：湍流的瞬时运动满足NS方程。
∂u + ∂v + ∂w = 0 ∂x ∂y ∂z
时均
u= u + u′ v= v + v′ w= w + w′ p= p + p′
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3.5 流体运动基本控制方程
Shanghai Jiao Tong University
由
方程，简称NS方程。
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写成分量形式：
y z
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NS
Lamb方程。
3.6 Bernoulli
Shanghai Jiao Tong University
Bernoulli
＋＝常数
位置水头
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3.7 Bernoulli 例子的水平线为参考位置，所以
，即V 2=0。
2
2212
2p V z z
g
g
ρ+=++1.53m s
=
3.7 Bernoulli
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用Pitot
3.7 Bernoulli方程和动量方程例子
Shanghai Jiao Tong University
驻点(stagnation point)：流体流过钝体(blunt body)时，其前沿点处的流速为0，此点就称为驻点。
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3.7 Bernoulli 例子图所示，两个管子液面高度可以读出，试求管内的流量。
如图所示，设管子粗、细两处的截面积、压强、流速分别为Ｓ１、２，管子粗细两处竖直管内的液面高度，根据水平管伯努利方程有：
2
1
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3.7 Bernoulli 方程和动量方程例子
用Venturi 管(Venturi tube)测流量。
22
212
12A A gh A A Q -=
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3.7 Bernoulli 例子视液体为理想流体，且排水管均匀，对容器内液面A 和管口0
2P gh D D
++ρρυ
，由连续性方程可知：
3.7 Bernoulli
Shanghai Jiao Tong University
由上式得出管口处的流速为
由于管子粗细均匀，由连续性方
两
ρ
+
C
gh=
P
粗细均匀的虹吸管中，处于较高处液面的压强小于较低
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3.7 Bernoulli 对于由
有最大值，这是虹吸管能够正常工作的条
排水管的最高点与容器中液面之间的高度只能小于：
20B
P g g
ρ<
3.7 Bernoulli方程和动量方程例子
Shanghai Jiao Tong University
例子6：如图一个消防喷水咀，假定
喷水流量为Q，喷水管横截面积为
A1，喷水咀口处面积为A2，问消防
员需要多大的握力，才能握住这个
消防喷水咀？
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3.7 Bernoulli
如图取控制体，根据动量守恒，A
1
V
1
p
1A
2, V 2
F
R
2
g g
ρ
3.7 Bernoulli
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由于喷水咀水平，喷水咀口处压力为大气压，即
3.7 Bernoulli方程和动量方程例子
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例子
=
= 30
不考虑重力，入口和出口压力都为大气压力，根据Bernoulli
= 30 m/s。
的流量为：
3
0.024m s
3.7 Bernoulli
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设平板对射流的作用力为
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3.7 Bernoulli 方程和动量方程例子
例子8：水从长l = 0.6 m 的喷管两端喷出，支承点在喷管的中心，相对喷管的出流速度V = 6 m/s ，喷管直径d = 12.5 mm 。
试求(1) 转臂不动时的转动力拒；(2) 转臂以周向速度u 旋转时装置的功率表达式；(3) V = 6 m/s 时使功率为最大时的u 值。
II
II
I I
解：(1) 转臂不动时
取I-II 两个断面之间的流体为控制体，根据动量定理，管
咀在y 方向的作用力：y
22244F V d V d V
ππρρ⎛⎫== ⎪⎝⎭
-F
流体给管咀的反作用力为-F 。
转动力拒：
()2
2
2
210000.012560.6 2.65N m
4
4
T F l d V l π
π
ρ=-⋅=-
=-⨯⨯⨯⨯=-⋅顺时针
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(2)
2
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例子在一个平面上，一个水柱以速与水平方向成θ角喷射到一块平板
，不考虑水粘性，求作用在平板上的力，以及射流喷射到平板后分成两股水流动的速度和流量。
A
2,
V
2
A 1, V
1
A
3,
V
3
，3处于同一水平面，都受到是大气压
2
3
g
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由连续方程：123112233123 Q Q Q V A V A V A A A A =+⇒=+⇒=+由动量方程，得x 方向的流体受到的力：
()223311x x x x F
Q V Q V Q V ρ=+-⎡⎤⎣⎦∑因为，
，所以有：230x x V V ==1cos x V V θ=1cos x F
Q V ρθ=-∑所以作用在平板上的力为：11cos cos x n n F F QV F QV ρθρθ
=-=-⇒=∑
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12
Q 在
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例子
Bernoulli方程：
，
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以2处为基准，对1和2建立
z γ1
0V ≈，，得到212V gh =，或42V A =1122
22A gh A gh =11
2A gh
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例子11
解：取如图的控制体，由连续方程
得到：
水以10 m/s 的速度从内径为
50 mm 的喷管中喷出，喷管
的一端则用螺栓固定在内径
为100 mm 水管的法兰上，
如不计损失，试求作用在连
接螺栓上的拉力。
22
1122
44V d V d ππ=22212150()()10 2.5/100
d V V m s d =⋅=⨯=
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对喷管的入口及出口建立
Bernoulli 方程：
221122
22P V P V g g γγ+=+压力用表压表示，P 2=0，因此得到：
2221211()0.5999.1(100 6.25)46833/2
P V V N m ρ=-=⨯⨯-=对喷嘴应用动量定理，设喷嘴对流体作用力为R ，则有
2
222111122
A V AV R P A P A ρρ-=-+-
Shanghai Jiao Tong University 由于：
•系统与控制体
Shanghai Jiao Tong University •雷诺输运定理(RTT)∂
=+⋅∂⎰⎰⎰⎰⎰⎰⎰⎰C MV V CS G G G d
dV
dt dV dA t V n
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•0
⋅V =∇1Q 2Q 3
Q
Shanghai Jiao Tong University •
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在实际工程问题中，可以推出简单
α
Q：流量
V：速度
S：截面面积
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•
ρ
Shanghai Jiao Tong University •
Shanghai Jiao Tong University •。