工程流体力学课件1
中国石油大学华东工程流体力学课件
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- .可修编 . 绪论
主要容：
流体力学概述
工程流体力学概述
本学期学习任务
几点要求
一、流体力学概述
1、流体力学：研究流体的运动和平衡的规律以及流体和固体之间相互作用的一门科学。
2、流体力学的应用
（1） 航空航天领域——空气动力学、稀薄空气动力学
飞机、火箭、人造地球卫星、宇宙探测器、航天飞机等航空器都是在大气层活动的飞行器。
例：
飞机为什么能飞？——各种飞机都是靠空气动力克服自身重力实现升空的。
飞机在空中飞行，必然有外力作用。在水平飞行中，飞机上主要作用着4种力，它们是升力（Y）、阻力（X）、推力（P）和重力（G）。飞机的受力直接影响飞机的运动状态，它们相互平衡时，飞机便作水平匀速直线飞行。
尽管有各个部件的配合，但是最主要的是飞机有一对采用特殊剖面形状的机翼。翼剖面又称翼型。大家知道，机翼外形都是采用称流线形设计。根据流体的连续性和伯努利定理可知，相对远前方的空气来说，流经上翼面的气流受挤，流速加快，压力减小，甚至形成吸力（负压力）；而流过下翼面的气流流速减慢。于是上下翼面就形成了压力差。这个压力差就是空气动力。按力的分解法则，将其沿飞行方向分解成向上的升力和向后的阻力。阻力由发动机提供的推力克服，升力正好可克服自身的重力，将飞机托向空中。这就是飞机会飞的奥秘。
（2） 船舶工业
很显然，船舶工业更是离不开流体力学。船舶、舰艇的外形直接影响到他们的航行速度、稳定性等特性，在设计时必须考虑在流体力学上如何使船体线型达到最佳。
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工程流体力学
流体：在任何微小剪切力的持续作用下能够连续不断变形的物质。
流体的密度ρ：单位体积流体所具有的质量，ρ=m/V。
流体的压缩性和膨胀性：随着压强的增加，体积缩小；温度增高，体积膨胀。流体压缩性用体积压缩系数k来表示。表示温度保持不变时，单位压强增量引起流体体积的相对缩小量。
不可压缩流体：在大多数情况下，可忽略压缩性的影响，认为液体的密度是一个常数。
可压缩流体：密度随温度和压强变化的流体。通常把气体看成是可压缩流体，即它的密度不能作为常数，而是随压强和温度的变化而变化的。
把液体看作是不可压缩流体，气体看作是可压缩流体，都不是绝对的。在实际工程中，要不要考虑流体的压缩性，要视具体情况而定。
流体的黏性：是流体抵抗剪切变形的一种属性。流体具有内摩擦力的特性。
运动的流体所产生的内摩擦力(切向力) F 的大小与垂直于流动方向的速度梯度du/dy成正比，与接触面的面积A成正比，并与流体的种类有关，而与接触面上压强P 无关。
流层间单位面积上的内摩擦力称为切向应力，则τ=F/A=μdu/dy。
动力黏度（黏性系数）μ：在通常的压强下，压强对流体的黏性影响很小，可忽略。高压下，流体的黏性随压强升高而增大。液体黏性随温度升高而减小，气体黏性随温度升高而增大。
运动黏度ν：动力黏度与密度的比值，ν=μ/ρ。
理想流体：不具有黏性的流体，，实际流体都是具有黏性的。在流体力学中，总是先研究理想流体的流动，而后再研究黏性流体的流动。
作用在流体上的力可以分为两大类，表面力和质量力。
表面力：作用在流体中所取某部分流体体积表面上的力，即该部分体积周围的流体或固体通过接触面作用在其上的力。可分解成与流体表面垂直的法向力和与流体表面相切的切向力。
质量力：指作用在流体某体积内所有流体质点上并与这一体积的流体质量成正比的力，又称体积力。在均匀流体中，质量力与受作用流体的体积成正比。
流体的压强：在流体内部或流体与固体壁面所存在的单位面积上的法向作用力，当流体处于静止状态时，流体的压强称流体静压强p，单位为Pa。流体静压强有两个基本特性。
工程流体力学(Ⅰ) 考试基本要求课件
工程流体力学（Ⅰ）考试
基本要求
适用专业：石油工程、油气储运
学 时: 64-80
大纲编写人：陈小榆
- 1 - 一、课程的性质和地位
《工程流体力学》(一)是为石油工程专业学生开设的必修的专业基础技术课程。石油和天然气都是流体，在石油和天然气的开采、储存、运输等过程中都离不开流体力学的知识，因此《工程流体力学》课程在石油工程中占有非常重要的地位。本门课程从流体力学的基本原理出发，主要阐述流体的流动规律，它是学习后继专业课程的基础，同时也能直接用于解决工程实际问题，因此《工程流体力学》课程是一门理论性和应用性都非常强的学科，通过这门课程的学习可以培养学生分析问题和解决问题的能力。
开设本课程的目的
工程流体力学是石油工程程专业的一门主要专业基础课程。它的主要任务是通过各个教学环节，使学生掌握流体运动的基本概念、基本理论、基本计算方法和基本实验技能，提高学生分析和解决实际问题的能力，为以后学习专业知识，从事专业技术工作和科研打下必要的流体力学基础。
二、课程的基本要求
1.了解流体的主要物理性质；
2.掌握流体静力学、运动学及动力学的基本理论、基本方程及其工程应用；
3.掌握流动阻力与水头损失力的计算；
4.掌握压力管道的水力计算；
5.了解一元非恒定流动基本概念及基本计算；
6.了解气体动力学有关基础知识，并会进行有关参数的计算；
7.了解非牛顿流体的有关概念，掌握非牛顿流体水头损失的计算方法。
三、考试内容和考核目标
第一章 流体及其主要物理性质（2学时）
(一)学习目标
1.了解流体的概念及特性；正确理解流体连续介质模型；
2.掌握流体的主要物理性质，特别是粘性和牛顿内摩擦定律；正确理解理想流体和实际流体、不可压缩流体和可压缩流体的概念；
3.会分析作用在流体上的力。
(二) 课程内容
第一节 流体的概念
1. 流体的定义及特性；
2. 流体的连续介质模型。
第二节 流体的主要物理性质
高等工程流体力学
1
内容提纲
边界层及其方程
层流边界层流动转捩
湍流边界层结构
流动分离、二次流动与旋涡
能源动力领域流动问题的主要特征
全三维
非定常
粘性
高雷诺数，边界层
边界层：层流、转捩、湍流（紊流），分离流动，旋涡运动
叶轮机械（透平和压气机等）大多由单个或多个级组成。每个级含有一排静子叶片列和一排转子叶片列。在级内的气流场中，一般至少有以下几种流动现象发生：1、前缘马蹄涡；2、通道涡；3、顶部间隙涡；4、边界层转捩；5、叶片尾迹；6、旋涡、尾迹等与叶片列周期性非定常相互作用。
激波、激波与边界层相互作用
2
边界层流动
边界层
边界层概念：粘性很小的流体以大雷诺数运动时，在大部分流场上可以略去粘性的作用；但在物面附近的很薄的一层流体内必须考虑粘性作用。这一薄层流体称为边界层。
平板边界层示意图 有边界的流动图谱
如右上图所示：流动分为三个区：边界层，尾迹区，位流区（外部势流区）
二维平板的边界层微分方程
设直匀流 以零迎角平行流过一块长度为 的平板,如左下图所示，人为规定，当某个y处的速度达到层外自由流的99％时，这一点到物体表面的距离（即y）称为边界层在改点的厚度，记为 。显然，边界层的厚度是与X有关的，所以可以写成 。 l（x）
3
平板边界层
边界层的厚度 很小，满足此关系式：
在忽略质量力的前提下，粘性平面不可压流的运动方程加上连续方程是:
用边界层条件式 上式，y的数值限制在边界层之内，即
经过数量级分析，上面方程组化为：
的物理意义：在边界层内，沿物体表面的发法线方向压强是不变的，亦即等于边
工程流体力学-流体物理特性_图文(精)
工程流体力学机械工程学院
主讲:杨阳(博士、副教授
2013年03月
本课程的性质和任务
《工程流体力学》是机械设计制造及自动化、车辆工程、材
料成形与控制工程等专业一门主要技术基础课程。它的主要任料成形与控制工程等专业门它的主要任
务是通过各教学环节,运用各种教学手段和方法,使学生掌握
流体运动的基本概念、基本原理、基本计算方法;培养学生分流体运动的基本概念基本原基本计算方法培养学生分析、解决问题的能力和实验技能,为学习后继课程、从事工程技术工作和科学研究以及开拓新技术领域打下坚实的基础。
总学时:32
总学时
教学方法:
课堂讲授与实验教学相结合,采用多媒体演示完成。
考试方式闭卷
考试方式:闭卷
第一章绪论
¾有关流体运动与流体力学的三个问题;
¾流体力学的发展概况;
¾流体力学的概念;
¾流体力学的概述与应用;
¾流体力学课程的性质、目的、基本要求;
流体力学课程的性质目的基本要求;
¾流体力学的研究方法;
¾流体的连续介质模型;
¾流体的主要物理性质——惯性、粘性、压缩性;
¾理想流体与实际流体、可压缩流体与不可压缩流体、牛顿流体与非牛顿流体概念
顿流体与非牛顿流体概念。
第一节流体力学及其发展概况
有关流体运动与流体力学的问题
人类虽然长期生活在空气和水环境中,对一些流体运动现象却缺乏认识,现举三例。
A.高尔夫球:表面光滑还是粗糙?
B.汽车阻力:来自前部还是后部?
C.机翼升力:来自下部还是上部?
A.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。
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。
思考题:表面凹窝状的高尔夫球飞得更远是因为:考表窝的高尔夫球得为A与气流接触的外表面积减小了;
中国石油大学(华东)工程流体力学课件
绪 论
主要内容：
流体力学概述
工程流体力学概述
本学期学习任务
几点要求
一、流体力学概述
1、流体力学：研究流体的运动和平衡的规律以及流体和固体之间相互作用的一门科学。
2、流体力学的应用
（1） 航空航天领域——空气动力学、稀薄空气动力学
飞机、火箭、人造地球卫星、宇宙探测器、航天飞机等。
例：
飞机为什么能飞？——各种飞机都是靠空气动力克服自身重力实现升空的。
飞机在空中飞行，必然有外力作用。在水平飞行中，飞机上主要作用着4种力，它们是升力（Y）、阻力（X）、推力（P）和重力（G）。飞机的受力直接影响飞机的运动状态，它们相互平衡时，飞机便作水平匀速直线飞行。
尽管有各个部件的配合，但是最主要的是飞机有一对采用特殊剖面形状的机翼。翼剖面又称翼型。大家知道，机翼外形都是采用称流线形设计。根据流体的连续性和伯努利定理可知，相对远前方的空气来说，流经上翼面的气流受挤，流速加快，压力减小，甚至形成吸力（负压力）；而流过下翼面的气流流速减慢。于是上下翼面就形成了压力差。这个压力差就是空气动力。按力的分解法则，将其沿飞行方向分解成向上的升力和向后的阻力。阻力由发动机提供的推力克服，升力正好可克服自身的重力，将飞机托向空中。这就是飞机会飞的奥秘。
（2） 船舶工业
很显然，船舶工业更是离不开流体力学。船舶、舰艇的外形直接影响到他们的航行速度、稳定性等特性，在设计时必须考虑在流体力学上如何使船体线型达到最佳。
例：
潜艇
现代潜艇按艇体线型的形状可分为三种，即常规型、水滴型和过渡型。常规型适宜于水面航行，但对提高水下航速是不利的。水滴型水下阻力小，有利于提高水下航速，但水滴型潜艇的水面航行性能较差，艇首容易上浪，而且易出现埋首现象。过渡型潜艇是把常规型的直首和水滴型的尖尾相结合的一种潜艇线型，这种潜艇的水面航行性能优于水滴型，而水下航行性能优于常规型潜艇。
流体力学ppt
流体力学ppt
本科阶段：如果偏航空工程的话，建议细看Anderson那本的《Fundamentals of
Aerodynamics》（空气动力学基础），目前第六版也已经出来了，国内有买第五版中文译注版的
（不是翻译版），据说美国的许多大学都用这本教材。这本书在流动机理和概念方面讲得非常透
彻，不像中文书那样都是点到为止，从难度上来讲也适合作为你的第一本气动教材。书的内容包含
流体力学基础、从亚声速到高超声速，从不可压到可压流，从无粘到粘性流，都讲了一遍，内容较
广，侧重翼型绕流，和经典的空气动力计算方法，教材中也会介绍一些空气动力学的历史发展和故
事，对提高专业英语阅读能力也很有好处。其实Anderson的其他教材也写得很不错，如高超，可
压缩流，都是以对话式的方式写书，易阅读易上手。另外，气体动力学，也就是可压缩流体力学方
面，中文书首推童秉纲院士写的那本，国内的气体动力学教材基本都是以此为蓝本写的。
研究生层面，中文书中，西安交大新出版的那本《高等工程流体力学》（张鸣远编）还不错。正如
书中前言中讲的那样，“本书吸取了国内外教材和专著的精华”，学习
的时候能体会到编者的确是
用了心的，国外教材中哪一部分写得好作者就把它搞过来弄到自己的书里，包括MIT的课件也是一
样。。书中绝大部分公式都是先给分量形式，再给出张量形式，这点对于初学张量的童鞋来说我认
为挺好。内容方面主要还是以流体力学基础为主，包括：数学基础、流体力学基本方程、涡量动力
学、平面势流和空间对称势流、NS方程的精确解、小雷诺数流、边界层、流动不稳定性、湍流、可
压流；随书配套的还有一本习题集（有答案），是市面上目前新出版的少有的流体力学习题集。
湍流教材中，首推Cornell大学教授S.B.Pope写的《Turbulent
Flows》，Pope的水平应该是现在
研究湍流中活着的排前三的吧。。这本书适合专业是力学与应用数学的人学习；据说Pope教授花了
工程流体力学-专业课1
名词解释
表面力：作用在流体外表面上与表面积大小成正比的力。
质量力：作用在流体质心上，大小与流体质量成正比的力。
流体粘性：当流体在外力下，流体微元见出现相对运动时，随之产生阻抗流体层间相对运动的内摩擦力，流体产生内摩擦力的这种性质称为粘性。
理想流体：没有粘性的流体，称为理想流体。
牛顿流体：在流体力学的研究中，凡切向力与速度梯度成线性关系，即服从牛顿内摩擦定律的流体，称为牛顿流体。
非牛顿流体：凡切向力与速度梯度间不存在线性关系，即不服从牛顿内摩擦定律的流体，称为非牛顿流体。
力势函数：函数U(x,y,z)与质量力满足：()UUUdpdxdydzdUxyz，函数U为力的势函数。
连续介质模型：流体微元由足够数量的分子组成，连续充满它所占据的空间，彼此间无任何间隙。这就是1752年由欧拉首先建立的“连续介质模型”
等压面：充满平衡流体的空间，连接压强相等的点组成的面。
压力体：由所研究的曲面，通过曲面周界所作的垂直柱面和流体的自由表面所围成的封闭体积叫做压力体。
流线：某一瞬间，在流场中所作的一条空间曲线，曲线上流体之间的运动速度与该线相切。
迹线：流体质点运动的轨迹。
恒定流动：流场中任意点的流体质点运动参数不随时间变化。
非恒定流动：流场中流体质点运动参数随时间变化。
有旋运动和无旋运动：按流场中每一个流体微元是否旋转可以将流动分为有旋运动和无旋运动。有旋运动，即00rot或； 无旋运动，即00rot或
断面平均流速：某过流断面流速的平均值。表达式：AdAVA
正压流体：对于密度只与压强有关，而与温度无关的流体称为正压流体。
有势质量力：单位质量流体的质量力在x,y和z轴上的分量fx，fy，fz称为有势质量力。
涡管：给定瞬时，在涡量场中，过任意封闭围线（不是涡线）上各点，做涡线所形成的管状表面，称为涡管。 涡束：若涡管中充满着旋转运动的流体质点，就称为涡束。
工程流体力学教学课件ppt作者闻建龙工程流体力学习题+答案（部分）
工程流体力学教学课件ppt作者闻建龙工程流体力学习题+答案（部分）
闻建龙主编的《工程流体力学》习题参考答案
第一章绪论
1-1 物质是按什么原则分为固体和液体两大类的？
解：从物质受力和运动的特性将物质分成两大类：不能抵抗切向力，在切向力作用下可以无限的变形（流动），这类物质称为流体。如空气、水等。而在同等条件下，固体则产生有限的变形。
因此，可以说：流体不管是液体还是气体，在无论多么小的剪应力（切向）作用下都能发生连续不断的变形。与此相反，固体的变形与作用的应力成比例，经一段时间变形后将达到平衡，而不会无限增加。
1-2 何谓连续介质假设？引入连续介质模型的目的是什么？在解决流动问题时，应用连续介质模型的条件是什么？
解：1753年，欧拉首次采用连续介质作为流体宏观流动模型，即不考虑流体分子的存在，把真实的流体看成是由无限多流体质点组成的稠密而无间隙的连续介质，甚至在流体与固体边壁距离接近零的极限情况也认为如此，这个假设叫流体连续介质假设或稠密性假设。
流体连续性假设是流体力学中第一个根本性假设，将真实流体看成为连续介质，意味着流体的一切宏观物理量，如密度、压力、速度等，都可看成时间和空间位置的连续函数，使我们有可能用数学分析来讨论和解决流体力学问题。
在一些特定情况下，连续介质假设是不成立的，例如：航天器在高空稀薄气体中飞行，超声速气流中激波前后，血液在微血管（1μm）内的流动。
1-3 底面积为2
5.1m 的薄板在液面上水平移动（图1-3），其移动速度为s m 16，液
层厚度为mm 4，当液体分别为C 020的水和C 0 20时密度为3
856m kg 的原油时，移动平
板所需的力各为多大？
题1-3图
解：20℃ 水：s Pa ??=-3
10
1μ
20℃，3
/856m kg =ρ， 原油：s Pa ??='-3
10
2.7μ
水： 23
3
/410
416
101m N u
工程流体力学 2
1
工程流体力学
（水力学）
第一章 绪论
学习重点：流体的粘性及牛顿内摩擦定律。尤其是牛顿内摩擦定律应熟练掌握。了解工程的发展及在工程中的应用。
§1—1 工程流体力学简介
1． 工程流体力学——是利用实验和理论分析的方法研究流体的平衡和运动规律及其在工程中的应用的一门学科。
2． 自然界中物质的存在形式有：
（1）固体 ← 相应的研究学科有材料力学、弹性力学 等。
（2）液体
（3）气体
← 统称流体 。 相应的研究学科即流体力学。
3．流体与固体的比较：
（1）从微观上说，流体分子之间的距离相对较大，分子运动丰富（振动、转动、移动）。
（2）从宏观上说，流体没有固定的形状，易流动、变形，静止的流体不能承受剪力及拉力。
4．发展史（随着生产的发展，继固体力学之后发展起来的一门学科）：
论浮体
实验水力学（建立在实验、直观基础上）
工程流体力学（侧重应用）
古典水力学（纯理论分析、理论模型） 计算流体力学
5．意义：流体力学已经发展成一门涉及多专业的基础性学科。工程流体力学在工程中的应用也越来越广泛。
例如：给排水、农田灌溉、道路、桥涵、港口设计等等。
§1—2 连续介质假设 流体的主要物理性质
一． 连续介质假设
1． 流体的组成：由大量不断运动的分子组成，分子之间有间隙，不连续。
2． 假设：假设将流体看作是由无数质点组成的连续的介质。因为我们研究的是流体的宏观机械运动而不是微观运动，这样的