流体力学与热力学的应用研究与分析
热力学中的常见问题
热力学中的常见问题热力学是研究能量转化和能量传递的科学，它在我们日常生活和工业生产中都扮演着重要的角色。
然而，热力学在理论和实践中都存在一些常见问题。
本文将介绍一些热力学中的常见问题，并探讨解决这些问题的方法。
一、熵的概念热力学第二定律中提到了熵的概念，它是系统无序程度的量度。
然而，许多人对熵的概念感到困惑。
他们不理解熵的物理意义以及如何计算熵的变化。
解决这个问题的方法是理解熵的定义和计算方法。
熵的定义是熵变等于系统的热力学温度除以系统的热力学温度的增量。
熵的计算方法可以通过统计物理学的方法来进行。
通过学习统计物理学的知识，我们可以更好地理解和计算熵的变化。
二、热力学循环效率热力学循环效率是衡量热力学循环能量转化效率的指标，如卡诺循环效率。
然而，实际情况下，热力学循环的效率往往低于理论值，这是一个常见的问题。
提高热力学循环效率的方法可以通过改进热力学循环的工作流程来实现。
例如，减小能量损失，降低热机部件的摩擦和热漏，提高燃烧效率等。
此外，利用先进的材料和技术也可以提高热力学循环的效率。
三、湍流流动的热力学模型湍流是流体力学中的一个复杂问题，它涉及到非线性方程和大量的计算。
在热力学中，湍流流动的热力学模型也是一个常见的问题。
解决湍流流动的热力学模型问题可以通过数值模拟和实验研究相结合的方法。
使用数值模拟方法可以建立湍流流动的数学模型，并进行计算和分析。
实验研究可以获得实际湍流流动的数据，用于验证和修正数值模拟模型。
四、热力学平衡与非平衡态热力学平衡是热力学中的基本概念，但是如何判断系统是否处于平衡态仍然是一个常见的问题。
判断系统是否处于平衡态可以通过热力学平衡的条件来进行。
热力学平衡的条件包括熵的最大化和能量的最小化。
通过观察系统的熵变和能量变化，我们可以判断系统是否处于平衡态。
总结：热力学中存在一些常见问题，包括熵的概念、热力学循环效率、湍流流动的热力学模型以及热力学平衡与非平衡态的判断。
通过理解熵的定义和计算方法、改进热力学循环的工作流程、使用数值模拟和实验研究相结合的方法以及观察系统的熵变和能量变化等方法，我们可以解决这些问题，深入理解热力学的基本概念和应用。
流体力学简介
宇 航 推 进 系 流 体 力 学 ---
0.1流体力学的研究对象 0.2流体力学的研究方法 0.3流体力学发展史 0.4流体力学的展望
力学分支
宇 航 推 进 系 流 体 力 学 ---力学
理论力学
弹塑性力学
弹性力学
流体力学 空气动力学
…………
材料力学 …………
计算流体力学 …………
燃烧离不开气体，这是有化学反应和热能变化的流 体力学问题，是物理-化学流体动力学的内容之一。 爆炸是猛烈的瞬间能量变化和传递过程，涉及气体 动力学，进而形成了爆炸力学。
0.1流体力学的研究对象
宇 航 推 进 系 流 体 力 学 ---
新兴的流体力学研究：
交通流体力学 电磁流体力学 生物流体力学 微尺度流动 稀薄空气动力学 ……
水闸
宇 航 推 进 系 流 体 力 学 ----
桥梁
宇 航 推 进 系 流 体 力 学 ----
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
航天飞机
宇 航 推 进 系 流 体 力 学 ----
模拟水坝
宇 航 推 进 系 流 体 力 学 ----
0.2流体力学的研究方法
宇 航 推 进 系 流 体 力 学 ---
理论分析是根据流体运动的普遍规律如质量守恒、 动量守恒、能量守恒等，利用数学分析的手段， 研究流体的运动，解释已知的现象，预测可能发 生的结果。理论分析的步骤大致如下： 首先是建立“力学模型”，即针对实际流体的力 学问题，分析其中的各种矛盾并抓住主要方面， 对问题进行简化而建立反映问题本质的“力学模 型”。流体力学中最常用的基本模型有：连续介 质、牛顿流体、不可压缩流体、理想流体、平面 流动等。
工程热力学和传热学和流体力学初级
13
2.状态参数分类
强度量 尺度量
压力、温度 比容、热力学能（内能）、焓、熵
基本参数 导出参数
压力、温度、比容 热力学能（内能） 、焓、熵
（√）状态参数的变化只与系统的初、终状态有关，而与变 化途径无关。 （×）功也是状态参数，其变化只与系统的初、终状态有关。 （×）热量是状态参数，其变化只与系统的初、终状态有关。
热量多于定容过程吸收热量。
34
第四节 混合气体
工程实际应用的气体通常是混合气体，如空气、 烟气等等。混合气体的性质取决于各组分气体的成 份及热力性质。
混合物的性质与各种混合物的性质以及各组元在整个 混合物中所占的份额有关。
35
一、混合气体分压力和道尔顿分压力定律
分压力是各组成气体在混合气体的温度下单独 占据混合气体的容积时所呈现的压力。
p1v1 p2v2
p1V1 p2V2
2.查理斯定律
对于一定量的理想气体，当比容（或容积）不变时，压
力与绝对温度成反比。
p1 p2 T1 T2
3.给•吕萨克定律
对于一定量的理想气体，当比容（或容积）不变时，压
力与绝对温度成反比。V1 V2 或 v1 v2
T1 T2 T1 T2
26
4.理想气体状态方程的另外一种表示
（√）一切热力系统连同 与之相互作用的外界可 以抽象为孤立系统。
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第二节 工质及基本状态参数
一、工质(working substance; working medium)
1.定义：实现热能和机械能相互转化，或 传递热能的媒介物质
例如：
电站锅炉的水蒸气 燃烧形成的烟气 气缸中的燃气
27-流体力学基础
Y.C. Fung(冯元祯)：《连续介质力学导论》（第3版中译本）。 ) 笛卡儿张量的介绍本教程够用了！
) 解析或数值手段有局限性 ) 实验验证 实验条件：主要设备和测试手段 ) 风洞、水洞、水槽等 ) 速度、压强、力等定量测量；流场显示 建模、物理分析过程仍离不开理论指导
理论分析是大脑，数值计算、实验是手！
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Lecture 1
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Homework： 阅读§1.4 “热力学基础”，不仔细讲授。
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流体力学基础 Elementary Fluid Mechanics
孙德军
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Tel：3606797 (O)
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1
教材与参考书
教材
庄礼贤, 尹协远, 马晖扬.《流体力学》, 中国科大出版社 (1991第1版, 2009第2版)
) 流体静力学（fluid statics） ) 流体运动学（kinematics of fluid） ) 流体动力学（fluid dynamics）
研究对象：流体
关系
力
运动
中国科大力学系
Lecture 1
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流体力学的研究对象
什么是流体？ 流体的定义（本质属性，概念的内涵）：流体不能承 受任意小的剪切外力而不变形，且变形会持续下去。
) 解析求解越来越困难，数值求解取而代之 物理分析
对流体力学的认识
对流体力学的认识流体力学是研究流体（液体和气体）运动、力学和热力学性质的物理学分支。
以下是对流体力学的基本认识：1.流体的定义：流体是一种没有固定形状和固定体积的物质，包括液体和气体。
与固体相比，流体的分子之间的相互作用较弱。
2.流体运动的描述：流体力学研究流体在受力作用下的运动。
流体运动可以通过速度场（描述每个点上速度的向量）来描述。
流体运动的性质包括速度分布、加速度、流线、路径线等。
3.牛顿流体与非牛顿流体：牛顿流体是指其粘度（黏性）不随剪切速率变化的流体，如水。
而非牛顿流体的粘度随着剪切速率的变化而变化，例如，血液和一些聚合物溶液。
4.连续体假设：流体力学的研究通常基于连续体假设，即认为流体是连续的，而非由离散的分子构成。
这种假设在大多数流体问题中是有效的。
5.流体静力学：研究静止的流体，即不涉及流体运动的流体力学。
这包括静止流体的压力分布和浮力等。
6.流体动力学：研究流体运动的力学，考虑了速度场、压力场、密度场等变量，以解释流体运动的现象，如湍流、层流和旋涡等。
7.质量守恒、动量守恒和能量守恒：这些是流体力学中的基本守恒定律。
质量守恒要求质量在流体中不会凭空消失或产生。
动量守恒关注流体中力的平衡和流体的运动。
能量守恒考虑了流体内部和流体与外部环境之间的能量交换。
8.雷诺数和流体稳定性：雷诺数是描述流体运动稳定性和湍流转变的无量纲参数。
低雷诺数通常对应于层流，而高雷诺数通常对应于湍流。
流体力学在许多领域都有应用，包括航空航天、工程、气象学、生物学等。
它不仅有理论基础，还在实际工程和科学研究中发挥着重要作用。
流体力学最基本的三个方程
流体力学最基本的三个方程流体力学是研究流体运动及其相关物理现象的学科。
它的基础有三个最基本的方程，即连续性方程、动量守恒方程和能量守恒方程。
本文将详细介绍这三个方程的含义和应用。
一、连续性方程：连续性方程，也称为质量守恒方程，描述了流体运动中质量守恒的原理。
它的数学表达式为：∂ρ/∂t+∇·(ρv)=0其中，ρ是流体的密度，v是流体的速度矢量，∂/∂t表示对时间的偏导数，∇·表示向量的散度。
连续性方程的物理意义是说，质量在流体中是守恒的，即单位体积内的质量永远不会改变。
这是由于流体是连续的，无法出现质量的增减。
这个方程告诉我们，流体在流动过程中的速度变化与流体密度变化是相关的。
当流体流动速度较大时，密度通常会变小，反之亦然。
连续性方程的应用十分广泛。
在管道流动中，我们可以利用连续性方程来推导流速和截面积之间的关系。
在天气预报中，连续性方程被用来描述气象现象，如大气的上升和下沉运动，以及风的生成和消散等。
二、动量守恒方程：动量守恒方程描述了流体运动中动量守恒的原理。
它的数学表达式为：∂(ρv)/∂t + ∇·(ρvv) = -∇p + ∇·(μ∇v) + ρg其中，p是流体的压强，μ是流体的黏度，g是重力加速度。
动量守恒方程可以理解为牛顿第二定律在流体力学中的推广。
它表示流体在外力作用下的加速度与压力梯度、黏性力、重力的平衡关系。
动量守恒方程的物理意义是说，流体的运动与施加在流体上的各种力密切相关。
当外力作用于流体时，会引起流体的加速度，也即速度的变化。
这个方程告诉我们，流体的加速度是与外力、黏性力和重力共同作用而产生的。
动量守恒方程的应用十分广泛。
在飞行器设计中，我们可以利用动量守恒方程来研究气动力的产生和改变。
在水力学中，动量守恒方程可以用来分析水流的运动、喷流和冲击等。
三、能量守恒方程：能量守恒方程描述了流体运动中能量守恒的原理。
它的数学表达式为：∂(ρE)/∂t + ∇·(ρEv) = -∇·(pv) + ∇·(κ∇T) + ρg·v +q其中，E是单位质量流体的比总能量（包括内能、动能和位能），T是流体的温度，κ是流体的热传导系数，q是单位质量流体的热源项。
流体力学ppt课件-流体动力学
g
g
2g
水头
，
z
p
g
v2
2g
总水头， hw 水头损失
第二节 热力学第一定律——能量方程
水头线的绘制
总水头线
hw
对于理想流体，总水
1
v12 2g
2
v22 2g
头线是沿程不变的，
测压管水头线
p2
为一水平直线，对于
g
实际流体，总水头沿 程降低，但测压管水
p1 g
头线沿程有可能降低、
z2
不变或者升高。
z1
v2 A2 e2
u22 2
gz2
p2
v1A1 e1
u12 2
gz1
p1
微元流管即为流线，如果不 可压缩理想流体与外界无热 交换，热力学能为常数，则
u2 gz p 常数
2
这个方程是伯努利于1738年首先提出来的，命名为伯努利 方程。伯努利方程的物理意义是沿流线机械能守恒。
第二节 热力学第一定律——能量方程
皮托在1773年用一根弯成直角的玻璃管，测量了法国塞纳河 的流速。原理如图所示，在液体管道某截面装一个测压管和 一个两端开口弯成直角的玻璃管（皮托管），皮托管一端正 对来流，一端垂直向上，此时皮托管内液柱比测压管内液柱 高h，这是因为流体流到皮托管入口A点受到阻滞，速度降为 零，流体的动能变化为压强势能，形成驻点A，A处的压强称 为总压，与A位于同一流线且在A上游的B点未受测压管的影 响，其压强与A点测压管测得的压强相等，称为静压。
第四章 流体动力学
基本内容
• 雷诺输运公式 • 能量方程 • 动量方程 • 流体力学方程应用
第一节 雷诺输运方程
• 前面解决了流体运动的表示方法,但要在流 体上应用物理定律还有困难.
流体力学
4.柏努利方程应用（讲解例题，重点）：
计算高位槽高度； 计算送料的压缩气体压力； 计算流体流速和流量； 确定输送设备的有效功率Ne=WWe
例题练习
如图所示，用泵将水从贮槽送至敞口高位槽，两槽液面均 恒定不变，输送管路尺寸为83×3.5mm，泵的进出口管道 上分别安装有真空表和压力表，压力表安装位置离贮槽的 水面高度H2为5m。当输水量为36m3/h时，进水管道全部阻 力损失为1.96J/kg，出水管道全部阻力损失为4.9J/kg，压 力表读数为2.452×105Pa，泵的效率为70%，水的密度为 1000kg/m3，试求： （1）两槽液面的高度差H为多少？ （2）泵所需的实际功率为多少kW？ H
所以
2．质量流速：单位时间内流体流经管道单位截面 积的质量， 即 所以
若为圆形管道，由流量和流速可确定管道的直径 d
u
Vs d2
4Vs d u
4
二、稳定流动和不稳定流动
稳定流动：在流动系统中，各固定截面上流体的流速、压强 、密度等有关物理量不随时间而变化，这种流动称为定态流 动或稳定流动。在不等径的管路中，流速也会变化？？ 不稳定流动：在流动系统中，各截面上流体的流速、压强、 密度等有关物理量随时间而变化，这种流动称为非定态流动 或不稳定流动。
测定压力
绝对压力
零压力、绝对真空
所以
真空度 = 大气压-绝对压力
例题1-4，1-5（学生讲解）
三、静力学基本方程
1.内容 描述静止流体内部压力（压强）变化规律的数学表达式。 推导：
p1
gz1
p2
gz2
p2 p1 g z1 z2 p p0 gh
2.使用条件：静止的同一种连续的流体；流体密度恒定。
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流体力学与热力学的应用研究与分析
近年来，随着科技的发展与工业生产的不断推进，流体力学与热力学的应用范围不断扩大，为工程设计和优化提供了重要思路和方法。
本文旨在对流体力学与热力学应用的研究与分析进行综述，以期了解和掌握这一领域的最新进展和未来发展趋势。
一、流体力学的应用研究与分析
流体力学是研究流体运动规律和性质的学科，其应用范围广泛，包括工程领域的风力发电、海洋工程、水力发电等；医学领域的血流模拟、仿生学等；环境科学的大气环流、地下水流等等。
以下将从三个案例分别介绍如何利用流体力学进行研究与分析。
1. 风力发电
风力发电是利用风力驱动涡轮机，将机械能转化为电能的一种可再生能源。
有效的风能捕获和转化是提高风力发电效率的关键。
利用数值模拟的方法，可以对风场进行预测和优化，以提高风能的捕获效率。
同时，利用计算流体力学（CFD）的方法，可以对风机叶片进行优化设计，提高其效率和稳定性。
2. 模拟血流
心血管疾病是造成全球死亡率最高的疾病之一。
因此，研究血流模拟对于了解心血管系统的功能和病理生理机制具有重要意义。
利用计算流体力学模拟血流可以预测血流的速度分布、血栓的形成等，有助于诊断和治疗静脉炎、动脉瘤、冠心病等心血管疾病。
3. 模拟地下水流
地下水是一种重要的水资源，其分布和运动状况对水资源的合理利用和管理具有重要意义。
利用计算流体力学模拟地下水流可以预测地下水的流动和分布，研究地下水的动态特性和污染传输规律，为地下水资源的开发和保护提供有效的方法。
二、热力学的应用研究与分析
热力学是研究物质能量和热过程的学科，其应用范围也非常广泛，包括医学、环保、能源等领域。
以下将从三个案例分别介绍如何利用热力学进行研究与分析。
1. 纳米颗粒学
纳米材料由于具有巨大的比表面积和尺寸效应而具有出色的光学、电学和热学性质。
研究纳米颗粒的热学性能对于开发新型粘合剂、涂料和传感器等具有重要价值。
利用热力学分析方法，可以研究纳米颗粒的热稳定性、热传导性能等，为纳米材料的加工、制备和应用提供理论基础和技术支持。
2. 空气污染控制
空气污染是影响人类生态环境和健康的严重问题之一。
利用热力学分析方法，可以研究空气污染的物理和化学过程，如化学反应、离子反应、热传输等，为污染控制和治理提供理论和实践指导。
3. 新能源应用
新能源技术的发展是解决全球能源和环境问题的重要途径之一。
热力学分析方法可以用于研究新能源技术的热过程和性能，如太阳能和地热能的利用、氢能技术的研发等，为新能源技术的推广和普及提供技术支持。
三、结语
流体力学和热力学作为应用性很强的学科，已经在各个领域得到广泛的应用。
本文简要介绍了流体力学和热力学在风电、医学、环境科学、纳米颗粒学、空气污染控制和新能源应用等领域的应用案例。
热力学和流体力学理论的发展必将在科技
进步与工业生产的发展中发挥着越来越重要的作用，为人们的生产生活带来更多便捷与舒适。