工程流体力学教学ppt课件

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1、工程流体力学主讲:冯进长江大学机械工程学院绪论一、流体力学的研究对象流体力学以流体为对象，研究流体静止和运动的基本规律以及流体与固体的相互作用的一门科学，是力学的一个分支。它包括流体静力学和流体动力学，流体静力学研究流体静止时力的平衡规律，流体动力学研究流体的运动特性及运动时的力学规律。二、流体的基本特点自然界的物质存在形式有五种状态，即固体态、液体态、气体态、等离子态和凝聚态，其中固体态、液体态、气体态是自然界和工程技术领域常见的三种物质存在形式。1.固体的特点固体由于其分子间距离很小，内聚力很大，所以它能保持固定的形状和体积，能承受一定数量的拉力、压力和剪

2、切力。2.流体的特点而流体则不同，由于其分子间距离较大，内聚力很小，它几乎不能承受拉力和抵抗拉伸变形；在微小剪切力作用下，流体很容易发生变形或流动，所以流体不能保持固定的形状。3.液体与气体间的差异液体分子内聚力却又比气体大得多，因为液体分子间距离较小，密度较大，所以液体虽然不能保持固定的形状，但能保持比较固定的体积。气体不仅没有固定的形状，也没有固定的体积，极易膨胀和压缩，它可以任意扩散直到充满其所占据的有限空间。液体的压缩性很小，气体和液体的主要区别就是它们的可压缩程度的不同。因此，流体具有如下特点：1).没有固定形状；2).无论有怎样小的切应力，流体将持

3、续发生切应变，即易流动性；3).静止流体内不存在切应力。流体与固体之间有如下区别：1).固体有固定的形状，流体没有；2).固体分子受相互之间的作用力束缚，只能在平衡位置附近振动。流体分子之间作用力比固体小，受切应力作用时能相互移动。3).切应力在静止固体内依然存在。三、连续介质模型流体是由大量分子组成，分子之间有间隙，每个分子都在不断地作不规则的热运动。就微观结构而言，流体内部有空隙，且不连续。但是在一般情况下，即使在很小的流体体积内，仍有大量的分子。例如：在标准状态下，1μm3任何气体含有个分子2.69×107。液体分子间距比气体小，1μm3液体体积中有3.

4、35×1010液体分子个。在大多数工程应用中，人们关心的是大量分子的总体统计效应，而不是单个分子的行为，流体力学的一切宏观参数（密度、温度、压强）都是大量分子行为的统计平均值。当从宏观角度研究流体的机械运动时，就认为流体物质是连续。在流体力学中，把流体质点作为最小的研究对象，每个质点都含有大量的分子，故分子随机出入该微小体积不会影响宏观特性，能保持宏观力学特性。因此，有理由认为流体是连续介质。连续性介质模型特点：1).客观上存在宏观上足够小而微观上足够大的小体积，这个小体积在几何上为一个点，此点称为流体质点；2).流体由连续排列的流体质点组成，质点间无间隙；3

5、).流场中某空间点在某瞬时的流动参数，由该瞬时占据该空间点的流体质点的宏观参数确定。4).流体的一切宏观参数一般是时间的连续函数；5).研究流体的宏观流动可应用数学分析工具。四、流体力学的研究方法及其应用流体力学研究流体这样一个连续介质的宏观运动规律以及它与其它运动形态之间的相互作用，其研究方法有理论研究、数值计算和实验三种，三种方法取长补短，相互促进，彼此影响，从而促使流体力学得到飞速的发展。1.理论研究理论研究一般说来包括下列几个主要步骤：1).通过实验和观察，对流体的物理性质及运动的特性进行分析研究，根据不同问题分析哪些是主要因素，哪些是次要因素，然后抓

6、住主要因素，忽略次要因素，对流体及其运动进行简化和近似，设计出合理的理论模型。2).对上述理论模型，根据物理上已经总结出来的普遍定律（牛顿定律、热力学定律）以及有关的实验公式，建立描述流体流动规律的封闭方程组以及与之相应的初始条件和边界条件。3).利用各种数学工具（在流体力学中主要是偏微分方程，常微分方程，复变函数，近似计算等），准确地或近似地解出方程组。4).对求解结果进行分析，揭示物理量的变化规律，并将它和实验或观察资料进行比较，确定解的准确度及适用范围。理论研究的特点在于科学的抽象，从而能够利用数学方法求出理论结果，清晰地揭示出物质运动的内在规律。2.数

7、值模拟流体流动的数值模拟是近代流体力学，数值数学和计算机科学结合的产物，是一门具有强大生命力的边缘科学。它以电子计算机为工具，应用各种离散化的数学方法，对流体力学的各类问题进行数值实验、计算机模拟和分析研究，以解决各种实际问题。计算流体力学的基本特征是数值模拟和计算机实验，它从基本物理定理出发，在很大程度上替代了耗资巨大的流体动力学实验，在科学研究和工程技术中产生了巨大的影响。流体流动的数值模拟能够解决理论研究中无法解决的复杂流动问题。与实验相比，所需费用和时间都比较少，而且有较高的精度。有些问题在实验室内无法进行实验，但采用数值模拟方法却可以对它进行研究。其

8、有效性依赖于数学方程的准确性。3.实验