大气科学专业流体力学第一章基础概念

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1、流体力学李忠贤lizhongxian@nuist.edu.cn南京信息工程大学大气科学学院2010~2011学年第2学期课程引言一、流体力学的研究对象流体力学是力学的一个分支，是研究水和空气之类的流体宏观运动规律，以及流体与固体之间相互作用规律的一门学科。流体力学的基本内容流体的运动规律如何？流体运动时对处于其中的其他物体产生的影响和作用如何？问题：水－－液体空气－－气体流体地球流体海洋大气2①理论方法二、研究方法流体性质和流动特性的主要因素理论流体力学宏观物理模型或理论模型控制流体运动的闭合方程组问题的求解物理规律数学3存在问

2、题：流体运动方程组通常为包含非线性项的微分方程所构成。由于数学上求解的困难，许多实际流动问题难以精确求解。4②计算方法（数值方法）通过把流场划分为许多微小的网格或区域，在各个网格点或各小区域中求支配流动方程的近似解，通过数值计算的方法，近似求解运动方程组，最终得到方程数值解。5例如，考虑一维的线性发展方程，求出下一时刻的F值存在问题：数值方法求解其适用范围受数学模型的正确性、计算精度和计算机性能所限制。②计算方法（数值方法）6③实验方法：主要通过设计实验，对实际流动问题进行模拟，并通过对具体流体运动的观察和测量来归纳流体运动规律

3、。实验流体力学存在问题：从实验中得到的经验公式的普适性较差。7三、应用地球上的大气和海洋是最常见的自然流体，因而相应地形成了地球物理流体力学。研究大气和海洋运动规律的动力气象学、动力气候学和动力海洋学，都是流体力学领域中的不同分支，而流体力学是大气科学、海洋科学的重要的基础理论之一。后续相关专业课程：动力气象学、数值天气预报等。8四、课程性质和学习目标课程性质：专业基础课，是学习气象、环境等地球物理学科的基础。学习目标：理解和掌握流体力学的基本概念、方法。9五、教学内容第一章基础概念第二章基本方程第三章相似原理与量纲分析第四章涡

4、旋动力学基础第五章流体波动第六章旋转流体力学第七章湍流10参考书目：1.王宝瑞编著，1988年，气象出版社，《流体力学》2.吴望一编著，1983年，北京大学出版社，《流体力学》11第一章基础概念第一节流体的物理性质和宏观模型第二节流体的速度和加速度第三节迹线和流线第四节速度分解第五节涡度、散度和形变率第六节速度势函数和流函数主要内容主要介绍流体力学的基本概念(课程基础和核心内容）12一、物理性质第一节流体的物理性质和宏观模型自然界的物质凝聚态（分子间的平均间距不同）固体液体气体流体与固体不同：流动性粘性压缩性等131、流动性（形

5、变性）流体流动性的特征①流体的形状极易发生变化；②流体的抗拉强度极小；③只有在适当的约束条件下，才能承受压力；④处于静止状态的流体不能承受任何剪切力的作用。流体容易发生形变的特性，称为流动性或者形变性。142、粘性当流体层之间存在①相对运动或②切形变时，流体就会反抗这种相对运动或切形变，使流体渐渐失去相对运动或切形变；流体这种抗切变性或阻碍流体相对运动的特性，称之为粘性。15温度与粘性粘性是分子之间的吸引力与分子不规则热运动引起的动量交换的结果。温度升高，分子之间的吸引力降低，动量增大；反之，温度降低，分子之间的吸引力增大，动量

6、减小。对液体，分子之间的吸引力是决定性因素，所以液体的粘性随温度升高而减小；对于气体，分子之间的热运动产生动量交换是决定性因素，所以，气体的粘性随温度升高而增大。16牛顿粘性定律（牛顿粘性假设）假设：“流体两部分间的阻力，同这两部分彼此分开的速度成正比”。即在图中，粘性切应力为上式称为牛顿粘性定律，它表明：⑴粘性切应力与速度梯度成正比；(2)比例系数称动力学粘性系数。牛顿在《自然哲学的数学原理》(1687)中指出：相邻两层流体作相对运动时存在内摩擦作用,称为粘性力。17当流体粘性很小，且相对速度不大时，流体的粘性力对流动的作用就

7、不重要甚至可以略去，这种不考虑粘性的流体称为理想流体。理想流体的概念183、压缩性流体的体积元在运动的过程中可以因温度、压力等因素的改变而有所变化的特性，称为流体的压缩性。按压缩性，通常可把流体分为①不可压缩流体②可压缩流体19①在常温常压的条件下液体压缩性很小，大多数情况下可以看作不可压缩流体来处理；②气体的压缩性明显比液体大，通常需要看作可压缩性流体来处理;不同流体的压缩性：20流体模型分类流体模型按粘性分类无粘性流体粘性流体牛顿流体非牛顿流体按可压缩性分类可压缩流体不可压缩流体其他分类正压流体斜压流体21实际流体是由大量的

8、流体分子组成的，而流体分子之间存在空间间隙。对于这种由离散分子构成的真实流体，如何研究它的运动？二、流体的连续介质假设——宏观理论模型22若以单个分子为研究对象，由于其运动的随机性，相应的物理量（如分子速度）随时间作随机变化，由于分子间存在间距，则物理量在空间上