工程流体力学绪论.ppt
工程流体力学,Engineering Fluid Mechanics,绪 论,绪 论,绪 论,一、工程流体力学的研究对象,流体力学与其他力学课程的研究对象、内容、范围比较,绪 论,一、工程流体力学的研究对象,流体力学是研究流体的平衡和运动的规律、流体与固体相互作用的力学规律、以及这些规律在实际工程中的应用的一门科学。,课 程 结 构（石油工程专业为例）,第七章 非牛顿流体的流动,绪 论,流体的基本分类：按流体的压缩性可分为：可压缩流体和不可压缩流体按流体的变形特点可分为：牛顿流体和非牛顿流体从学科上看，属于这一范畴的有理论流体力学、水力学、工程流体力学。,绪 论,二、流体力学的发展简况,第一阶段：经验阶段17世纪前，主要是人们在与大自然斗争中的经验总结。例如，四川都江堰工程，隋代大运河，汉代张衡发明的水力浑天仪，古代铜壶滴漏计时等。,都江堰工程,建于公元前256年，是战国时期秦国蜀郡太守李冰及其子率众修建的一座大型水利工程。都江堰不仅是中国古代水利工程技术的伟大奇迹，也是世界水利工程的璀璨明珠。最伟大之处是建堰2260多年来经久不衰，而且发挥着愈来愈大的效益。工程主要有鱼嘴分水堤、飞沙堰溢洪道、宝瓶口进水口三大部分，科学地解决了江水自动分流、自动排沙、控制进水流量等问题，消除了水患，使川西平原成为“水旱从人”的“天府之国”。,绪 论,第二阶段：理论阶段 17世纪19世纪一些水力原理论著出现，标志着流 体力学的发展进入了理论阶段。1643年：托里拆利提出孔口泄流定理。1650年：巴斯加提出压强传递定律。（2）1686年：牛顿（Newton）提出液流内摩擦定理。（1）1700年1783年：伯努利（Daniel Bernoulli）提出无粘流动流速和压强的关系式，即Bernoulli能量方程。（3）,绪 论,1717年1783年：达朗贝尔（dAlembert）提出流体 连续性方程。在动力学一书中提出了达朗贝尔 原理，把动力学问题转化为静力学问题处理。（2）1707年1783年：欧拉（Euler）建立了理想不可压缩流体运动的微分方程（欧拉方程）。（3）1785年1863年：纳维尔（Navier）将欧拉流体运动 方程加以推广，加入粘性项，导出了粘性流体运动 方程。（4）1819年1903年：斯托克斯（Stokes）从不同的出 发点也导出了粘性流体运动方程。（4）,绪 论,1820年1872年：兰金（Rankine）发展了源汇理论。1821年1894年：亥姆霍兹（Helmholtz）提出速度势，建立了旋涡运动和间断运动理论。1824年1887年：客希霍夫继续研究间断运动及阻力。1842年1912年：雷诺（O.Reynolds）通过小直径圆管中的粘性流体流动试验提出层、紊流流态理论。（4）1847年1921年：茹可夫斯基（Joukowski）是实验和理论空气动力学的创始人，提出了著名的环量升力定理。1868年1945年：兰彻斯特（Lanchester）研究了升力原因的环量概念。,绪 论,1875年1953年：普朗特（Prandtl）在1904年提出边界层理论，从而使粘性流体和无粘性流体的概念协调起来。1881年1963年：冯卡门（Von Karman），超声 速时代之父，师从普朗特教授。提出卡门涡街理 论、边界层控制理论以及超声速相似律等。是我国 著名学者钱学森教授的导师。第三阶段20世纪初至中叶，流体力学理论、实验全面展开，航空航天迅速发展，湍流理论、稳定性理论逐渐完善。,绪 论,周培源（1902 1993)：1902年8月28日出生，江苏宜兴人。理论学家、流体力学家主要从事 物理学的基础理论中难度最大的两个方面即爱因 斯坦广义相对论引力论和流体力学中的湍流理论 的研究与教学并取得出色成果。第四阶段 多学科互相渗透：工业流体力学、实验流体力学、地球流体力学、非牛顿流体力学、生物流体力学、多相流体力学、物理化学流体力学、渗流力学等，都已形成相对独立的学科。,绪 论,三、流体力学在石油工业中的地位和作用,钻井工程：洗井液、钻头水力学、泵、射流及喷射钻井、钻井浮船及平台设计等,绪 论,采油工程：油气渗透、抽油机、注水驱油、振荡解堵、原油集输，油-水-气分离、清洗炮眼等,绪 论,储运工程：管道及泵功率的设计、船舶运输等,绪 论,炼油工程：设备流程设计、设备清洗,绪 论,流体力学在其他领域中的应用,医疗（高压水射流手术刀、人工心脏）、食品加工、飞机制造、跑道清洗、除尘、水利工程等,绪 论,ms思考：高尔夫球表面光滑还是粗糙？,起初，人们认为表面光滑的球飞行阻力小。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。,绪 论,ms思考：高尔夫球表面光滑还是粗糙？,将有气流边界层形成并自分离点发生分离。经分析得出：表面有凹坑的小球的分离点滞后，这在很大程度上减小了小球阻力。现在的高尔夫球表面有许多窝，在同样大小和重量下，飞行距离为光滑球的5倍。,绪 论,铁甲巡洋舰豪克号,“奥林匹克”号,1912年秋,思考：船舶航行中的船吸现象的原理是什么？,绪 论,游泳阻力包括：1.压差阻力人体迎流、背流面的高、低压压差形成2.摩擦阻力水流与人体摩擦形成3.波浪阻力游泳运动中产生的波浪形成,ms思考：游泳阻力的组成？如何提高游泳成绩？,绪 论,压差阻力：是游泳运动中最主要的阻力因素，其值与速度的平方成正比。这也决定了游泳阻力一般与速度平方成正比。负压区的生成，究其根本原因，是由于流体力学边界层分离所致。边界层分离使得负压区形成大量旋涡，而旋涡将消耗大量的能量。克服压差阻力，需要在游泳过程中尽量使身体与水面保持水平。,ms思考：游泳阻力的组成？如何提高游泳成绩？,绪 论,摩擦阻力：泳衣从其设计材料而言，从棉纺织品、丝绸织品、尼龙、聚酯纤维到新一代的鲨鱼皮泳衣；从其设计式样看，从裙形、短裤到长裤、以至于“全包”型，一直在追求达到减小摩擦阻力的目的。实验证明：“全包”型泳衣贴水性更好，可以更多的减小摩擦阻力。新一代的鲨鱼皮泳衣：是仿造鲨鱼皮而制，不仅全身包裹，而且材料考究，在放大镜下，泳衣表面布满“小鳍齿”。其设计不仅可以使低压区边界层的分离滞后，减少压差阻力，而且在最大程度上减少了摩擦阻力。,ms思考：游泳阻力的组成？如何提高游泳成绩？,绪 论,波浪阻力：游泳赛道的赛道线不仅是为了分割赛道，其另一主要功用是减少其他游泳运动员在游泳时形成波浪给自己造成波浪阻力的影响。其结构设计也遵循一定的流体力学原理。,ms思考：游泳阻力的组成？如何提高游泳成绩？,然而，游泳离开水流阻力是根本行不通的。因此，运动员要想在游泳中获得好成绩，在做利于前游的动作时应充分利用阻力，而在做不利于前游的动作时应尽量减少阻力。,绪 论,四、流体力学的研究方法,流体力学不仅有深厚的理论基础，而且实践性很强。研究流体力学的方法主要包括：学习流体力学应注意理论与实践结合、理论分析、实验测量与数值计算并重。,理论分析方法,1,实验分析方法,2,数值分析方法,3,绪 论,理论分析,目前流体力学理论研究主攻方向是：湍流，流动稳定性，涡运动，水动力学，水波动力学，复杂流动，多相流等。,绪 论,实验分析,在相似理论指导下，建立模拟实验装置，用流体测量技术测量流动参数，处理分析数据可获得反映流动规律的特定关系，发现新现象，检验理论结果。,层流流态下的球体绕流实验,绪 论,数值分析,
