机械中的流体力学教学课件PPT.ppt

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1、2/9/2023,2.4 机械中的流体力学,公元前2280年 中国的大禹治水公元前4世纪 古罗马供水系统公元前3世纪 阿基米德浮力定律公元前3世纪 中国四川都江堰水利工程,2/9/2023,公元前2280年 中国的大禹治水,2.4 机械中的流体力学,2/9/2023,2.4 机械中的流体力学,公元前4世纪 古罗马供水系统,2/9/2023,2.4 机械中的流体力学,公元前3世纪 阿基米德浮力定律,浮力定理：浮力大小等于物体在流体中排开流体的重量。浮力产生的根本原因是浸入流体中的物体受到流体的压力作用，各表面受到的压力不同而形成压力差的表现。,阿基米德（Archimedes,287-212 B.

2、C.希腊）,2/9/2023,公元前3世纪中国四川都江堰水利工程,2.4 机械中的流体力学,2/9/2023,人类的祖先在海洋里生活了40多亿年,2.4 机械中的流体力学,2/9/2023,人类在空气里生活了700万年,2.4 机械中的流体力学,2/9/2023,2.4 机械中的流体力学,我们虽然生活在流体的世界里，对于一些流体运动却缺乏认识。,高尔夫球，表面光滑还是粗糙?汽车阻力，来自前部还是后部？机翼升力，来自上部还是下部?,2/9/2023,高尔夫球起源于15世纪的苏格兰，当时人们认为表面光滑的球飞行阻力小。因此采用皮革制球。,2.4 机械中的流体力学,2/9/2023,后来发现表面有划

3、痕的旧球反而飞的更远，这个谜一直到20世纪建立流体力学边界层理论后才解开。,2.4 机械中的流体力学,现在高尔夫球表面有很多凹坑，同样大小和重量下，飞行距离是光滑球的5倍。,2/9/2023,2.4 机械中的流体力学,汽车发明于19世纪末，当时人们认为汽车的阻力主要来自于前部对空气的撞击，因此早期汽车的后部是陡峭的，称为箱型车。阻力系数=0.8。,2/9/2023,2.4 机械中的流体力学,2/9/2023,2.4 机械中的流体力学,2/9/2023,2.4 机械中的流体力学,2/9/2023,其实汽车的阻力来自于后部形成的尾流，称为形状阻力。,2.4 机械中的流体力学,2/9/2023,20

4、世纪30年代，人们开始使用流体力学改进汽车尾部形状，出现了甲壳虫型，阻力系数降到了0.6。,2.4 机械中的流体力学,2/9/2023,20世纪50年代改为了船型，阻力系数为0.45,2.4 机械中的流体力学,2/9/2023,风洞实验以后改为了鱼形，阻力系数为0.3。,2.4 机械中的流体力学,2/9/2023,进一步改为楔形，阻力系数为0.2。,2.4 机械中的流体力学,2/9/2023,90年代以后，科研人员研发的未来型汽车，阻力系数仅为0.137。汽车外形设计中的流体力学性能研究已占主导地位，合理的外形使得汽车具有更好的动力学性能和更低的耗油率。,2.4 机械中的流体力学,2/9/20

5、23,2.4 机械中的流体力学,最常见的机翼翼剖面就是前端圆钝、后端尖锐，上边较弯、下边较平，上下不对称，很象一条去掉尾巴的鱼的形状。这样飞机向前滑行时，空气绕流过机翼，根据伯努利定理，气流经过上翼面，流线长，气流受挤流速加快，压力减小，而流过下翼面时气流受阻力影响流速缓慢，压力大。于是，这个压力差便形成了一种向上的升力，当这个升力大于飞机的重量时，飞机就飞起来了。,飞机能飞行起来靠的是机翼产生的升力,2/9/2023,伯努利定理,伯努利（D.Bernouli17001782，瑞士）,在静止的流体中，流体给与浸入其中的物体的压力，称为静水压力。当流体处于运动时，浸入流体中的物体表面所受到的压力

6、与流体的运动速度有关，即：,如果流体的运动速度为0，流体压力与流线高度成正比，也就是静水压力；如果高度h不变，则流体的压力随流动速度的增加而减少。伯努利定理在航空航海等领域有重要地位和广泛应用。,2/9/2023,升力的大小与机翼的形状、气流的速度、气流与机翼的夹角（攻角）有关。1.机翼处于水平时，攻角为零，升力较小；2.飞机起飞，抬头后攻角增大，机翼上表面气流速度加快，升力也逐渐变大。3.当飞机在高空平飞时，加大油门，飞机速度增加，绕流的压力差也增加，会导致升力加大而上升，所以此时要下压机头以减小攻角和升力。失速现象。,2/9/2023,随迎角增加，上翼面气流分离现象逐渐发展。,迎角超过临界

7、迎角后，上翼面产生强烈的气流分离。,飞机失速后，会产生气动抖动外，由于升力的大量丧失和阻力的急剧增大，飞行员还会感到飞行速度迅速降低、飞机下降、机头下沉等现象。,2/9/2023,2.4 机械中的流体力学,直升机是靠它头上的桨叶（螺旋桨）旋转产生升力。,一般由25片桨叶组成一副，由12台发动机带动，通过主螺旋桨高速的旋转对大气施加向下的巨大的力，然后利用大气的反作用力（相当与直升飞机受到大气向上的力）使飞机能够平稳的悬在空中。,2/9/2023,2.4 机械中的流体力学,香蕉球,足球右面空气流动的速度较左面大。根据流体力学的伯努利方程(常数)，流体速度较大的地方气压会较低，因此足球右面的气压较

8、左面低，产生了一个向右的力。结果足球一面向前走，一面承受一个把它推向右的力，造成了弯曲球。,2/9/2023,2.4 机械中的流体力学,流体中的运动阻力,发现了两种流动状态层流和湍流,雷诺,Re40000 时，流动一般为湍流；2000Re40000时，过渡状态，可能是层流，也可能是湍流，取决于管子表面粗糙程度、实验条件等因素。,流体的阻力与流动状态有关,2/9/2023,2.4 机械中的流体力学,纳维（L.Navier）（17851836，法国）,斯托克斯（G.Stokes）（18191903，英）,建立了粘性流体运动的动量方程。,2/9/2023,2.4 机械中的流体力学,卡门、泰勒等众多科

9、学家奠定了近代流体力学基础。,卡门（Theodore von Krmn，18811963，美国）,泰勒（G.Taylor，18861975，英国）,2/9/2023,2.4 机械中的流体力学,普朗特（L.Prandtl，18751953，德国）,德国流体力学家普朗特创立的边界层理论：,2/9/2023,2.4 机械中的流体力学,我只是在相信自己对物理本质已经有深入了解以后，才想到数学方程。方程的用处是说出量的大小，这是直观得不到的，同时它也证明结论是否正确。-普朗特,一架正在穿越音障的美国海军F/A-18超级大黄蜂战斗机，机身周围激波面附近由于普朗特-格劳厄脱奇点（Prandtl-Glauer

10、t Singularity）效应产生的圆锥形云雾,2/9/2023,2.4 机械中的流体力学,流体力学孤立波理论成为光通信的基石,孤立波：有限振幅波的一种，只有一个波峰或波谷，而且只出现在浅水水域中。,1844年英国科学家罗素（J.Russell）在狭窄的运河河道中发现由船头推动的一个孤立波，以不变的波形沿河行进了3公里。由于海浪传入底坡平坦的浅水区域之后，其图像与孤立波相似，所以孤立波研究结果常用来分析近岸的海浪。20世纪发现，两个孤立波在相互作用后保持波形不变，由此建立孤立子理论，已广泛应用于光学、水波、声学、超导等领域。,2/9/2023,2.4 机械中的流体力学,流体力学也是众多应用科

11、学和工程技术的基础，由于空气动力学的发展，人类研制出3倍声速的战斗机。,F-15,2/9/2023,2.4 机械中的流体力学,空气绕过物体时会在物体后面产生漩涡:卡曼涡街,2/9/2023,2.4 机械中的流体力学,Tacoma大桥风毁原因-卡曼涡街,2/9/2023,2.4 机械中的流体力学,2008年发生在我国东海上的一次卡曼涡街,2/9/2023,2.4 机械中的流体力学,利用超高速气体动力学，物理化学流体力学和稀薄气体力学的研究成果，人类制造出航天飞机，建立太空站，实现了人类登月的梦想。,2/9/2023,2.4 机械中的流体力学,单价超过10亿美元，能抵御大风浪的海上采油平台,2/9

12、/2023,2.4 机械中的流体力学,航速达30节，深潜达数百米的核动力潜艇,2/9/2023,2.4 机械中的流体力学,时速达200公里的新型地效艇等，它们的设计都建立在水动力学，船舶流体力学的基础之上,2/9/2023,2.4 机械中的流体力学,高温化学、多相流动理论设计制造成功大型气轮机、水轮机、涡喷发动机等动力机械,为人类提供单机达百万千瓦的强大动力。,汽轮机叶片,2/9/2023,2.4 机械中的流体力学,水轮机,2/9/2023,2.4 机械中的流体力学,大型水利枢纽工程，超高层建筑，大跨度桥梁等的设计和建造离不开水力学和风工程。,2/9/2023,2.4 机械中的流体力学,21世纪人类面临许多重大问题的解决，需要流体力学的进一步发展，它们涉及人类的生存和生活质量的提高,全球气象预报；（卫星云图）,2/9/2023,2.4 机械中的流体力学,各种工业流体装置的优化设计，降低能耗，减少污染等等,2/9/2023,2.4 机械中的流体力学,流体力学需要与其他学科交叉，如工程学，地学，天文学，物理学，材料科学，生命科学等，在学科交叉中开拓新领域，建立新理论，创造新方法,星云,毛细血管流动,