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工程流体力学杨建国课件

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目录

第一章

流体力学基础

第二章

流体动力学原理

第四章

计算流体力学

第三章

工程应用实例

第六章

课程学习资源

第五章

流体力学实验技术

流体力学基础

第一章

基本概念与定义

流体分为液体和气体两大类，它们在流动和受力时表现出不同的物理特性。

流体的分类

01

流体力学中，流体被视为连续介质，忽略分子尺度的不连续性，便于数学建模和分析。

连续介质假设

02

根据应力与应变率的关系，流体分为牛顿流体和非牛顿流体，如水是典型的牛顿流体，而番茄酱是非牛顿流体。

牛顿流体与非牛顿流体

03

流体的分类

按状态分类

按温度分类

按粘性分类

按连续性分类

流体分为液体和气体两大类，液体如水，气体如空气，它们在流动特性上有显著差异。

连续介质假设下，流体被视为连续分布的介质，而实际应用中，如喷雾等可视为离散流体。

根据牛顿粘性定律，流体可分为牛顿流体和非牛顿流体，如血液和油漆等。

流体按温度变化可分为理想流体和实际流体，理想流体不考虑粘性和热传导，实际流体则相反。

流体静力学原理

流体静力学研究流体在静止状态下的压力分布，如水压在不同深度的增加。

流体静压力的概念

阿基米德原理描述了浮力的产生，即流体对浸入其中的物体施加的向上力，如船舶在水中的浮力。

阿基米德原理

帕斯卡定律指出，封闭容器中的流体静压力在各个方向上是相同的，如液压千斤顶的工作原理。

帕斯卡定律

01

02

03

流体动力学原理

第二章

流体运动方程

描述了粘性流体运动的基本方程，是工程流体力学中分析流体行为的关键。

纳维-斯托克斯方程

表达流体质量守恒的方程，说明了在封闭系统中流体的流入量等于流出量。

连续性方程

流体力学中描述流体能量守恒的方程，广泛应用于管道流动和飞行器设计中。

伯努利方程

伯努利方程应用

在水轮机中，伯努利方程用于计算流体通过时的能量转换，对水力发电站的设计至关重要。

水力发电

伯努利原理解释了飞机翼型产生升力的原因，是飞机设计中不可或缺的理论基础。

飞机翼型设计

利用伯努利方程，通过测量管道中不同位置的压强差来计算流体的速度，广泛应用于工程测量。

流体速度测量

流体动力学实验

通过风洞实验或水槽实验，验证伯努利方程在流体运动中的应用，观察流速与压力的关系。

伯努利原理实验

通过实验测定不同形状物体在流体中的阻力，研究物体形状对流体动力学特性的影响。

流体阻力测量

利用染色流体和透明管道，观察流体流动状态随雷诺数变化，区分层流和湍流。

雷诺实验

工程应用实例

第三章

管道流动分析

流体动力学在石油输送中的应用

通过管道流动分析，工程师可以优化石油输送管道的设计，减少能耗，提高输送效率。

01

02

城市供水系统的流体分析

分析城市供水系统中的管道流动，确保居民用水的稳定供应，预防管道破裂和水压问题。

03

化工行业中管道设计的优化

利用流体力学原理，化工行业可以设计出更高效的管道系统，减少化学物质输送过程中的能量损失。

水力机械设计

水泵在农业灌溉、城市供水中至关重要，设计时要优化叶轮和泵体结构，减少能耗，提高输送效率。

水泵系统优化

液压传动系统广泛应用于重型机械，设计时要精确计算压力和流量，确保系统的稳定性和响应速度。

液压传动系统设计

水轮机是水力发电站的核心设备，设计时需考虑水头、流量和效率等因素，以确保发电效率。

水轮机设计

01、

02、

03、

流体控制技术

利用泵和阀门控制管道内流体的流量和压力，确保高效稳定的输送过程。

管道流体输送

喷嘴技术在喷雾、冷却和清洁等工业应用中至关重要，通过精确设计实现最佳喷射效果。

喷嘴设计与应用

流体动力系统广泛应用于机械工程，通过液压或气压系统实现精确控制和动力传递。

流体动力系统

计算流体力学

第四章

数值模拟基础

将连续的流体域划分为有限数量的离散单元，以便进行数值计算，如有限差分法、有限体积法。

离散化方法

在数值模拟中准确设定边界条件至关重要，包括速度、压力、温度等边界条件的合理设置。

边界条件的设定

根据问题的复杂度选择合适的湍流模型，如K-ε模型、大涡模拟（LES）或直接数值模拟（DNS）。

湍流模型选择

CFD软件应用

使用CFD软件进行飞机翼型的气动分析，预测升力和阻力，优化设计。

流体动力学模拟

通过CFD软件模拟电子设备散热过程，评估冷却系统效率，指导散热设计。

热传递分析

利用CFD软件模拟城市风环境，评估建筑布局对风速和风向的影响，改善城市微气候。

环境流体工程

案例分析与讨论

通过分析汽车空气动力学设计，展示如何利用计算流体力学优化车辆性能和燃油效率。

流体动力学在汽车设计中的应用

01

探讨计算流体力学在飞机和火箭设计中的作用，如气动布局的优化和飞行器的稳定性分析。

计算流体力学在航空航天领域的应用

02

介绍如何使用计