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工程流体力学教学课件

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目录

壹

流体力学基础

陆

流体力学前沿与挑战

贰

流体动力学原理

叁

流体在工程中的应用

肆

流体力学实验与模拟

伍

流体力学课程教学方法

流体力学基础

壹

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，忽略其分子结构，便于应用微积分等数学工具进行分析。

连续介质假设

02

根据流体的应力-应变率关系，流体分为牛顿流体和非牛顿流体，如水是典型的牛顿流体，而番茄酱则不是。

牛顿流体与非牛顿流体

03

流体的分类

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。

按状态分类

牛顿流体遵循牛顿黏性定律，如水和空气，而非牛顿流体如油漆和血液，其黏度随剪切率变化。

按牛顿流体分类

连续介质假设下，流体被视为连续分布的物质，而实际应用中，如喷雾等现象则需考虑离散性。

按连续性分类

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递增。

流体静压力的概念

阿基米德原理说明了物体在流体中所受的浮力等于其排开流体的重量，是船舶设计的基础。

浮力原理

帕斯卡定律指出，在封闭容器中，流体各点的压力是相等的，这一原理在液压系统中得到广泛应用。

帕斯卡定律

01

02

03

流体动力学原理

贰

流体运动方程

表达了在理想流体运动中，流体的总能量沿流线保持不变的原理，广泛应用于工程设计。

伯努利方程

描述了流体运动的粘性效应，是流体力学中描述流体运动的基本方程之一。

纳维-斯托克斯方程

伯努利方程应用

伯努利方程解释了飞机翼型产生升力的原理，通过流体速度差产生压力差，实现飞行。

飞机翼型设计

在水轮机中，伯努利方程用于计算流体通过时的能量转换，是水力发电站设计的关键。

水力发电

利用伯努利原理，风速计可以测量风速，通过测量风压差来确定风速的大小。

风速测量

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，观察流速与压力之间的关系。

伯努利原理实验

通过拖曳力实验，测量不同形状物体在流体中的阻力，理解流体动力学中的阻力概念。

流体阻力测量

利用染色流体演示层流与湍流的转变，研究雷诺数对流态的影响。

雷诺实验

流体在工程中的应用

叁

管道流动分析

管道流动的基本原理

介绍流体在管道中流动时遵循的伯努利方程和连续性方程，以及它们在工程中的应用。

01

02

管道阻力的计算

阐述如何通过达西-韦斯巴赫公式计算管道流动中的摩擦损失，以及在实际工程中的应用案例。

03

管道系统优化设计

讨论如何利用流体力学原理优化管道布局，减少能量损失，提高输送效率，例如油气输送管道的设计。

水力机械原理

水轮机利用水流的动能和势能转换为机械能，广泛应用于水电站发电。

01

水轮机的工作原理

泵通过叶轮旋转产生离心力，将流体从低处输送到高处，用于灌溉、供水系统。

02

泵的流体动力学基础

液压马达通过液体的压力能转换为机械能，驱动各种机械设备，如挖掘机等。

03

液压马达的能效转换

流体控制技术

流体动力系统利用流体的压能和动能进行能量传递和控制，广泛应用于机械工程。

流体动力系统

01

流体测量技术包括流量、压力和温度的测量，对于确保工业过程的精确控制至关重要。

流体测量技术

02

流体密封技术用于防止流体泄漏，保障设备安全运行，常见于化工和石油工业。

流体密封技术

03

流体分离技术通过各种方法如过滤、离心等实现固体与流体的分离，应用于环保和食品工业。

流体分离技术

04

流体力学实验与模拟

肆

实验室设备介绍

水洞实验装置

水洞用于模拟流体运动，通过观察水流在不同物体周围的流动，研究流体动力学特性。

压力传感器和流量计

这些仪器用于测量流体的压力和流量，是实验中获取关键数据的重要设备。

风洞实验设备

粒子图像测速仪（PIV）

风洞是研究空气动力学的重要工具，通过模拟气流对物体的作用，分析飞行器或汽车的空气阻力。

PIV系统通过捕捉流体中粒子的运动图像，测量流速场，为流体动力学研究提供精确数据。

流体模拟软件

CFD软件如ANSYSFluent和OpenFOAM用于模拟流体流动和热传递，广泛应用于工程设计。

计算流体动力学(CFD)软件

01

软件如COMSOLMultiphysics能够模拟多相流体系统，如气液两相流，对化工过程模拟至关重要。

多相流模拟工具

02

PIV软件如DaVis用于分析流体流动的粒子图像，提供速度场和涡流结构的详细信息。

粒子图像测速(PIV)分析软件

03

数据分析与处理

01

在流体力学实验中，使用各种传感器和仪器精确记录数据，如压力、速度和温度。

02

应用MATLAB、Python等软件对实验数据进行处理，包括数据清洗、格式转换