《清华大学流体力学》课件

清华大学流体力学流体力学的基本概念流体定义流体力学研究内容流体是指在剪切应力下会发生连续变形的物质，包括液体和气体流体的基本性质密度1单位体积物质的质量粘度2流体抵抗剪切变形的能力表面张力3液体表面抵抗拉伸或破裂的能力压缩性流体静力学静止流体压强研究静止流体中的压力、浮力和静止流体中单位面积上的力平衡浮力流体对浸入其中的物体施加的向上力流体静力学应用水坝设计船舶设计气球浮力计算水坝承受的水压和确定船舶的排水量和稳分析气球的升力浮力定性流体动力学基本定律连续性方程1描述流体质量守恒动量方程2描述流体动量守恒能量方程3描述流体能量守恒连续性方程质量守恒流体进入和离开控制体积的质量相同流量单位时间内流体流过的体积应用计算管道中流体的速度和流量动量方程应用2计算流体对物体的作用力，如水轮机上的推力动量守恒1流体作用在控制体积上的合力等于动量变化率类型3欧拉方程、纳维-斯托克斯方程伯努利方程能量守恒1流体流动中的能量守恒压力能2流体静压能动能3流体运动产生的能量势能4流体高度产生的能量伯努利方程应用文丘里管1测量流体速度和流量飞机机翼2解释飞机升力的产生喷雾器3利用伯努利效应产生喷雾流体流动阻力管道流动阻力摩擦阻力局部阻力流体与管道壁面摩擦产生的阻力管道弯头、阀门等引起的阻力管道系统流动动量和角动量原理1动量定理流体动量变化量等于作用在流体上的合力2角动量定理流体角动量变化量等于作用在流体上的合力矩涡动力学基础涡量涡线涡管流体旋转程度的度量空间中连接所有涡量的线由涡线围成的空间区域湍流理论湍流特征雷诺数随机性、非线性、三维性判断流动是层流还是湍流湍流模型简化湍流方程，便于计算湍流边界层壁面边界层自由来流边界层靠近固体壁面的湍流层靠近自由来流的湍流层紊流边界层数值模拟网格生成后处理将流场划分成网格对模拟结果进行分析和可视化123求解方程使用有限差分法或有限体积法求解湍流方程湍流流动分析方法实验方法使用风洞或水洞进行实验测量数值模拟方法使用CFD软件进行数值模拟理论分析方法使用数学方法分析湍流流动层流边界层理论相似性解2对于特定边界条件的层流边界层解边界层方程1描述层流边界层中的速度分布边界层厚度边界层中速度达到自由来流速度99%时3的距离边界层拟合方法边界层积分方程1简化边界层方程，便于求解数值积分2使用数值方法求解边界层积分方程边界层拟合3使用经验公式拟合边界层厚度和速度分布静止物体周围流场流场特征1流场分为边界层和外流区流场模拟2使用CFD软件模拟流场实验测量3使用风洞或水洞进行实验测量平板的边界层距离速度圆柱体的边界层边界层分离卡门涡街流体在圆柱体后方分离，形成尾流圆柱体尾流中的周期性涡流模式翼型的边界层升力产生阻力产生12翼型上表面边界层速度快，下翼型与空气摩擦产生阻力表面边界层速度慢，形成压差，产生升力边界层控制3使用襟翼和扰流板控制边界层分离，提高升力边界层分离和受迫振荡边界层分离受迫振荡边界层从固体表面分离，形成尾流边界层分离导致的振荡，可能导致结构破坏层流湍流天跃-层流1流体流动平稳、有序湍流2流体流动不稳定、混乱天跃3层流转变为湍流的现象流体流动测量技术速度测量压力测量流量测量使用风速计、热线风速计等测量流体使用压力传感器测量流体压力使用流量计测量流体流量速度流动可视化技术流体力学在工程中的应用12航空航天工程能源工程飞机、火箭、卫星设计风力发电、水力发电、石油天然气开采34生物医学工程环境工程人工心脏、血管支架设计空气污染控制、水资源管理航空航天工程应用升力产生阻力降低机翼设计，利用伯努利效应产生升力机身设计，降低空气阻力，提高飞行效率能源工程应用风力发电水力发电风力机叶片设计，最大化风能利用水坝设计，高效利用水能发电生物医学工程应用人工心脏1模拟心脏工作原理，帮助心脏病患者血管支架2支架设计，防止血管狭窄环境工程应用空气污染控制烟囱设计，减少污染物排放水资源管理河流、湖泊水流模拟，优化水资源利用流体力学数值模拟有限体积法有限差分法将流场划分成有限体积，求解每将流场划分为网格，求解每个网个体积的流体性质格节点的流体性质浴动量法使用虚拟粒子模拟流体流动有限体积法网格生成控制体积求解方程将流场划分成网格在每个网格体积上应用流体力学方程使用数值方法求解方程有限差分法离散化1将流体力学方程离散化为差分方程求解方程2使用数值方法求解差分方程插值3对解进行插值，得到连续流场浴动量法粒子模拟使用虚拟粒子模拟流体流动动量交换粒子之间通过动量交换模拟流体作用优点适用于复杂边界和湍流流动模拟最小二乘法误差最小化2找到最优拟合函数，使误差最小拟合函数1使用最小二乘法拟合流体流动数据应用3用于流体流动数据分析和预测流体力学未来发展趋势小型化和微尺度流体力学1微型器件和纳米流体研究生物流体力学2研究生物体中的流体流动复杂流动的建模与模拟3更准确、更高效地模拟复杂流体流动实验流体力学新技术4开发更先进的实验测量和可视化技术小型化和微尺度流体力学微流控芯片1使用微流控芯片进行生物样品分析纳米流体2研究纳米尺度下流体的性质和流动生物流体力学时间速度复杂流动的建模与模拟多相流燃烧流动模拟气液混合流动模拟燃烧过程中的流体流动实验流体力学新技术粒子图像测速热线风速计12使用激光和高速相机测量流场使用热线传感器测量流场速度速度数字图像相关法3使用图像分析技术测量变形和应力。