工程流体力学基础课件
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目录
壹
流体力学概述
贰
流体静力学
叁
流体动力学基础
肆
流动阻力与压力损失
伍
流体动力学方程应用
陆
流体机械与设备
流体力学概述
第一章
定义与基本概念
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
研究流体在静止状态下的力学行为，如压力分布、浮力原理等，是流体力学的基础部分。
流体静力学基础
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
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流体力学的分类
可压缩流体与不可压缩流体
理想流体与实际流体
理想流体不考虑粘性，而实际流体考虑粘性，如空气和水。
气体通常被视为可压缩流体，而液体如水在许多情况下可视为不可压缩流体。
层流与湍流
层流是有序的流动状态，而湍流则是无序且复杂的流动状态，常见于高雷诺数流动中。
应用领域
流体力学在航空航天领域中至关重要，用于设计飞机和火箭的气动布局，确保飞行安全。
航空航天工程
01
在环境工程中，流体力学用于模拟污染物在空气和水中的传播，对环境保护和污染控制至关重要。
环境工程
02
流体力学在海洋工程中应用广泛，涉及船舶设计、海洋结构物的稳定性分析以及波浪动力学研究。
海洋工程
03
流体静力学
第二章
静止流体的特性
静止流体对容器壁的压力总是垂直于壁面，这一原理在设计压力容器时被广泛应用。
流体压力垂直作用
在静止状态下，流体的密度保持不变，即流体是不可压缩的，这是流体静力学分析的基础假设之一。
流体不可压缩性
在静止流体中，压力随着深度的增加而线性增加，这一特性在水下建筑的设计中至关重要。
压力随深度增加
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03、
压力分布规律
流体静力学中，压力在流体中各方向均匀传递，不受流体流动状态的影响。
压力在不同介质中的传递
流体静压力随深度增加而增大，与容器形状和大小无关，仅与流体密度和重力加速度有关。
流体静压力特性
帕斯卡定律指出，在封闭容器中，流体各点的压力相等，且与容器形状无关。
帕斯卡定律
浮力原理
阿基米德原理指出，任何浸入流体中的物体都会受到一个向上的浮力，大小等于物体排开流体的重量。
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阿基米德原理
浮力的大小可以通过计算物体排开流体的体积乘以流体的密度和重力加速度来确定。
02
浮力的计算
物体的浮沉取决于其密度与流体密度的比较，密度小于流体时物体上浮，大于流体时物体下沉。
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物体的浮沉条件
流体动力学基础
第三章
流体运动的描述
流体运动的分类
流体运动分为层流和湍流，层流有序而湍流无序，工程中需根据具体情况选择合适的模型。
01
02
连续性方程
连续性方程是描述流体质量守恒的方程，表明在封闭系统中，流入和流出的质量相等。
03
伯努利方程
伯努利方程描述了流体在运动中能量守恒的原理，是流体力学中分析流速、压力和高度关系的重要工具。
04
纳维-斯托克斯方程
纳维-斯托克斯方程是流体动力学中描述流体运动的基本方程，适用于粘性流体的复杂流动问题。
连续性方程
定义与原理
连续性方程是流体力学中描述流体质量守恒的方程，表明在封闭系统中流体的流入量等于流出量。
数学表达式
连续性方程通常表示为ρ1A1v1=ρ2A2v2，其中ρ是密度，A是横截面积，v是流速。
应用实例
在管道流动中，连续性方程用于计算不同截面处的流速和流量，如水力发电站的水轮机设计。
能量方程
伯努利方程
01
伯努利方程描述了在理想流体中，流速增加时压力降低的关系，是流体力学中的核心方程之一。
能量守恒定律
02
能量守恒定律指出，在一个封闭系统中，能量既不会被创造也不会被消灭，只会从一种形式转换为另一种形式。
流体的总能量
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流体的总能量包括压力能、动能和位能，能量方程将这些能量形式联系起来，用于分析流体运动。
流动阻力与压力损失
第四章
沿程损失与局部损失
沿程损失指的是流体在管道中流动时，由于摩擦力导致的能量损失，通常用达西-韦斯巴赫公式计算。
沿程损失的定义与计算
局部损失发生在管道系统中的弯头、阀门等局部区域，由于流体方向或速度的突变造成额外的能量损失。
局部损失的产生原因
沿程损失与局部损失
通过增加管道直径、使用更光滑的内壁材料或降低流体粘度，可以有效减少沿程损失。
减少沿程损失的措施
优化管道设计，如使用渐缩管或渐扩管，以及合理布置弯头和阀门，可以减少局部损失，提高系统效率。
局部损失的优化设计
流动阻力的计算
用于计算管道流动中因摩擦产生的压力损失，是工程流体力学中的基础公式。
达西-韦斯巴赫公式
流速增加会导致流体的动能增加，从而增加流动阻力，这一点在设计管道系统时至关重要。
流速对阻力的影响
考虑管道内壁粗糙度对流动阻力的影响，粗糙度越大，流动阻力也越大。
流体动力学粗糙度
管道流动实例分析