【正文】 1 流體力學(xué)實(shí)驗(yàn) 學(xué) 分 總 學(xué) 時(shí) 20 課 堂 講 授 8學(xué)時(shí) 實(shí) 驗(yàn) 12學(xué)時(shí) 流體力學(xué)研究室 卞永寧 2 教 材： 《 應(yīng)用流體力學(xué)實(shí)驗(yàn) 》 毛根海 主編 毛根海，章軍軍，陳少慶，胡衛(wèi)紅 編著 高等教育出版社 定 價(jià)： 其它材料： , student 實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求及實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū) 流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)安排 2021年 實(shí)驗(yàn)輪流表（空白） 3 主要內(nèi)容 （一）實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)緒論 （二）基本理論及其方法 1. 相似理論 2. 水電比擬（略） 3. 數(shù)值模擬 4. 誤差分析與數(shù)據(jù)處理 4 （三）流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備簡(jiǎn)介 1. 循環(huán)水槽 2. 風(fēng)洞 3. 小型流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備 4. 流動(dòng)顯示設(shè)備及技術(shù) （四）流體力學(xué)測(cè)試儀器 1. 壓力的測(cè)量 2. 液體式壓力機(jī) 3. 壓力傳感器 4. 速度的測(cè)量 5. 流量的測(cè)量 5 （五）繞流問(wèn)題 1. 勢(shì)流理論中的圓柱繞流 2. 機(jī)翼繞流 （六）邊界層 1. 邊界層基本理論 2. 邊界層的測(cè)量 （七）管道流動(dòng) 1. 管流基本理論 2. 管道流動(dòng)實(shí)驗(yàn) 6 （八）實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié) 演示實(shí)驗(yàn) 開(kāi)啟，觀看 操作實(shí)驗(yàn) 3周 1. 孔口管嘴 2. 動(dòng)量定律 3. 局部阻力 4. 畢托管 5. 文丘里 6. 能量方程 （ 6選 4,指導(dǎo)老師： 3名，未定） 7 實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)及其發(fā)展簡(jiǎn)史 基礎(chǔ)理論 +測(cè)試系統(tǒng)及方法 +數(shù)據(jù)處理和誤差分析 實(shí)驗(yàn)流體力學(xué) 理論流體力學(xué) 計(jì)算流體力學(xué) 流體力學(xué) 實(shí)驗(yàn)流體力學(xué) 第 1章 實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)緒論 8 實(shí)驗(yàn)流體力學(xué) 貫穿于流體力學(xué)研究的各個(gè)領(lǐng)域 !!! 精細(xì)的觀察和測(cè)量 揭示流動(dòng)過(guò)程中流場(chǎng)各處的流動(dòng)狀態(tài)和特征 流動(dòng)參數(shù)的直接測(cè)量 提供了各種特定流動(dòng)的物理模型 關(guān)鍵性作用 9 實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)的發(fā)展歷程 ? 秦朝，李冰父子 都江堰 1,都江堰 2 利用岷江出山口的山麓弧形，運(yùn)用彎道環(huán)流原理，采用疏導(dǎo)型無(wú)壩引水方式，建成由魚(yú)嘴（ 自動(dòng)分水 ）、飛沙堰（ 泄洪、排沙 ）、寶瓶口（ 引水口 ）三大主體相輔相成的系統(tǒng)水利工程，至今仍然發(fā)揮著作用。 自然災(zāi)害，生產(chǎn)實(shí)踐，社會(huì)發(fā)展 實(shí)驗(yàn)流體力學(xué) 10 ? 古羅馬，大規(guī)模供水管道系統(tǒng) 較為完整的給排水體系，大型噴水池。鉛制供水管道，直接通到私人住宅。因“鉛中毒”而衰亡？ （中國(guó)最早“城市供水系統(tǒng)” ： 1879年 ,旅順北郊水師營(yíng)三八里村開(kāi)始修建龍引泉水源 ,當(dāng)時(shí)是為了解決向清朝北洋水師基地旅順港供水問(wèn)題 ,李鴻章上奏‘鑿石引泉’ ,這成就了我國(guó)歷史上第一個(gè)“城市供水系統(tǒng)”。） ? 古希臘，阿基米德 包括 浮力定律和浮體穩(wěn)定性的液體平衡理論 ，奠定了 流體靜力學(xué) 基礎(chǔ) 此后千余年，流體力學(xué)停滯，沒(méi)有重大發(fā)展 ! ? 15世紀(jì)，達(dá) 芬奇 談到水波、管流、水力機(jī)械、鳥(niǎo)的飛翔原理等，正確推導(dǎo)了一維不可壓流動(dòng)的質(zhì)量守恒方程 在達(dá)芬奇和 梵高 的繪畫(huà)作品中，旋渦圖案及光與影的模式與流體力學(xué)理論驚人相符 。 11 梵 高的 《 星夜 》 12 ? 17世紀(jì)，帕斯卡 靜止流體中壓力的概念 最基本的流體力學(xué)理論已經(jīng)建立，但是流體力學(xué)作為一門(mén)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶W(xué)科，是在經(jīng)典力學(xué)建立了速度、加速度、力和流場(chǎng)等概念，以及動(dòng)量、質(zhì)量和能量三個(gè)守恒定律之后才逐步形成。 17世紀(jì)， 牛頓 Fr∝ ， 牛頓粘性定律 皮托 測(cè)量流速的皮托管 達(dá)朗貝爾 船只阻力與船體運(yùn)動(dòng)速度之間的平方關(guān)系 歐拉 —連續(xù)介質(zhì)概念，建立了 歐拉方程 ，用微分方程組描述了無(wú)粘流體的運(yùn)動(dòng) 伯努力 —能量守恒，管道流動(dòng)，得到了流體定常運(yùn)動(dòng)下的流速、壓力與管道揚(yáng)程之間的關(guān)系，即 伯努力方程 歐拉方程和伯努力方程的建立，標(biāo)志著流體力學(xué)學(xué)科的形成 ，從此開(kāi)始了利用數(shù)學(xué)方法和實(shí)驗(yàn)測(cè)量進(jìn)行流體運(yùn)動(dòng) 定量研究 的新階段。 2Au?13 ? 18世紀(jì)，勢(shì)流理論 （理想流體）快速發(fā)展 揭示了水波、潮汐、渦旋運(yùn)動(dòng)、聲學(xué)等方面的許多規(guī)律。 拉格朗日 無(wú)旋運(yùn)動(dòng) 亥姆霍茲 漩渦運(yùn)動(dòng) ? 19世紀(jì)，工程中的粘性流問(wèn)題 納維 總結(jié)出 粘性流體 的基本運(yùn)動(dòng)方程 斯托克斯 基于更合理的理論推導(dǎo)出該方程 流體力學(xué)的理論基礎(chǔ) 普朗特 通過(guò)推理、數(shù)學(xué)論證和實(shí)驗(yàn)測(cè)量，建立 邊界層理論 計(jì)算簡(jiǎn)單情形下邊界層內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài)和流固間的粘性力。 ? 20世紀(jì)初，空氣動(dòng)力學(xué) 飛速發(fā)展 航空事業(yè)的發(fā)展要求揭示飛行器周?chē)膲毫Ψ植?、受力狀況和阻力等問(wèn)題，促進(jìn)了流體力學(xué)在 實(shí)驗(yàn) 和 理論分析 方面的發(fā)展。 NS方程 14 ? 20世紀(jì)初 ，儒科夫斯基、恰普雷金、普朗克 機(jī)翼理論 以無(wú)粘性不可壓縮勢(shì)流理論為基礎(chǔ)，闡明了機(jī)翼升力產(chǎn)生的機(jī)理。機(jī)翼理論的正確性，使人們重新認(rèn)識(shí)到了無(wú)粘流體理論對(duì)指導(dǎo)工程設(shè)計(jì)的重大意義。 20時(shí) 40年代開(kāi)始，航天飛行 氣體動(dòng)力學(xué) 隨著噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)和火箭技術(shù)的應(yīng)用，滿足超音速飛行的需要。 爆炸波理論，爆炸力學(xué) 研究原子彈、炸藥爆炸后激波在空氣或水中的傳播等的需要。 流體力學(xué)的分支 —高超聲速空氣動(dòng)力學(xué)、超聲速空氣動(dòng)力學(xué)、稀薄空氣動(dòng)力學(xué)、電磁流體力學(xué)等 ? 20世紀(jì) 60年代起 ，與其它學(xué)科交叉滲透形成新的學(xué)科或邊緣學(xué)科 物理 —化學(xué)流體動(dòng)力學(xué)、磁流體力學(xué)、生物流變學(xué)等 隨著社會(huì)的發(fā)展和技術(shù)的進(jìn)步，實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)的理論和方法必將得到完善，解決更多的實(shí)際問(wèn)題 !!! 15 實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)的研究?jī)?nèi)容 流體 =氣體 +液體 （顆粒懸濁液， 非牛頓 ） 1. 大氣運(yùn)動(dòng)、海水運(yùn)動(dòng)、巖漿流動(dòng) 最常見(jiàn)的兩種流體 大氣、水。 2. 空氣動(dòng)力學(xué)、氣體動(dòng)力學(xué) （ 最活躍、成果豐富的領(lǐng)域 ） 飛機(jī)及各種新型飛行器、航空航天。 3. 滲流力學(xué) 石油和天然氣的開(kāi)采、地下水的開(kāi)發(fā)利用 多孔介質(zhì)或縫隙介質(zhì)中的流體流動(dòng)。 4. 物理 —化學(xué)流體動(dòng)力學(xué) 具有化學(xué)反應(yīng)和熱能變化的流體力學(xué)問(wèn)題 燃燒過(guò)程。 5. 爆炸力學(xué) 猛烈的瞬間能量變化及傳遞過(guò)程，涉及到氣體動(dòng)力學(xué) 。 16 6. 多相流體力學(xué) 沙漠遷移、河流中的泥沙流動(dòng)、管道中煤粉輸送、化工單元操作中催化劑的運(yùn)動(dòng)等，涉及到流體中攜帶固體顆?；蛘咭后w中帶有氣泡等問(wèn)題。 7. 等離子體動(dòng)力學(xué)和電磁流體力學(xué) 等離子體是自由電子、帶等量正電荷的離子及中性粒子的集合體，常見(jiàn)于受控?zé)岷朔磻?yīng)、磁流體發(fā)電等過(guò)程中。在磁場(chǎng)的作用下等離子體有特殊的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。 8. 環(huán)境流體力學(xué) （ 環(huán)境空氣動(dòng)力學(xué)、建筑空氣動(dòng)力學(xué) ） 風(fēng)對(duì)建筑物、橋梁、電纜等作用使他們承受載荷并激發(fā)振動(dòng)；廢氣、廢水的排放造成環(huán)境污染；河床沖刷遷移 和海岸遭受侵蝕 —研究這些流體本身與人類(lèi)和自然界間的相互作用。 9. 生物流變學(xué) 研究與人體或其它動(dòng)植物有關(guān)的流體力學(xué)問(wèn)題。如血液在血管中的流動(dòng)、心、肺中生理流體的運(yùn)動(dòng)和植物中營(yíng)養(yǎng)液的輸送；鳥(niǎo)類(lèi)在空中的飛翔、動(dòng)物在水中的游動(dòng)等等。 本研究室： 低剪切速率下熱量質(zhì)量傳遞過(guò)程強(qiáng)化技術(shù)、機(jī)理研究 人工肺、換熱器、反應(yīng)器 17 實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)的研究方法 1. 現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè) 對(duì)自然界固有的流動(dòng)現(xiàn)象或工程全尺寸實(shí)物，利用各種儀器進(jìn)行系統(tǒng)觀測(cè)，總結(jié)出流體運(yùn)動(dòng)規(guī)律，預(yù)測(cè)流動(dòng)現(xiàn)象的演變。（ 氣象觀測(cè)、預(yù)報(bào) ） 問(wèn)題 ：對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的流動(dòng)現(xiàn)象不能控制，發(fā)生條件不可能完全重復(fù)出現(xiàn)；花費(fèi)大量的人力、物力、財(cái)力。 2. 實(shí)驗(yàn)室模擬 根據(jù)數(shù)學(xué)、物理和流體力學(xué)基本理論的指導(dǎo)以及實(shí)驗(yàn)室條件，改變研究對(duì)象的尺度建立模型，根據(jù)模型實(shí)驗(yàn)結(jié)果依據(jù)相似理論推算出原型的數(shù)據(jù)。 現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)是對(duì)已有事物已有工程的觀測(cè)，實(shí)驗(yàn)室模擬則可以對(duì)還沒(méi)有出現(xiàn)的事物及現(xiàn)象進(jìn)行觀察、預(yù)測(cè)，是一種研究流體力學(xué)問(wèn)題的重要方法。 3. 理論分析 根據(jù)流體運(yùn)動(dòng)的普遍規(guī)律如質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒及能量守恒等，利用數(shù)學(xué)分析、物理學(xué)和基礎(chǔ)力學(xué)等手段，觀測(cè)和研究流體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，解釋已知現(xiàn)象、預(yù)測(cè)可能發(fā)生的現(xiàn)象。 18 理論分析步驟 1）建立力學(xué)模型 針對(duì)實(shí)際的流體力學(xué)問(wèn)題，分析主要矛盾，對(duì)問(wèn)題進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化，使得建立的力學(xué)模型能夠反映問(wèn)題的本質(zhì)。 2）建立連續(xù)性方程、動(dòng)量方程和能量方程 針對(duì)流體運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，應(yīng)用質(zhì)量、動(dòng)量、能量守恒定律得到方程組，此外還要加上某些聯(lián)系流動(dòng)參量的關(guān)系式或其它方程。 3）求解方程組 結(jié)合具體流動(dòng)，回歸解的物理意義，解釋流動(dòng)機(jī)理。通常還需將求解結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，確定解的準(zhǔn)確程度及所建力學(xué)模型的適用范圍。 從基本概念到基本方程的一系列定量研究均涉及到很深的數(shù)學(xué)問(wèn)題，因此流體力學(xué)的發(fā)展是以數(shù)學(xué)的發(fā)展為前提。對(duì)于進(jìn)行流體力學(xué)研究的人來(lái)說(shuō)，數(shù)學(xué)基礎(chǔ)十分重要 ! 19 4. 數(shù)值計(jì)算 流體力學(xué)基本方程組非常復(fù)雜特別是考慮粘性流動(dòng)時(shí)，幾乎很少能夠得到解析解。 隨著數(shù)學(xué)的發(fā)展和計(jì)算機(jī)的不斷進(jìn)步，各種數(shù)值計(jì)算方法不斷涌現(xiàn)，這使得原來(lái)無(wú)法求解的復(fù)雜流體力學(xué)問(wèn)題有了求得數(shù)值解的可能性。流體流動(dòng)的數(shù)值模擬促進(jìn)了流體力學(xué)研究的深入，并形成了一門(mén)新的學(xué)科分支：“計(jì)算流體力學(xué)”。數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)?zāi)M相互配合，使得 流體相關(guān)的科學(xué)研究和工