流体力学基础(绪论).ppt

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1、流体力学基础流体力学基础2第一章第一章 绪论绪论1.11.1流体的定义、流体力学的任务及其发展简史流体的定义、流体力学的任务及其发展简史1.2 1.2 流体的力学模型流体的力学模型1.3 1.3 流体的主要物理性质流体的主要物理性质1.4 1.4 流体的分类流体的分类1.1.5 5 作用在流体上的力作用在流体上的力3第一章第一章 绪论绪论1.11.1流体的定义、流体力学的任务及其发展简史流体的定义、流体力学的任务及其发展简史v流体定义流体定义流体力学研究的对象是流体，流体是液体和气体的总称。流体力学研究的对象是流体，流体是液体和气体的总称。v流体力学任务流体力学任务流体力学作为力学的一个分支，

2、研究在各种力的作用下，流体处流体力学作为力学的一个分支，研究在各种力的作用下，流体处于静止和宏观运动状态时的规律及流体与固体边界间发生相对运于静止和宏观运动状态时的规律及流体与固体边界间发生相对运动时的相互作用：动时的相互作用：（1 1）管道、明渠中的流体运动）管道、明渠中的流体运动 （2 2）物体在流体中的运动及流体绕过物体的运动）物体在流体中的运动及流体绕过物体的运动 （3 3）水的动力作用）水的动力作用 （4 4）流体机械）流体机械4第一章第一章 绪论绪论1.11.1流体的定义、流体力学的任务及其发展简史流体的定义、流体力学的任务及其发展简史v流体力学发展简史流体力学发展简史（1 1）第

3、一阶段（）第一阶段（1616世纪以前）：流体力学形成的萌芽阶段世纪以前）：流体力学形成的萌芽阶段（2 2）第二阶段（）第二阶段（1616世纪文艺复兴以后世纪文艺复兴以后-18-18世纪中叶）流体力学成为一世纪中叶）流体力学成为一 门独立学科的基础阶段门独立学科的基础阶段（3 3）第三阶段（）第三阶段（1818世纪中叶世纪中叶-19-19世纪末）流体力学沿着两个方向发世纪末）流体力学沿着两个方向发 展展欧拉、伯努利欧拉、伯努利（4 4）第四阶段（）第四阶段（1919世纪末以来）流体力学飞跃发展世纪末以来）流体力学飞跃发展5第一章第一章 绪论绪论1.11.1流体的定义、流体力学的任务及其发展简史流

4、体的定义、流体力学的任务及其发展简史v流体力学发展简史流体力学发展简史第一阶段（第一阶段（1616世纪以前）：流体力学形成的萌芽阶段世纪以前）：流体力学形成的萌芽阶段远古时代，箭弩的发明反映了原始人对箭头的流线型降低摩阻及尾翅远古时代，箭弩的发明反映了原始人对箭头的流线型降低摩阻及尾翅的稳定性问题的探索。在我国，墨家经典的稳定性问题的探索。在我国，墨家经典墨子墨子中就有关于浮力规中就有关于浮力规律的探讨，其他如：北魏贾思勰的律的探讨，其他如：北魏贾思勰的齐名要术齐名要术、淮南子淮南子、以及、以及后来的后来的太平寰宇记太平寰宇记、考工记考工记等都有关于流体力学问题的记载等都有关于流体力学问题的记

5、载。曹冲称象、怀丙捞铁牛等都是利用流体力学知识脍炙人口的故事。曹冲称象、怀丙捞铁牛等都是利用流体力学知识脍炙人口的故事。6第一章第一章 绪论绪论1.11.1流体的定义、流体力学的任务及其发展简史流体的定义、流体力学的任务及其发展简史v流体力学发展简史流体力学发展简史第一阶段（第一阶段（16世纪以前）：流体力学形成的萌芽阶段世纪以前）：流体力学形成的萌芽阶段公元前公元前2286年公元前年公元前2278年年:大禹治水大禹治水疏壅导滞（洪水归于河）疏壅导滞（洪水归于河）公元前公元前300多年多年:李冰都江堰李冰都江堰深淘滩，低作堰深淘滩，低作堰公元公元584年公元年公元610年年:隋朝南北大运河、船

6、闸应用隋朝南北大运河、船闸应用系统研究系统研究古希腊哲学家阿基米德古希腊哲学家阿基米德论浮体论浮体（公元前（公元前250250年）奠定了流体静力学年）奠定了流体静力学的基础。的基础。7第一章第一章 绪论绪论1.11.1流体的定义、流体力学的任务及其发展简史流体的定义、流体力学的任务及其发展简史v流体力学发展简史流体力学发展简史第二阶段（第二阶段（16世纪文艺复兴以后世纪文艺复兴以后-18世纪中叶）：流体力学成为一门独世纪中叶）：流体力学成为一门独立学科的基础阶段立学科的基础阶段1586年斯蒂芬年斯蒂芬水静力学原理水静力学原理1650年帕斯卡年帕斯卡“帕斯卡原理帕斯卡原理”1612年伽利略年伽利

7、略物体沉浮的基本原理物体沉浮的基本原理1686年牛顿年牛顿牛顿内摩擦定律牛顿内摩擦定律1738年伯努利年伯努利理想流体的运动方程即伯努利方程理想流体的运动方程即伯努利方程1775年欧拉年欧拉理想流体的运动方程即欧拉运动微分方程理想流体的运动方程即欧拉运动微分方程8第一章第一章 绪论绪论1.11.1流体的定义、流体力学的任务及其发展简史流体的定义、流体力学的任务及其发展简史v流体力学发展简史流体力学发展简史第三阶段（第三阶段（1818世纪中叶世纪中叶-19-19世纪末）沿着两个方向发展世纪末）沿着两个方向发展理论、实验理论、实验工程技术快速发展，一些土木工程师，根据实际工程的需要，凭借实工程技术

8、快速发展，一些土木工程师，根据实际工程的需要，凭借实地观察和室内试验，建立实用的经验公式，以解决实际工程问题。地观察和室内试验，建立实用的经验公式，以解决实际工程问题。这这些成果被总结成以实际液体为对象的重实用的水力学。些成果被总结成以实际液体为对象的重实用的水力学。代表人物有皮代表人物有皮托（托（H.PitotH.Pitot）、）、谢才（谢才（A.de ChezyA.de Chezy）、）、达西（达西（H.DarcyH.Darcy）等。等。提出很多经验公式：提出很多经验公式：9第一章第一章 绪论绪论1.11.1流体的定义、流体力学的任务及其发展简史流体的定义、流体力学的任务及其发展简史v流体

9、力学发展简史流体力学发展简史第三阶段（第三阶段（18世纪中叶世纪中叶-19世纪末）沿着两个方向发展世纪末）沿着两个方向发展理论、实验理论、实验 经验公式：经验公式：1769年谢才年谢才谢才公式（计算流速、流量）谢才公式（计算流速、流量）1895年曼宁年曼宁曼宁公式（计算谢才系数）曼宁公式（计算谢才系数）1732年比托年比托比托管（测流速）比托管（测流速）1797年文丘里年文丘里文丘里管（测流量）文丘里管（测流量）理论：理论：1823年纳维，年纳维，1845年斯托克斯分别提出粘性流体运动方程组年斯托克斯分别提出粘性流体运动方程组（N-S方程）方程）10第一章第一章 绪论绪论1.11.1流体的定义

10、、流体力学的任务及其发展简史流体的定义、流体力学的任务及其发展简史v流体力学发展简史流体力学发展简史第四阶段（第四阶段（19世纪末以来）流体力学飞跃发展世纪末以来）流体力学飞跃发展理论分析与试验研究相结合理论分析与试验研究相结合量纲分析和相似性原理起重要作用量纲分析和相似性原理起重要作用1883年雷诺年雷诺雷诺实验（判断流态）雷诺实验（判断流态）1903年普朗特年普朗特边界层概念（绕流运动）边界层概念（绕流运动）1933-1934年尼古拉兹年尼古拉兹尼古拉兹实验（确定阻力系数）尼古拉兹实验（确定阻力系数）v侧重于工程应用的流体力学称为工程流体力学侧重于工程应用的流体力学称为工程流体力学v侧重于

11、理论分析的流体力学称为理论流体力学侧重于理论分析的流体力学称为理论流体力学11第一章第一章 绪论绪论1.21.2 流体的力学模型（连续介质模型）流体的力学模型（连续介质模型）v质点的概念质点的概念宏观看充分小，可视为空间的一个点；微观看又充分大，每个质点包宏观看充分小，可视为空间的一个点；微观看又充分大，每个质点包含足够多的分子并保持着宏观运动的的一切特性。含足够多的分子并保持着宏观运动的的一切特性。v连续介质模型连续介质模型将流体看作由无数没有微观运动的质点组成的没有空隙的连续体，表将流体看作由无数没有微观运动的质点组成的没有空隙的连续体，表征流体运动的各物理量在时间和空间上都是连续分布和连

12、续变化的。征流体运动的各物理量在时间和空间上都是连续分布和连续变化的。v建立连续介质模型的意义建立连续介质模型的意义可用连续函数描述流体的运动，用高等数学的方法和原理求解流体力可用连续函数描述流体的运动，用高等数学的方法和原理求解流体力学的问题。学的问题。12第一章第一章 绪论绪论1.21.2 流体的力学模型（连续介质模型）流体的力学模型（连续介质模型）v注意注意稀薄气体动力学问题稀薄气体动力学问题,连续介质模型不再适用连续介质模型不再适用(分子间距大分子间距大)。13第一章第一章 绪论绪论1.1.3 3 流体的主要物理性质流体的主要物理性质v惯性惯性密度密度 流体密度与温度和压力密切相关。流

13、体密度与温度和压力密切相关。常见的密度（在一个标准大气压下）：常见的密度（在一个标准大气压下）：4时的水时的水20时的空气时的空气14第一章第一章 绪论绪论1.1.3 3 流体的主要物理性质流体的主要物理性质v流动性流动性静止流体在切应力作用下，发生连续变形的特性称为流动性。流动性静止流体在切应力作用下，发生连续变形的特性称为流动性。流动性是流体与固体的主要区别标志，也是液体和气体被统称为流体的主要是流体与固体的主要区别标志，也是液体和气体被统称为流体的主要依据。依据。v粘性粘性在外力作用下，流体微元间出现相对运动时，随之产生阻抗相对运动在外力作用下，流体微元间出现相对运动时，随之产生阻抗相对

14、运动的内摩擦力。的内摩擦力。内摩擦力产生的微观机制：分子间吸引力、分子不规则运动的动量交内摩擦力产生的微观机制：分子间吸引力、分子不规则运动的动量交换。换。15第一章第一章 绪论绪论1.1.3 3 流体的主要物理性质流体的主要物理性质v粘性粘性牛顿内摩擦定律牛顿内摩擦定律流体的粘性可通过牛顿内摩擦定律予以定义，表达式为流体的粘性可通过牛顿内摩擦定律予以定义，表达式为：式中，式中，为作用于外法线为为作用于外法线为y y方向的平面上，沿方向的平面上，沿x x方向的切应力；方向的切应力；为速度梯度，也称为角变形率；为速度梯度，也称为角变形率；为动力粘度，为动力粘度，Pas。16第一章第一章 绪论绪论

15、1.1.3 3 流体的主要物理性质流体的主要物理性质v粘性粘性牛顿内摩擦定律牛顿内摩擦定律速度梯度速度梯度 的物理意义：的物理意义：udt(u+du)dtdudtdyd角变形速度（剪切变形速度）角变形速度（剪切变形速度）流体流体与与固体固体在摩擦规律上完全不同在摩擦规律上完全不同正比于du/dy正比于正压力，与速度无关17第一章第一章 绪论绪论1.1.3 3 流体的主要物理性质流体的主要物理性质v粘性粘性粘度粘度动力粘度（系数）动力粘度（系数）：与流体性质有关：与流体性质有关PasPas运动粘度（系数）：运动粘度（系数）：m m/s/s微观机制微观机制液体吸引力液体吸引力TT气体热运动气体热运

16、动TT18第一章第一章 绪论绪论1.1.3 3 流体的主要物理性质流体的主要物理性质v粘性粘性粘度粘度动力粘度（系数）动力粘度（系数）：与流体性质有关与流体性质有关PaS运动粘度（系数）：运动粘度（系数）：m/s微观机制微观机制液体吸引力液体吸引力TT气体热运动气体热运动TT19第一章第一章 绪论绪论1.1.3 3 流体的主要物理性质流体的主要物理性质v压缩（膨胀）性压缩（膨胀）性 体积压缩率体积压缩率(压缩系数压缩系数)流体受到压力后体积或密度发生变化的特性称为压缩性，通常用体积流体受到压力后体积或密度发生变化的特性称为压缩性，通常用体积压缩率压缩率KT表示，单位为表示，单位为m2/N。将倒

17、数定义为流体的体积模量，单位为将倒数定义为流体的体积模量，单位为Pa。a.a.体积体积压缩率压缩率(压缩系数压缩系数)20第一章第一章 绪论绪论1.1.3 3 流体的主要物理性质流体的主要物理性质v压缩（膨胀）性压缩（膨胀）性膨胀系数（膨胀系数（）在一定压强下，体积的变化率与温度的变化成正比，在一定压强下，体积的变化率与温度的变化成正比，解决实际问题时，是否要考虑流体的压缩或膨胀性，要根据具体情况解决实际问题时，是否要考虑流体的压缩或膨胀性，要根据具体情况进行分析论证。进行分析论证。21第一章第一章 绪论绪论1.1.4 4 流体的分类流体的分类v牛顿流体与非牛顿流体牛顿流体与非牛顿流体根据流体

18、是否满足牛顿内摩擦定律将流体分为牛顿流体和非牛顿流体根据流体是否满足牛顿内摩擦定律将流体分为牛顿流体和非牛顿流体。牛顿流体牛顿流体：水、空气、水：水、空气、水 银等；银等；非牛顿流体非牛顿流体：胶体、润滑：胶体、润滑 剂、聚合溶液、泥浆、血剂、聚合溶液、泥浆、血 液、夹沙水流等。液、夹沙水流等。22第一章第一章 绪论绪论1.1.4 4 流体的分类流体的分类v牛顿流体与非牛顿流体牛顿流体与非牛顿流体根据流体组成是否均匀，将流体分为均质流体和非均质流体。根据流体组成是否均匀，将流体分为均质流体和非均质流体。均质流体：单一的水流或气流等；均质流体：单一的水流或气流等；非均质流体：水和气的混合流体、夹

19、沙水流等。非均质流体：水和气的混合流体、夹沙水流等。v可压缩流体与不可顿流体可压缩流体与不可顿流体根据流体的压缩性，将流体分为可压缩流体和不可压缩流体。根据流体的压缩性，将流体分为可压缩流体和不可压缩流体。一般情况下一般情况下，气体多属于可压缩流体，而液体属于不可压缩流体。，气体多属于可压缩流体，而液体属于不可压缩流体。23第一章第一章 绪论绪论1.1.4 4 流体的分类流体的分类v粘性流体与无粘性流体粘性流体与无粘性流体根据是否考虑流体的粘性，可将流体分为粘性流体与无粘性流体。根据是否考虑流体的粘性，可将流体分为粘性流体与无粘性流体。粘性流体即实际流体；粘性流体即实际流体；无粘性流体即理想流

20、体。无粘性流体即理想流体。24第一章第一章 绪论绪论1.1.5 5 作用在流体上的力作用在流体上的力v质量力质量力质量力是作用于流体的每一个质点上且与质量成正比的力。质量力是作用于流体的每一个质点上且与质量成正比的力。质量力包括重力和惯性力、离心力等。质量力包括重力和惯性力、离心力等。对于均质流体对于均质流体，质量力与体积成正比，又称体积力。，质量力与体积成正比，又称体积力。单位质量所受到的质量力称为单位质量所受到的质量力称为单位质量力单位质量力，用用f表示表示。对于均质流体，对于均质流体，f=F/m。25第一章第一章 绪论绪论1.1.5 5 作用在流体上的力作用在流体上的力v表面力表面力表面

21、力外界对所研究流体表面的作用力，与表面积大小成正比。表面力外界对所研究流体表面的作用力，与表面积大小成正比。应力应力:单位表面力单位表面力切线方向：切线方向：切向应力切向应力剪切力剪切力内法线方向：内法线方向：法向应力法向应力压强压强流体相对运动时因粘性流体相对运动时因粘性而产生的内摩擦力而产生的内摩擦力FFnF26第一章第一章 绪论绪论例题例题v例例1-11-1质量力汽缸内壁的直径质量力汽缸内壁的直径D=12cm，活塞的直径，活塞的直径d=11.96cm，活塞长度，活塞长度L=14cm，活塞往复运动的速度为，活塞往复运动的速度为1m/s，润滑油的，润滑油的=0.1Pas。求作用。求作用在活塞

22、上的粘性力。在活塞上的粘性力。dLdDL27第一章第一章 绪论绪论例题例题v例例1-1解：解：dL注意：面积、速度梯度的取法注意：面积、速度梯度的取法28第一章第一章 绪论绪论例题例题v例例1-2旋转圆筒粘度计，外筒固定，内筒转速旋转圆筒粘度计，外筒固定，内筒转速n=10r/min。内外筒间充入实验。内外筒间充入实验液体。内筒液体。内筒r1=1.93cm，外筒，外筒 r2=2cm，内筒高，内筒高h=7cm，转轴上扭距，转轴上扭距M=0.0045Nm。求该实验液体的粘度。求该实验液体的粘度。Lhnr1r229第一章第一章 绪论绪论例题例题v例例1-2解：解：dL注意：面积、速度梯度的取法；单位统一注意：面积、速度梯度的取法；单位统一30第一章第一章 绪论绪论例题例题v例例1-3两平行平板间隙两平行平板间隙=1cm，水温为水温为20，下板固定不动，上板，下板固定不动，上板以以u=2m/s的速度向右运动。设流速沿间隙的速度向右运动。设流速沿间隙按线性分布。试求：按线性分布。试求：（1）切应力）切应力沿间隙的分布沿间隙的分布（2）薄板的面积为）薄板的面积为2m2，薄板的拖曳力。薄板的拖曳力。L31第一章第一章 绪论绪论例题例题v例例1-3解：解：（1）查表得）查表得=1.00510-3Ns/m2，（2）F=T=A=0.2012=0.402NdL