绪论流体力学-PPT.pptx

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1、绪论流体力学课时安排授课学时 36周二上午3,4节(第1周-第9周)周四上午3,4节(第1周-第9周)实验学时 2周二上午3,4节(第9周)注意:1-4周 教室:14-511 5-8周 教室:1-424纪律要求这门课程得学习和其她各个学科一样,都需要大家认真上课、听讲。严禁上课聊天、听歌、打闹等与课程内容无关得活动。上课关闭手机或改为静音成绩考核 该门课程属于专业基础课,必修课。考试内容:(1)基础知识(填空、简答、判断)(2)知识运用(计算题)最终成绩=平时(20%)+卷面(80%)第1章 绪 论 第2章 流体静力学 第3章 流体运动学 第4章 流体动力学基础 第5章 层流、紊流及其能量损失

2、 第6章 孔口、管嘴出流与有压管流总目录EXITEXIT课程得主要内容和基本要求课程得主要内容和基本要求v 理理解解流流体体得得主主要要物物理理性性质质,特特别别就就是是粘粘滞滞性性和和牛牛顿顿内内摩摩擦擦定定律律;v 理解连续介质假设和流体质点得概念理解连续介质假设和流体质点得概念;v 理理解解理理想想流流体体和和实实际际流流体体、可可压压缩缩流流体体和和不不可可压压缩缩流流体体得得概念概念;v 掌握作用在流体上得质量力、表面力得概念和表示方法。掌握作用在流体上得质量力、表面力得概念和表示方法。1绪 论流体静力学EXITv 掌掌握握流流体体静静压压强强得得概概念念及及其其特特性性,掌掌握握流

3、流体体静静压压强强得得计计测测和和表示方法表示方法;v 掌握流体平衡微分方程掌握流体平衡微分方程,了解流体得绝对和相对平衡了解流体得绝对和相对平衡;v 熟熟练练进进行行重重力力场场中中静静止止流流体体压压强强分分布布和和平平面面与与曲曲面面上上静静水水总压力计算。总压力计算。2流体运动学EXITv 了了解解描描述述流流体体运运动动得得两两种种方方法法,建建立立以以流流场场得得观观点点描描述述流流体体运动得概念运动得概念;v 掌握在欧拉法中质点导数和加速度得表示方法掌握在欧拉法中质点导数和加速度得表示方法;v 理解流线和迹线得概念理解流线和迹线得概念,掌握她们得微分方程及求解方法掌握她们得微分方

4、程及求解方法;v 了解流体微团速度分解定理了解流体微团速度分解定理,会判断流动就是否有旋会判断流动就是否有旋;v 掌掌握握微微元元分分析析法法,建建立立微微分分形形式式得得连连续续方方程程,理理解解方方程程得得物物理意义。理意义。3流体动力学基础EXITv 了了解解理理想想流流体体运运动动方方程程(欧欧拉拉方方程程)得得推推导导过过程程,知知道道不不可可压压缩缩粘粘性性流流体体运运动动方方程程(纳纳维维斯斯托托克克斯斯方方程程),),理理解解方方程程得得物物理理意义意义;v 掌掌握握理理想想流流体体运运动动方方程程 欧欧拉拉方方程程得得伯伯努努利利积积分分及及其其成成立得条件立得条件,并会应用

5、伯努利积分。并会应用伯努利积分。v 掌掌握握流流体体运运动动得得总总流流分分析析法法,熟熟悉悉恒恒定定总总流流条条件件下下得得连连续续方方程、能量方程和动量方程程、能量方程和动量方程,并能综合运用计算总流问题。并能综合运用计算总流问题。v 知道基本平面势流得解及叠加原理。知道基本平面势流得解及叠加原理。4层流、紊流及其能量损失EXITv 了了解解流流动动得得两两种种流流态态(层层流流与与紊紊流流)及及其其判判别别,知知道道紊紊流流得得脉脉动特性与时间平均得概念动特性与时间平均得概念;v 知道圆管层流和紊流得断面流速分布知道圆管层流和紊流得断面流速分布;v 牢牢固固掌掌握握确确定定圆圆管管流流动

6、动沿沿程程水水头头损损失失系系数数和和水水头头损损失失得得途途径和方法径和方法;v 理解边界层概念理解边界层概念,了解边界层分离现象和物体得绕流阻力。了解边界层分离现象和物体得绕流阻力。5孔口、管嘴出流与有压管流EXITv 掌握短管、简单长管水力计算及绘制水头线得方法掌握短管、简单长管水力计算及绘制水头线得方法;v 了解串、并联管道及管网水力计算方法了解串、并联管道及管网水力计算方法;v 掌握孔口、管嘴出流水力计算方法掌握孔口、管嘴出流水力计算方法;v 会对水击得基本现象进行分析。会对水击得基本现象进行分析。6EXIT第一章第一章 绪绪 论论EXIT11 课程概述 12 流体得物理性质13 作

7、用在流体上得力附:水力学课程中使用得单位制 一些重要物理量得数值14 流体得力学模型大家有疑问的，可以询问和交流大家有疑问的，可以询问和交流可以互相讨论下，但要小声点可以互相讨论下，但要小声点可以互相讨论下，但要小声点可以互相讨论下，但要小声点EXIT11 课程概述 流体力学得学科性质流体力学得学科性质流体力学得主要研究内容流体力学得主要研究内容与流体力学相关得工程领域和学科与流体力学相关得工程领域和学科流体力学得研究方法流体力学得研究方法流体力学发展简史流体力学发展简史EXIT 一、流体力学得学科性质一、流体力学得学科性质研究对象研究对象力学问题载体力学问题载体 宏观力学分支宏观力学分支遵循

8、三大守恒原遵循三大守恒原理理 强调水就是主要研究对强调水就是主要研究对象象比较偏重于工程应用比较偏重于工程应用土建类专业常用土建类专业常用 EXIT 1 1、流体在外力作用下流体在外力作用下,静止与运动得规律静止与运动得规律;2 2、流体与边界得相互作用。流体与边界得相互作用。二、流体力学二、流体力学(水力学水力学)得主要研究内容得主要研究内容 固定边界固定边界:水工建筑物、河床、海洋平台等水工建筑物、河床、海洋平台等 运动边界运动边界:飞机、船只等飞机、船只等EXIT三、与流体力学相关得工程领域和学科三、与流体力学相关得工程领域和学科EXIT排球排球足球足球网球网球游泳游泳赛艇赛艇铁饼铁饼高

9、尔夫球高尔夫球赛跑赛跑赛车赛车标枪标枪乒乓球乒乓球羽毛球羽毛球大部分竞技体育项目与流体力学有关 EXIT 供水系统供水系统:开拓水渠开拓水渠;取水口布置取水口布置;水得净化与水得净化与消毒消毒;水泵选择水泵选择;水塔修建水塔修建;管道设计。管道设计。公路桥梁公路桥梁:路基沉陷、崩塌、滑坡、排水路基沉陷、崩塌、滑坡、排水;桥梁、桥梁、涵洞修建。涵洞修建。土建施工土建施工:修建围堰、基坑排水、污水排放。修建围堰、基坑排水、污水排放。水力学问题举例水力学问题举例EXIT四、流体力学四、流体力学(水力学水力学)得研究方法得研究方法 理论分析、实验研究和数值计算相结合。三个方面就是理论分析、实验研究和数

10、值计算相结合。三个方面就是互相补充和验证互相补充和验证,但又不能互相取代得关系。但又不能互相取代得关系。基本假设基本假设数学模型数学模型解析表达解析表达理论分理论分析析数值计算数值计算 实验研究实验研究 数学模型数学模型数值模型数值模型数值解数值解模型试验模型试验量测数据量测数据换算到原型换算到原型 EXIT优优 势势局局 限限理论分析理论分析对对流流动动机机理理解解析析表表达达,因果关系清晰。因果关系清晰。受受基基本本假假设设局局限限,少少数数情情况下才有解析结果。况下才有解析结果。实验研究实验研究(模型试验模型试验)直直接接测测量量流流动动参参数数,找到经验性规律。找到经验性规律。成成本本

11、高高,对对量量测测技技术术要要求求高高,不不易易改改变变工工况况,存存在在比尺效应。比尺效应。数值计算数值计算扩扩大大理理论论求求解解范范围围,成成本本低低,易易于于改改变变工工况况,不受比尺限制。不受比尺限制。受受理理论论模模型型和和数数值值模模型型局限局限,存在计算误差。存在计算误差。第一阶段(16世纪以前):流体力学形成得萌芽阶段第二阶段(16世纪文艺复兴以后18世纪中叶)流体力学成为一门独立学科得基础阶段第三阶段(18世纪中叶19世纪末)流体力学沿着两个方向发展欧拉、伯努利第四阶段(19世纪末以来)流体力学飞跃发展五、流体力学发展简史五、流体力学发展简史第一阶段(16世纪以前):萌芽阶

12、段公元前2286年公元前2278年 大禹治水疏壅导滞(洪水归于河)公元前300多年 李冰:都江堰深淘滩,低作堰公元584年公元610年 隋朝 南北大运河、船闸应用;埃及、巴比伦、罗马、希腊、印度等地水利、造船、航海产业发展。系统研究 古希腊哲学家阿基米德论浮体(公元前250年)奠定了流体静力学得基础。第二阶段(16世纪文艺复兴后-18世纪中叶)-基础阶段1586年斯蒂芬水静力学原理1650年帕斯卡“帕斯卡原理”1612年伽利略物体沉浮得基本原理1686年牛顿牛顿内摩擦定律1738年伯努利理想流体得运动方程得积分伯努利方程1775年欧拉理想流体得运动微分方程欧拉运动方程第三阶段(18世纪中叶-1

13、9世纪末工程技术快速发展,提出很多经验公式1769年谢才谢才公式(计算流速、流量)1895年曼宁曼宁公式(计算谢才系数)1732年毕托毕托管(测流速)1797年文丘里文丘里管(测流量)理论1823年纳维,1845年斯托克斯分别提出粘性流体运动方程组(N-S方程)第四阶段(19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量纲分析和相似性原理起重要作用 1883年 雷诺雷诺实验(判断流态)1903年 普朗特边界层概念(绕流运动)1933-1934年 尼古拉兹尼古拉兹实验(确定阻力系数)流流体体力力学学与与相相关关得得邻邻近近学学科科相相互互渗渗透透,形形成成了了很很多多新新得分支和交叉学科

14、、得分支和交叉学科、EXIT12 流体得主要物理性质流体得基本特性流体得基本特性 流动性流动性 流体得密度流体得密度 流体得粘滞性流体得粘滞性流体得压缩性和膨胀性流体得压缩性和膨胀性 液体得表面张力特性液体得表面张力特性基本概念基本概念自然界物质存在得主要形态自然界物质存在得主要形态:固态、液态和气态、等离固态、液态和气态、等离子态、玻色子态、玻色-爱因斯坦凝聚态、费米子凝聚态。爱因斯坦凝聚态、费米子凝聚态。一、一、一、一、流体得定义流体得定义流体得定义流体得定义流体与固体得区别流体与固体得区别具有具有流动性流动性得物体得物体(即能够流动得物体即能够流动得物体)。流体包括气体和液体。流体包括气

15、体和液体。固体得变形与受力得大小成正比固体得变形与受力得大小成正比固体得变形与受力得大小成正比固体得变形与受力得大小成正比;任何微小得剪切力都会使流体发生连续不断得变形任何微小得剪切力都会使流体发生连续不断得变形任何微小得剪切力都会使流体发生连续不断得变形任何微小得剪切力都会使流体发生连续不断得变形 流动。流动。流动。流动。液体与气体得区别液体与气体得区别二、二、二、二、流体得特征流体得特征流体得特征流体得特征 液体得流动性小于气体液体得流动性小于气体液体得流动性小于气体液体得流动性小于气体;液体具有固定得体积液体具有固定得体积液体具有固定得体积液体具有固定得体积,并取决于容器得形状并取决于容

16、器得形状并取决于容器得形状并取决于容器得形状;而而而而 气体充满任何容器气体充满任何容器气体充满任何容器气体充满任何容器,无固定体积。无固定体积。无固定体积。无固定体积。流动性流动性-在任意微小剪切力作用下都会发生连续变形得特在任意微小剪切力作用下都会发生连续变形得特 性。性。EXIT流流体体几几乎乎不不能能承承受受拉拉力力,没没有有抵抵抗拉伸变形得能力。抗拉伸变形得能力。什什么么就就是是剪剪切切力力、剪剪切切变变形形和和抵抵抗抗剪剪切切变变形形得得能能力力？流流体体能能承承受受压压力力,具具有有抵抵抗抗压压缩缩变变形形得能力。得能力。关关于于流流体体承承受受剪剪切切力力,抵抵抗抗剪剪切切变变

17、形形能能力力得叙述得叙述:只只要要有有剪剪切切力力得得作作用用,流流体体就就不不会会静静止止下下来来,发发生生连连续续变变形形而而流动。流动。流流体体只只有有在在运运动动状状态态下下,当当流流体体质质点点之之间间有有相相对对运运动动时时,才能抵抗剪切变形。才能抵抗剪切变形。EXIT流体在静止时不能承受剪流体在静止时不能承受剪切力切力,抵抗剪切变形。抵抗剪切变形。作作用用在在流流体体上上得得剪剪切切力力不不论论多多么么微微小小,只只要要有有足足够够得得时时间间,便便能能产产生生任意大得变形。任意大得变形。运运动动流流体体抵抵抗抗剪剪切切变变形形得得能能力力(产产生生剪剪切切应应力力得得大大小小)

18、体体现现在在变变形得速率上形得速率上,而不就是变形得大小而不就是变形得大小(与弹性体得不同之处与弹性体得不同之处)。流体得主要物理特性流体得主要物理特性1 1 1 1、流体得密度和重度、流体得密度和重度、流体得密度和重度、流体得密度和重度密度得定义密度得定义密度得定义密度得定义:单位体积流体所具有得质量。单位体积流体所具有得质量。密度得单位密度得单位密度得单位密度得单位:kg/m3。几种常见流体得密度几种常见流体得密度几种常见流体得密度几种常见流体得密度:水水1000kg/m3 空气空气1、23kg/m3水银水银136000kg/m3均匀流体得密度均匀流体得密度均匀流体得密度均匀流体得密度:重

19、度重度得定义得定义得定义得定义:重度得单位重度得单位重度得单位重度得单位:N/m3 2 2 2 2、流体得相对密度、流体得相对密度、流体得相对密度、流体得相对密度流体得密度与流体得密度与4oC时水得密度得比值。时水得密度得比值。式中式中,f流体得密度流体得密度,kg/m3;w4oC时水得密度时水得密度kg/m3。3 3 3 3、流体得比容、流体得比容、流体得比容、流体得比容单位质量流体所占有得体积单位质量流体所占有得体积,即流体密度得倒数。即流体密度得倒数。单位单位:m3/kg2 2 2 2、流体得粘性、流体得粘性、流体得粘性、流体得粘性(viscosity)粘性得定义粘性得定义流体内部各流体

20、微团之间发生相对运动时流体内部各流体微团之间发生相对运动时,流体内部会产生摩流体内部会产生摩擦力擦力(即粘性力即粘性力)得性质。得性质。流体层间发生相对滑移运动时产生切向力得性质。流体层间发生相对滑移运动时产生切向力得性质。理想流体分子间无引力理想流体分子间无引力,故没有黏性。故没有黏性。静止得流体因为没有相对运动而不表现出黏性。静止得流体因为没有相对运动而不表现出黏性。流体粘性实验流体粘性实验流体粘性实验流体粘性实验牛顿内摩擦定律牛顿内摩擦定律牛顿平板剪切流动实验牛顿平板剪切流动实验牛顿平板剪切流动实验牛顿平板剪切流动实验当当h和和u不就是很大时不就是很大时,两平板间沿两平板间沿y方向得流速

21、呈线性分布方向得流速呈线性分布牛顿内摩擦定律牛顿内摩擦定律牛顿内摩擦定律牛顿内摩擦定律实验表明实验表明,对于大多数对于大多数流体流体(一维、层流、牛顿流体一维、层流、牛顿流体),),存在存在引入比例系数引入比例系数,得两层流体间内摩擦应力得两层流体间内摩擦应力(剪应力剪应力):):速度梯度速度梯度,1/s;,1/s;剪切变形率剪切变形率,rad/s;,rad/s;单位面积上得内摩擦力单位面积上得内摩擦力,动力粘度动力粘度,Pa s。由牛顿内摩擦定律可得到如下结论由牛顿内摩擦定律可得到如下结论由牛顿内摩擦定律可得到如下结论由牛顿内摩擦定律可得到如下结论:粘性切应力与速度梯度成正比粘性切应力与速度

22、梯度成正比;粘性切应力与角变形速率成正比粘性切应力与角变形速率成正比;比例系数比例系数表征了流体粘性得动力学特性表征了流体粘性得动力学特性,称为动力粘度。称为动力粘度。动动动动力力力力粘粘粘粘度度度度(dynamicviscosity):):):):表表示示单单位位速速度度梯梯度度下下流流体体内内摩擦应力得大小摩擦应力得大小,她直接反映了流体粘性得大小。她直接反映了流体粘性得大小。运动粘度运动粘度运动粘度运动粘度(kinematicviscosity)粘性得表示方法及其单位粘性得表示方法及其单位 单位单位:(N s/m2或或Pa s)注注:油油液液得得牌牌号号就就是是以以40时时运运动动黏黏度

23、度得得数数学学期期望望值值命命名名得得。如如20号号油液油液,在在40时运动黏度得期望值为时运动黏度得期望值为20mm2/s。粘度得影响因素粘度得影响因素粘度得影响因素粘度得影响因素 温度对流体粘度得影响很大温度对流体粘度得影响很大 压力对流体粘度得影响不大压力对流体粘度得影响不大,一般忽略不计一般忽略不计液体液体:分子分子分子分子内聚力就是产生粘度得主要因素。内聚力就是产生粘度得主要因素。温度温度分子间距分子间距分子吸引力分子吸引力内摩擦力内摩擦力粘度粘度气体气体:分子热运动引起得动量交换就是产生粘度得主要因素。分子热运动引起得动量交换就是产生粘度得主要因素。温度温度分子热运动分子热运动动量

24、交换动量交换内摩擦力内摩擦力粘度粘度 EXIT液体以液体以此为主此为主气体以气体以此为主此为主运动粘性系数运动粘性系数具有运动学量纲。具有运动学量纲。注意注意今后在谈及粘性系数时一今后在谈及粘性系数时一定指明当时得温度。定指明当时得温度。形形成成牛牛顿顿内内摩摩擦擦力力物物理机理理机理分子间得吸引力分子间得吸引力分子运动引起流分子运动引起流体层间得动量交换体层间得动量交换随着温度升高随着温度升高,液体得粘性系数液体得粘性系数下降下降;气体得粘性系数上升。气体得粘性系数上升。用旋转粘度计测量粘度EXIT 满满足足牛牛顿顿内内摩摩擦擦定定律律得得流流体体称称为为牛顿流体牛顿流体,否则称为非牛顿流体

25、。否则称为非牛顿流体。牛顿流体牛顿流体理想宾汉流体理想宾汉流体理想流体理想流体伪塑性流体伪塑性流体膨胀性流体膨胀性流体 o对对于于非非牛牛顿顿流流体体,切切应应力力 和和剪剪切切(角角)变变形形速速率率之之间间得得关关系系不不就就是是正正比比例关系。例关系。牛顿流体与非牛顿流体牛顿流体与非牛顿流体例 同心环形缝隙运动如图所示,直径为d得轴回转角速度为,轴套长度为L,间隙为,油液黏度为,研究轴表面上得摩擦力、轴得摩擦矩和轴得摩擦功率。注意注意注意注意牛顿黏性定律适用得条件牛顿黏性定律适用得条件:一维、层流、牛顿流体。一维、层流、牛顿流体。解解:通常间隙通常间隙,速度分布近乎线性分布速度分布近乎线

26、性分布,按按牛顿黏性定律牛顿黏性定律,速度梯度速度梯度:则摩擦力为则摩擦力为则摩擦力矩为则摩擦力矩为则摩擦功率为则摩擦功率为EXIT3 3、流体得压缩性和膨胀流体得压缩性和膨胀性性VV-Vpp+p 流流体体能能承承受受压压力力,在在受受外外力力压压缩缩变变形形时时,体体积积缩缩小小,密密度度加加大大,并并产产生生内内力力(弹弹性性力力)予予以以抵抵抗抗,在在撤撤除除外外力力后后恢恢复复原原状状,流体得这种性质称为压缩性。流体得这种性质称为压缩性。将相对体积压缩值将相对体积压缩值 dVV 与压强增量与压强增量dp之比值之比值称为称为体积压缩系数体积压缩系数,其倒数其倒数称为称为体积弹性系数体积弹

27、性系数。K 越大越大,越不越不易被压缩易被压缩压缩性压缩性EXITTT+TVV V+V V将将相对体积膨胀值相对体积膨胀值 dVV 与温度与温度增量增量dT 之比值之比值称为称为体积膨胀系数体积膨胀系数。V 越大越大,越易膨胀。越易膨胀。膨涨性膨涨性 流体受热流体受热,体积膨胀体积膨胀,密密度减小度减小,当温度下降后能恢当温度下降后能恢复原状复原状,流体得这种性质称流体得这种性质称为膨胀性。为膨胀性。EXIT 液液体体得得压压缩缩性性和和膨膨胀胀性性都都很很小小。例例如如,压压强强每每升升高高一一个个大大气气压压,水水得得密密度度约约增增加加0、5/10000;常常温温下下,温温度度每每升升高

28、高1 10C,水水得得密密度约减小度约减小1、5/10000。气体具有显著得压缩性和膨胀性。气体具有显著得压缩性和膨胀性。液体和气体得压缩性和液体和气体得压缩性和膨涨性膨涨性EXIT T T L自由表面自由表面4 4、液体得表面张力特液体得表面张力特性性由由于于分分子子间间引引力力作作用用,在在液液体体得得自自由由表表面面上上产产生生极极其其微微小小得得拉拉力力,称为表面张力。称为表面张力。表表面面张张力力只只发发生生在在液液体体与与气气体体、固固体体或或者者与与另另一一种种不不相相混混合合得液体得界面上。得液体得界面上。表表面面张张力力得得作作用用使使液液体体表表面面有有尽尽量量缩缩小小得得

29、趋趋势势,从从而而使使表表面面积积最最小小。表表面面张张力力现现象象就就是是常常见见得得自自然然现现象象,如如水水滴滴和和气气泡泡得得形形成成、液体得雾化液体得雾化,毛细管现象等。毛细管现象等。表面张力表面张力EXIT流体表面张力演示实验EXIT T T L表表面面张张力力方方向向垂垂直直长长度度方方向向,沿着自由表面切向。沿着自由表面切向。表表面面张张力力很很小小,例例如如水水在在200C时时得得表表面面张张力力为为0、0728N/m,一一般般可可以以不不予予考考虑虑。但但在在液液面面曲曲率率半半径径很很小小时时,表表面面张张力力有有时时可可达达到不可忽略得程度。到不可忽略得程度。自由表面自

30、由表面表表面面张张力力得得大大小小用用液液体体表表面面上上单单位位长长度度所所受受拉拉力力来来度度量量,用用 表表示示。在在自自由由表表面面上上画画出出一一段段长长度度 L,其其两两侧侧自自由由表表面面上上得得流流体相互作用有拉力体相互作用有拉力 T,则则 =T/L,单位为单位为N/m。EXIT水银水银hr 水水hr 毛细管现象毛细管现象将将直直径径很很小小两两端端开开口口得得细细管管竖竖直直插插入入液液体体中中,由由于于表表面面张张力力得得作作用用,管管中中得得液液面面会会发发生生上上升升或或下下降降得得现现象象,称称为为毛毛细细管管现现象。象。EXIT水水hr 水银水银hr 玻璃管玻璃管玻

31、璃管玻璃管毛毛细细管管现现象象中中液液面面究究竟竟上上升升还还就就是是下下降降,取取决决于于液液体体与与管管壁壁分分子子间间得得吸吸引引力力(附附着着力力)与与液液体体分分子子间间得得吸吸引引力力(内内聚聚力力)之之间间大小得比较。大小得比较。附着力附着力 内聚力内聚力,液面上升液面上升附着力附着力 内聚力内聚力,液面下降液面下降EXIT水水hr 水银水银hr 由由液液体体重重量量与与表表面面张张力力得得铅铅垂垂分分量量相相平衡平衡,确定毛细管中液面升降高度确定毛细管中液面升降高度h。为为减减小小毛毛细细管管现现象象引引起起误误差差,测测压压用用得玻璃管内径应不小于得玻璃管内径应不小于10mm

32、。玻璃管玻璃管玻璃管玻璃管EXIT13 作用在流体上得力质量力质量力表面力表面力EXIT质质量量力力分分布布在在流流体体质质量量(体体积积)上上,就就是是一一种种远远程程力力。我我们们定定义义得得质质量量力力为为力力得得质质量量密密度度f,即即单单位位质质量量流流体体所所承承受受得得质质量力量力,就是加速度得单位。就是加速度得单位。流体不能承受集中力流体不能承受集中力,只能承受分布力。分布力按表现形式又只能承受分布力。分布力按表现形式又分为分为:质量力、表面力。质量力、表面力。一、一、质量力质量力EXIT得含义得含义,按连续介质假设按连续介质假设,即为流体团趋于流体质点。即为流体团趋于流体质点

33、。所以质量力就是定义在流体质点上得。所以质量力就是定义在流体质点上得。设体积为设体积为V得流体团得流体团,其质量为其质量为m,所受质量力为所受质量力为F,则则V0二、二、表面力表面力表表面面力力分分布布在在流流体体面面上上,就就是是一一种种接接触触力力。定定义义表表面面力力得得面面积密度积密度,即单位面积上流体所承受得表面力为应力。即单位面积上流体所承受得表面力为应力。得得含含义义为为面面元元趋趋于于面面元元上上得得某某定定点点,所所以以应应力力就就是是定定义义在在流流体体面面上上一一点点处处得得。同同一一点点处处得得应应力力还还与与作作用用面面得得方方位位有有关关,所所以以须须将将作作用用面

34、面得法向用脚标指明。得法向用脚标指明。EXITn设设面面积积为为A得得流流体体面面元元,法法向向为为n,指指向向表表面面力受体外侧力受体外侧,所受表面力为所受表面力为P,则应力则应力A0 应应力力pn就就是是矢矢量量,可可向向作作用用面面得得法法向向或或切切向向投投影影,分分解解成成法法 应力和切应力。应力和切应力。EXIT凡谈及应力凡谈及应力,应注意明确以下几个要素应注意明确以下几个要素:哪一点得应力哪一点得应力;哪个方位作用面上得应力哪个方位作用面上得应力;作用面得哪一侧流体就是研究对象作用面得哪一侧流体就是研究对象(表面力得受体表面力得受体),),从从 而决定法线得指向而决定法线得指向;

35、应力在哪个方向上得分量。应力在哪个方向上得分量。作用面作用点定测外法向应力nnPn14 流体得力学模型 流体质点概念和连续介质假设流体质点概念和连续介质假设理想流体理想流体不可压缩流体不可压缩流体EXIT1 1、流体质点概念和连续介质假设流体质点概念和连续介质假设1mm3空气空气2、71016个分子个分子(1个大气压个大气压,00C)流体质点概念流体质点概念 宏宏观观(流流体体力力学学处处理理问问题题得得尺尺度度)上上看看,流流体体质质点点足足够够小小,只只占占据一个空间几何点据一个空间几何点,体积趋于零。体积趋于零。微微观观(分分子子自自由由程程得得尺尺度度)上上看看,流流体体质质点点就就是

36、是一一个个足足够够大大得得分分子子团团,包包含含了了足足够够多多得得流流体体分分子子,以以致致于于对对这这些些分分子子行行为为得得统统计计平平均均值值将将就就是是稳稳定定得得,作作为为表表征征流流体体物物理理特特性性和和运运动动要要素素得得物物理理量量定义在流体质点上。定义在流体质点上。EXIT连续介质假设连续介质假设连连续续介介质质假假设设就就是是近近似似得得、宏宏观观得得假假设设,她她为为数数学学工工具具得得应应用用 提提 供供 了了 依依 据据,在在 其其 她她 力力 学学 学学 科科 也也 有有 广广 泛泛 应应 用用,使使 用用该该假假设设得得力力学学统统称称为为“连连续续介介质质力

37、力学学”。除除了了个个别别情情形形外外,在在水力学中使用连续介质假设就是合理得。水力学中使用连续介质假设就是合理得。连续介质假设将流体区域看成由流体质点连续组成连续介质假设将流体区域看成由流体质点连续组成,占满空间占满空间而没有间隙而没有间隙,其物理特性和运动要素在空间就是连续分布得。其物理特性和运动要素在空间就是连续分布得。EXIT以以密密度度为为例例,考考察察物物理理量量就就是是怎怎样样定定义义在在流流体体质质点点上上得得。若若流体微团得体积为流体微团得体积为V,质量为质量为m,则流体质点密度为则流体质点密度为其其中中V0 得得含含义义应应理理解解为为流体微团趋于流体质点。流体微团趋于流体

38、质点。连连续续介介质质假假设设为为建建立立流流场场得得概概念念奠奠定定了了基基础础:设设在在t 时时刻刻,有有某某个个流流体体质质点点占占据据了了空空间间点点(x,y,z),将将此此流流体体质质点点所所具具有有得得某某种种物物理理量量(数数量量或或矢矢量量)定定义义在在该该时时刻刻和和空空间间点点上上,根根据据连连续续介介质质假设假设,就可形成定义在连续时间和空间域上得数量或矢量场。就可形成定义在连续时间和空间域上得数量或矢量场。EXIT2 2、理想流体假设、理想流体假设理想流体假设就是忽略粘性影响得假设理想流体假设就是忽略粘性影响得假设,可近似反映粘性作用可近似反映粘性作用不大得实际流动不大

39、得实际流动,粘性作用不大就是相对于其她因素得作用而言粘性作用不大就是相对于其她因素得作用而言得。得。我我们们将将会会看看到到,就就是是否否忽忽略略粘粘性性影影响响将将对对流流动动问问题题得得处处理理带带来很大得区别来很大得区别,理想流体假设可以大大简化理论分析过程。理想流体假设可以大大简化理论分析过程。而而 就就是是流流体体得得客客观观属属性性,所所以以往往往往就就是是在在变变形形速速率率不不大大得得区区域域将实际流体简化为理想流体。将实际流体简化为理想流体。忽略粘性影响实际上就就是忽略切应力忽略粘性影响实际上就就是忽略切应力,切应力切应力,EXIT不不可可压压缩缩流流体体假假设设忽忽略略压压

40、缩缩性性和和膨膨胀胀性性,认认为为流流体体得得密密度度为为常常数数,即把流体看作不可压缩流体。即把流体看作不可压缩流体。一一般般情情况况下下可可将将液液体体看看作作不不可可压压缩缩流流体体,只只有有在在某某些些特特殊殊情情况况下下,如如水水下下爆爆炸炸、水水击击、热热水水采采暖暖等等问问题题时时,才才必必须须考考虑虑压压缩缩性性和和膨胀性。膨胀性。尽尽管管气气体体得得压压缩缩性性和和膨膨胀胀性性比比较较显显著著,但但当当气气流流速速度度远远小小于于音音速时速时,密度变化不大密度变化不大,仍可采用不可压缩流体假设。仍可采用不可压缩流体假设。3 3、不可压缩流体假设不可压缩流体假设EXIT附:水力

41、学课程中使用得单位制 一些重要物理量得数值 水力学课程中使用得单位制水力学课程中使用得单位制 一些重要物理量得数值一些重要物理量得数值EXIT 三个基本单位三个基本单位 长度单位长度单位:m(米米)质量单位质量单位:kg(公斤公斤)时间单位时间单位:s(秒秒)水力学课程中使用得单位制 SI 国际单位制国际单位制(米、公斤、秒制米、公斤、秒制)EXIT 导出单位导出单位,如如:密度密度 单位单位:kg/m3 力得单位力得单位:N(牛顿牛顿),1N=1kg m/s2应力、压强单位应力、压强单位:Pa(帕斯卡帕斯卡),1Pa=1N/m2动力粘性系数动力粘性系数 单位单位:N s/m2=Pa s运动粘性系数运动粘性系数 单位单位:m2/s体积弹性系数体积弹性系数K 单位单位:Pa