流体力学多媒体章节.ppt

流体力学多媒体课件,安徽建筑工业学院环境工程系 王造奇,绪 论,流体力学是研究流体机械运动规律及其应用的科学，是力学的一个重要分支。 流体力学研究的对象液体和气体。,流体力学发展简史 流体力学的研究方法 作用在流体上的力 流体的主要物理性质 流体力学的模型,流体力学发展简史,第一阶段（16世纪以前）：流体力学形成的萌芽阶段 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的基础阶段 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,第一阶段（16世纪以前）：流体力学形成的萌芽阶段,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）奠定了流体静力学的基础,返回,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的基础阶段,1586年 斯蒂芬水静力学原理 1650年 帕斯卡“帕斯卡原理” 1612年 伽利略物体沉浮的基本原理 1686年 牛顿牛顿内摩擦定律 1738年 伯努利理想流体的运动方程即伯努利方程 1775年 欧拉理想流体的运动方程即欧拉运动微分方程,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（理论）、伯努利（实验）,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 比托比托管（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） ,流体力学与相关的邻近学科相互渗透，形成很多新分支和交叉学科,流体力学的研究方法,理论分析方法、实验方法、数值方法相互配合，互为补充 理论研究方法 力学模型物理基本定律求解数学方程分析和揭示本质和规律 实验方法 相似理论模型实验装置 数值方法 计算机数值方法是现代分析手段中发展最快的方法之一,作用在流体上的力,1.质量力：作用在所研究的流体质量中心，与质量成正比,重力 惯性力,单位质量力,重力,2.表面力：外界对所研究流体表面的作用力，作用在外 表面，与表面积大小成正比,应力,切线方向： 切向应力剪切力,内法线方向： 法向应力压强,F,A,Fn,F,表面力具有传递性,流体相对运动时因粘性而产生的内摩擦力,流体的主要物理性质 惯性、粘性、压缩（膨胀）性,1.惯性,密度,常见的密度（在一个标准大气压下）： 4时的水 20时的空气,容重（重度）,比重,2.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的内摩擦力,微观机制：分子间吸引力、分子不规则运动的动量交换,牛顿内摩擦定律：,切应力：,z,v,v+dv,v,x,z,dz,y,a.速度梯度 的物理意义,角变形速度（剪切变形速度）,vdt,(v+dv)dt,dvdt,dz,d,流体与固体在摩擦规律上完全不同,正比于dv/dz,正比于正压力，与速度无关,b.动力粘度（系数）：与流体性质有关 PaS,运动粘度（系数）： m/s,微观机制：,液体 吸引力 T ,气体 热运动 T ,dv/dz,牛顿流体,o,牛顿流体服从牛顿内摩擦定律的流体（水、大部分轻油、气体等）,c.牛顿流体与非牛顿流体,0,dv/dz,o,塑性流体,非牛顿流体,塑性流体克服初始应力0后，才与速度梯度成正比（牙膏、新拌水泥砂浆、中等浓度的悬浮液等）,dv/dz,o,拟塑性流体,拟塑性流体的增长率随dv/dz的增大而降低（高分子溶液、纸浆、血液等）,dv/dz,o,膨胀型流体,膨胀型流体的增长率随dv/dz的增大而增加（淀粉糊、挟沙水流）,0,dv/dz,o,膨胀型流体,牛顿流体,拟塑性流体,塑性流体,例：汽缸内壁的直径D=12cm，活塞的直径d=11.96cm，活塞长度L=14cm，活塞往复运动的速度为1m/s，润滑油的 =0.1Pas。求作用在活塞上的粘性力。,解：,注意：面积、速度梯度的取法,d,D,L,例：旋转圆筒粘度计，外筒固定，内筒转速n=10r/min。内外筒间充入实验液体。内筒r1=1.93cm，外筒 r2=2cm，内筒高h=7cm，转轴上扭距M=0.0045Nm。求该实验液体的粘度。,解：,注意：1.面积A的取法； 2.单位统一,h,n,r1,r2,得,3.压缩（膨胀）性,a.压缩系数,在一定温度下，密度的变化率与压强的变化成正比,体积模量（弹性模量）,b.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,c.气体,理想气体状态方程,R气体常数 空气R=8.31/0.029=287J/kgK,等温过程：压缩系数,等压过程：膨胀系数,绝热过程：压缩系数,低速（标准状态，v68m/s）气流可按不可压缩流体处理,表面张力和毛细现象,1.表面张力：由分子的内聚力引起 单位：N/m,发生在液气接触的周界、液固接触的周界、不同液体接