第1章 流体及其主要物理性质.pdf

工程工程流体力学流体力学工程工程流体力学流体力学 Engineering fluidEngineering fluid dynamicdynamicEngineeringEngineering fluidfluid dynamicdynamic 主讲主讲 俞接成俞接成主讲主讲 俞接成俞接成 教材教材 流体力学流体力学 景思睿景思睿 张鸣远张鸣远 编编 西安交西安交教材教材 流体力学流体力学 景思睿景思睿 张鸣远张鸣远 编编 西安交西安交 通大学出版社通大学出版社 参考书参考书参考书参考书 粘性流体动力学粘性流体动力学 F F M M WhiteWhite 机械工业出版社机械工业出版社19821982 粘性流体动力学粘性流体动力学 F F M M WhiteWhite 机械工业出版社机械工业出版社 19821982 1991年有英文第二版 1991年有英文第二版 流体力学基础 潘文全 机械工业出版社 1982 流体力学基础 潘文全 机械工业出版社 1982 流体力学流体力学 上上下下 吴望吴望北京大学出版社北京大学出版社19821982 流体力学流体力学 上上 下下 吴望吴望一一 北京大学出版社北京大学出版社 19821982 本课程共56学时 讲解第1 8章本课程共56学时 讲解第1 8章 流体力学课程的考核方法与学习要求流体力学课程的考核方法与学习要求流体力学课程的考核方法与学习要求流体力学课程的考核方法与学习要求 考核方法考核方法 百分制百分制考核方法考核方法 百分制百分制 1 平时 20 1 平时 20 每缺一次作业扣1分 无正当理由 不接受晚交 每旷课一次扣2分 每迟到一次扣0 5分 无故旷课3次 每缺一次作业扣1分 无正当理由 不接受晚交 每旷课一次扣2分 每迟到一次扣0 5分 无故旷课3次 取消考试资格 上课时间睡觉 吃饭 接手机等扣0 5 分 取消考试资格 上课时间睡觉 吃饭 接手机等扣0 5 分 2 期末考试占80 2 期末考试占80 学习要求学习要求学习要求学习要求 树立良好学风希望大家上课能认真听讲 独立完成树立良好学风希望大家上课能认真听讲 独立完成 作业作业作业作业 第一章第一章流体及其主要物理性质流体及其主要物理性质第一章第一章流体及其主要物理性质流体及其主要物理性质 1 概述1 概述 1 11 1 什么是流体力学什么是流体力学 1 1 1 1 什么是流体力学什么是流体力学 1 2 学习流体力学的目的1 2 学习流体力学的目的 1 3 流体力学的发展沿革1 3 流体力学的发展沿革 1 41 4 流体力学的学习方法流体力学的学习方法1 1 4 4 流体力学的学习方法流体力学的学习方法 1 11 1 什么是流体力学什么是流体力学 1 1 1 1 什么是流体力学什么是流体力学 研究研究流体流体 液体液体 气体气体 的力学运动规律及其应的力学运动规律及其应 研究研究流体流体 液体液体 气体气体 的力学运动规律及其应的力学运动规律及其应 用的一门科学 用的一门科学 百度百科 百度百科 主要研究在各种力的作用下 流体本身主要研究在各种力的作用下 流体本身 的状态的状态 以及流体和固体壁面以及流体和固体壁面 流体和流体间流体和流体间 流流的状态的状态 以及流体和固体壁面以及流体和固体壁面 流体和流体间流体和流体间 流流 体与其他运动形态之间的相互作用的力学分支 流体与其他运动形态之间的相互作用的力学分支 流 体力学是力学的一个重要分支体力学是力学的一个重要分支它它主要研究流体本主要研究流体本体力学是力学的一个重要分支体力学是力学的一个重要分支 它它主要研究流体本主要研究流体本 身的静止状态和运动状态 以及流体和固体界壁间身的静止状态和运动状态 以及流体和固体界壁间 有相对运动时的相互作用和流动的规律有相对运动时的相互作用和流动的规律 在生活 在生活 环保环保 科学技术及科学技术及工工程中具有重要的应用价值程中具有重要的应用价值 环保环保科学技术及程中具有重要的应用价值科学技术及程中具有重要的应用价值 1 21 2 学习流体力学的目的学习流体力学的目的1 1 2 2 学习流体力学的目的学习流体力学的目的 在本专业中的重要地位在本专业中的重要地位 在本专业中的重要地位在本专业中的重要地位 是专业基础课 核心课 本专业的考研课程之一 是专业基础课 核心课 本专业的考研课程之一 也是学习后续课程的基础也是学习后续课程的基础也是学习后续课程的基础也是学习后续课程的基础 日常生活密切相关日常生活密切相关 日常生活密切相关日常生活密切相关 大气 海洋 汽车 飞机 球类运动 自来水 大气 海洋 汽车 飞机 球类运动 自来水 工程上的广泛应用工程上的广泛应用 农业灌溉 虹吸管 农业灌溉 虹吸管 工程上的广泛应用工程上的广泛应用 能源动力能源动力 石油化工石油化工 空调制冷空调制冷 军事军事 能源动力能源动力 石油化工石油化工 空调制冷空调制冷 军事军事 1 3 流体力学的发展沿革流体力学的发展沿革 Archimedes 阿基米德 希腊公元前阿基米德 希腊公元前287 212年 年 浮力假设浮力假设 Leonardo da Vinci 1500 意大利 意大利 一维不可压缩 粘性流体的质量守恒方程 一维不可压缩 粘性流体的质量守恒方程 理想流体力学 理想流体力学 Euler 1755 Euler s Eq d Alembert 1752 Laplace 1749 1827 Lagrange 1736 1813 Bernoulli Isaac Newton 1687 流体阻力 牛顿流体流体阻力 牛顿流体 提出的提出的方程方程 Navier 1823 Stokes 1845 提出的提出的N S方程方程 Reynolds 1880 提出提出Re数 判别流体流动方式 数 判别流体流动方式 Prandtl 1904 边界层理论的提出边界层理论的提出 Blasius 布拉休斯布拉休斯 平板平板边边界层界层的理论的理论解解 布拉休斯布拉休斯平板界层解平板界层解 E Buckingham 1914 量纲分析方法量纲分析方法 1 3 流体力学的发展沿革流体力学的发展沿革1 3 流体力学的发展沿革流体力学的发展沿革 流体力学分为理想流体力学和粘性流体力学流体力学分为理想流体力学和粘性流体力学 真实真实流体力学分为理想流体力学和粘性流体力学流体力学分为理想流体力学和粘性流体力学 真实真实 流体力学 水力学 流体力学 水力学 理想流体力学理想流体力学 无粘性项 数学的完美推导 无粘性项 数学的完美推导 d Alembert paradoxd Alembert paradox 水力学水力学 放弃理论 以试验测量为基础 放弃理论 以试验测量为基础 边界层理论边界层理论的提出才使两者能有机地结合起来的提出才使两者能有机地结合起来 粘性流体力学粘性流体力学 加入粘性项加入粘性项 Prandtl 边界层理论边界层理论的提出才使两者能有机地结合起来的提出才使两者能有机地结合起来 1 41 4 流体力学的学习方法流体力学的学习方法1 1 4 4 流体力学的学习方法流体力学的学习方法 从掌握的角度 从掌握的角度 学好数学学好数学 多看书多看书 从应试的角度从应试的角度 学好数学学好数学 多看书多看书 注重对物概念的解注重对物概念的解 上课认真听讲 独立完成作业 上课认真听讲 独立完成作业 注重对物注重对物理理概念的概念的理理解解 属于经典力学属于经典力学本质是牛顿定律在流体中的运用本质是牛顿定律在流体中的运用属于经典力学属于经典力学 本质是牛顿定律在流体中的运用本质是牛顿定律在流体中的运用 1 51 5 本书的内容本书的内容1 1 5 5 本书的内容本书的内容 第第1 1章章 流体及其主要物理性质流体及其主要物理性质第第1 1章章 流体及其主要物理性质流体及其主要物理性质 第2章流体静力学第2章流体静力学 理论基础理论基础 第3章流体运动学基础 第4章流体动力学基础 第3章流体运动学基础 第4章流体动力学基础 理论基础理论基础 第5章相似原理与量纲分析第5章相似原理与量纲分析 第第6 6章章理想不可压缩流体的定常流动理想不可压缩流体的定常流动 实验研究实验研究 理想流体理想流体 第第6 6章章理想不可压缩流体的定常流动理想不可压缩流体的定常流动 第7章通道内的粘性流动第7章通道内的粘性流动 第第 章章粘性不缩流体绕物体的流动粘性不缩流体绕物体的流动 理想流体理想流体 实际流体实际流体 第第8 8章章粘性不粘性不可压可压缩流体绕物体的流动缩流体绕物体的流动 2 2流体与连续介质模型流体与连续介质模型2 2 流体与连续介质模型流体与连续介质模型 流体 液体与气体 流体 液体与气体 具有具有易流动性 粘性和可压缩性易流动性 粘性和可压缩性 不能承受拉力不能承受拉力 在任何剪切力作用下会发生连续不在任何剪切力作用下会发生连续不不能承受拉力不能承受拉力 在任何剪切力作用下会发生连续不在任何剪切力作用下会发生连续不 断的变形 产生流动 断的变形 产生流动 定义定义在任何剪切力持续作用下连续变形的物质在任何剪切力持续作用下连续变形的物质定义定义 在任何剪切力持续作用下连续变形的物质在任何剪切力持续作用下连续变形的物质 从微观角度从微观角度 流体都是由大量分子组成且处于不断热 流体都是由大量分子组成且处于不断热 运动状态 它的空间位置和运动速度具有随机性质 运动状态 它的空间位置和运动速度具有随机性质 流体力学研究流体的流体力学研究流体的宏观宏观平衡和运动规律 所考虑的平衡和运动规律 所考虑的 尺寸远大于分子的平均自由程尺寸远大于分子的平均自由程 因此 需要建立模型 因此 需要建立模型 进行研究 进行研究 2 2流体与连续介质模型流体与连续介质模型2 2 流体与连续介质模型流体与连续介质模型 连续介质模型连续介质模型 流体质点流体质点 相对于宏观很小 相对于微观 相对于宏观很小 相对于微观 又包含足够多的分子 又包含足够多的分子 连续介质模型连续介质模型 连续介质模型连续介质模型 假设组成流体的最小物质实假设组成流体的最小物质实 体是体是流体质点流体质点流体由无限流体由无限 体是体是流体质点流体质点 流体由无限流体由无限 多的流体质点连绵不断地组多的流体质点连绵不断地组 0 lim V m V 成 成 质点之间不存在间隙质点之间不存在间隙 便于运用数学研究便于运用数学研究 便于运用数学研究便于运用数学研究 3 3流体的粘性流体的粘性3 3 流体的粘性流体的粘性 粘性粘性 流体抵抗剪变流体抵抗剪变 或相或相流体抵抗剪流体抵抗剪切切变变形形 或相或相对 运动 的一种属性 对 运动 的一种属性 牛顿平板实验牛顿平板实验 试验结论 试验结论 速度呈线性分布速度呈线性分布 摩擦力与速度梯度呈正比摩擦力与速度梯度呈正比 U du 摩擦力与速度梯度呈正比摩擦力与速度梯度呈正比 h dy 牛顿流体与非牛顿流体牛顿流体与非牛顿流体 牛顿流体与非牛顿流体牛顿流体与非牛顿流体 3 3流体的粘性流体的粘性3 3 流体的粘性流体的粘性 粘性系数粘性系数 1 动力粘性系数动力粘性系数 单位 Pa s 单位 Pa s U 1 Pas U h Pa s Pa sPa s 2 N 运动粘性系数 单位 m运动粘性系数 单位 m2 2 s s 3 Pa s kg m 3 Pa s kg m 2 Nm 3 s kg m 2 kg m ss k 2 ms kg m 3 3流体的粘性流体的粘性3 3 流体的粘性流体的粘性 粘性系数粘性系数 例如 20 时 空气 0 151 10例如 20 时 空气 0 151 10 4 4 m m2 2 s s 水水 2 2 水水 0 1 10 0 1 10 5 5 m m2 2 s s 粘性系数与温度的关系粘性系数与温度的关系 粘性系数与温度的关系粘性系数与温度的关系 液体液体的粘性主要取决于液体分子间的距离和分子间的粘性主要取决于液体分子间的距离和分子间 的吸引力 的吸引力 所以温度升高粘性下降 所以温度升高粘性下降 气体气体的粘性主要取决与气体分子热运动所产生的动量的粘性主要取决与气体分子热运动所产生的动量气体气体的粘性主要取决与气体分子热运动所产生的动量的粘性主要取决与气体分子热运动所产生的动量 交换 交换 所以温度升高粘性增大 所以温度升高粘性增大 3 流体的粘性流体的粘性3 流体的粘性流体的粘性 例1 1 已知 L 0 5 m n 400 rpm 0 25测得M 10 89 J求 0 25 mm 测得M 10 89 J 求 d dd 2 ddd 2 d dALd 2 dud dFdALd dy 2 22 dddu dMdFLd dy 2 2 0 2 ddu MdMLd dy 2 2 22 dduddu LdL dydy y 2 22 dd n duud n yy dd 22 6060 duud n dy 32 120 0 049 260 dd nM MdLPa s dnL 3 流体的粘性 例1 2 0 5Pa s的流体沿着壁面流动 速 度分布为抛物线 y1 60mm umax 1 08 m s 抛物线的顶点在A点 分别求y 0 20 40 60mm各点的切应力 2 uaybyc 0 00yuc 2 0 06 1 081 08 0 060 06yuab 300 0 06 1 08 1 08 0 060 06yuab 0 06 0 2 0 060 u yab 300 36 a b y y 2 2 300361 083000 06uyyy 6000 06 du 06000 063000 06 du 300361 083000 06uyyy 6000 06y dy 0 5 6000 063000 06 du yy dy 3 3流体的粘性流体的粘性3 3 流体的粘性流体的粘性 实际流体与理想流体实际流体与理想流体 实际流体实际流体 自然界中实际存在的流体自然界中实际存在的流体都具有粘性都具有粘性称为称为粘粘自然界中实际存在的流体自然界中实际存在的流体 都具有粘性都具有粘性 称为称为粘粘 性流体性流体 理想流体理想流体 认为粘性系数为零认为粘性系数为零认为粘性系数为零认为粘性系数为零 便于数学研究便于数学研究 便于数学研究便于数学研究 实际流体的研究更为复杂 实际流体的研究更为复杂 今今种边条件种边条件N S方程至N S方程至今今只找到70多只找到70多种边种边界界条件条件的解 的解 4 4流体的可压缩性流体的可压缩性4 4 流体的可压缩性流体的可压缩性 4 1 可压缩性4 1 可压缩性 4 24 2可压缩流体与不可压缩流体可压缩流体与不可压缩流体4 4 2 2 可压缩流体与不可压缩流体可压缩流体与不可压缩流体 4 14 1可压缩性可压缩性4 4 1 1 可压缩性可压缩性 所有流体都具有所有流体都具有一一定的可压缩性定的可压缩性所有流体都具有定的可压缩性所有流体都具有定的可压缩性 压缩性系数 压缩性系数 1 dV V dp 1 dV m V mdp 1 d dp V dp V mdpdp 1 0dd dd 11dd 1 0dd 11dd dpdp 4 1 可压4 1 可压缩缩性性缩缩 11dd dpdp 压缩性系数 压缩性系数 体积弹性模量体积弹性模量E E dpdp 1dpdp E 体积弹性模量体积弹性模量E E 气体气体 E dd 气体气体 等温过程等温过程 p Const 状态方程lnlnpC 0 dpd p 微分 dp pE d p d 4 1 可压4 1 可压缩缩性性缩缩 体积弹性模量E体积弹性模量E 1dpdp E dd 气体气体 等熵过程等熵过程 dd 等熵过程等熵过程 k p Const 状态方程lnlnpkC 0 dpd k 微分 k C 状态方程lnlnpkC dp kE 0 dpd k p 微分 dp kpE d 液体液体 没有简单的解析表达式 一般通过实验测压没有简单的解析表达式 一般通过实验测压 强与密度的关系强与密度的关系 然后近似求导然后近似求导 强与密度的关系强与密度的关系 然后近似求导然后近似求导 4 24 2可压缩流体与不可压缩流体可压缩流体与不可压缩流体4 4 2 2 可压缩流体与不可压缩流体可压缩流体与不可压缩流体 dp E 不可压缩流体不可压缩流体 C C ddp E d 不可压缩流体不可压缩流体 C C 当流体的体积弹性模量很大或压强改变量很小时当流体的体积弹性模量很大或压强改变量很小时流体流体 p E 当流体的体积弹性模量很大或压强改变量很小时当流体的体积弹性模量很大或压强改变量很小时 流体流体 的密度改变量很小 可看作不可压缩流体 的密度改变量很小 可看作不可压缩流体 便于数学处理便于数学处理 一一般液体和流速较低的气体均可看作般液体和流速较低的气体均可看作不可压缩流体不可压缩流体 般液体和流速较低的气体均可看作般液体和流速较低的气体均可看作不可压缩流体不可压缩流体 可压缩流体 C可压缩流体 C 流体的密度改变量不可忽略时 流体的密度改变量不可忽略时 我们所涉及的问题我们所涉及的问题一一般均以般均以不可压缩流体不可压缩流体来对待来对待 我