应用流体力学.ppt

流体力学 2011 5 1绪论 1 1流体力学的任务和研究对象 流体力学 水力学 是力学的一个独立分支 是一门研究流体的平衡和流体机械运动规律及其实际应用的技术科学 流体力学体系 流体静力学 静力平衡 流体动力学 力 运动特征 能量守恒 一 概述 对象 流体 液体 水 任务 研究水的机械运动规律及其在工程上的应用 机械运动 研究物体受力以后与时间的关系 规律 客观存在的自然法则 应用 解决工程实际问题 如 水力荷载 过水能力 水流流动形态 水能利用和水能消耗 流体力学在土建与水利工程中的应用 1 土木领域 如建筑工程和土建工程中的应用 如坑基排水 路基排水 地下水渗透 地基坑渗稳定处理 围堰修建 海洋平台在水中的浮性和抵抗外界扰动的稳定性等 2 市政工程 如桥涵孔径设计 给水排水 管网计算 泵站和水塔的设计 隧洞通风等 特别是给水排水工程中 无论取水 水处理 输配水都是在水流动过程中实现的 流体力学理论是给水排水系统设计和运行控制的理论基础 3 城市防洪工程 如堤 坝的作用力与渗流问题 防洪闸坝的过流能力等 4 建筑环境与设备工程 如供热 通风与空调设计 以及设备的选用等 5 水利工程 应用更广 课程内容更深 后续内容 工程水力学 课程的性质与目的 性质 土木 水利类专业的一门必修的专业基础课程 目的 学习专业理论 培养工程应用能力 地位 前修课程 物理学 理论力学 材料力学 后续课程 水文学 土力学 工程地质等 并直接服务于工程应用 其他 a 素质教育 力学文化 水文化 b 注册工程师考试必考科目 c 研究生入学考试必考或选考科目之一 本课程的基本要求 具有较为完整的理论基础 包括 1 掌握流体力学的基本概念 2 熟练掌握分析流体力学的总流分析方法 熟悉量纲分析与实验相结合的方法 了解求解简单平面势流的方法 3 掌握流体运动能量转化和水头损失的规律 对传统阻力有一定了解 具有对一般流动问题的分析和讨论能力 包括 1 水力荷载的计算2 管道 渠道和堰过流能力的计算 井的渗流计算 3 水头损失的分析和计算掌握测量水位 压强 流速 流量的常规方法 具有观察水流现象 分析实验数据和编写报告的能力 重点掌握 基本概念 基本方程 基本应用 基础流体力学对专门水力学 高等流体力学 计算流体力学本课程不作要求 牛顿三定律 惯性定律 F ma 作用力与反作用力 水力学 质量守恒定律能量守恒及其转化规律动量守恒定律 1 质量守恒定律 3 牛顿第二运动定律 4 动量定律 2 机械能转化与守恒定律 动能 压能 位能 能量损失 常数 二 连续介质模型实质 分子间有间隙 分子随机运动导致物理量不连续 1cm3有3 34 1022个水分子 分子的间距为3 10 8cm 从宏观角度认为 水为连续介质 x y z u u x y z p p x y z 三 流体力学的研究方法 理论分析理论研究方法 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 用分析数学作为工具 纯理论方法 建立理论模型 并能运用数学方法求出理论结果 理论结合实验的方法 以总流分析方法为主 理论公式 经验系数 经验公式 二维微分方程 基础流体力学 应用流体力学 水力学 应用流体力学是一门理论和实践紧密结合的基础学科 它的许多实用公式和系数都是由实验得来的 至今 工程中的许多问题 即使能用现代理论分析与数值计算求解的 最终还要借助实验检验修正 实验研究形式 原型观测系统实验模型试验 实验研究基础理论 相似原理与量纲分析 相似理论 量纲分析 因次分析 如原型和模型之间的Re相似或Fr相似 1 2用于液体上的力 1 2 1质量力 按物理性质分 惯性力 重力 弹性力 粘滞力 表面张力 按力的作用方式分 质量力 表面力 质量力 MassForce 是指作用于隔离体内每一流体质点上的力 它的大小与质量成正比 对于均质流体 各点密度相同的流体 质量力与流体体积成正比 其质量力又称为体积力 单位N 最常见的质量力有 重力惯性力 单位质量的质量力 fx X ax fy Y ay fz Z a重力场X Y 0Z gg z 单位质量力的单位 m s2 与加速度单位一致 1 表面力 又称面积力 SurfaceForce 是毗邻流体或其它物体作用在隔离体表面上的直接施加的接触力 它的大小与作用面面积成正比 A A 压强 切应力 或 压力 垂直于作用面 切力 平行于作用面 2 应力 单位面积上的表面力 单位 按作用方向可分为 1 2 2表面力 压强的单位 SI制N m2Pa工程单位 Tf m2 kgf cm2气压单位 bar mbar1kN m2 0 102tf m2 0 01bar 1 3流体的主要物理性质 1 3 1液体的质量和流体所受的重力F ma 达兰贝尔原理F 惯性力 F ma 牛顿第二定律F 作用力 均质液体的密度 M Vkg m3 水 1000kg m3重度 SI制规定 长度 质量 时间为基本量纲 其余为导出量纲 量纲 L M T 单位m kg s如F 量纲 量纲 ML T 单位 N 1N 1kg m s2 1 粘性 粘性 即在运动的状态下 流体所产生的抵抗剪切变形的性质 根据流体是否具有粘性 可分为 b 理想流体 是指无粘性的一种假想流体 在运动时也不能抵抗剪切变形 a 实际流体 指具有粘性的流体 在运动时具有抵抗剪切变形的能力 即存在摩擦力 1 3 2粘性 动力粘度 简称粘性 是反映流体粘滞性大小的系数 单位 N s m2 m2 s m2 s 水的运动粘度 通常可用经验公式计算 运动粘度 流体粘度 的数值随流体种类不同而不同 并随压强 温度变化而变化 流体种类 一般地 相同条件下 液体的粘度大于气体的粘度 压强 对常见的流体 如水 气体等 值随压强的变化不大 一般可忽略不计 温度 是影响粘度的主要因素 当温度升高时 液体的粘度减小 气体的粘度增加 a 液体 内聚力是产生粘度的主要因素 当温度升高 分子间距离增大 吸引力减小 因而使剪切变形速度所产生的切应力减小 所以 值减小 2 粘度的影响因素 选择题 下面关于流体粘性的说法中 不正确的是 A 粘性是流体的固有属性 B 粘性是运动状态下 流体有抵抗剪切变形速率能力的量度 C 流体的粘性具有传递运动和阻滞运动的双重性 D 流体的粘度随温度的升高而增大 b 气体 气体分子间距离大 内聚力很小 所以粘度主要是由气体分子运动动量交换的结果所引起的 温度升高 分子运动加快 动量交换频繁 所以 值增加 牛顿内摩擦定律 液体运动时 相邻液层间所产生的切应力与剪切变形的速率成正比 即 3 牛顿内摩擦定律 流体的切应力与动力粘度 成正比 对于平衡流体du dy 0或理想流体 0 所以不产生切应力 0 N m2 Pa 粘性切应力 是单位面积上的内摩擦力 说明 流体的切应力与剪切变形速率 或角变形率成正比 区别于固体的重要特性 固体的切应力与角变形的大小成正比 牛顿平板实验 设板间的y向流速呈直线分布 即 实验表明 对于大多数流体满足 引入动力粘度 则得牛顿内摩擦定律 则 平板实验与内摩擦定律 式中 流速梯度代表液体微团的剪切变形速率 可以证明 则 由图得 说明 流体的切应力与剪切变形速率 或角变形率成正比 证明 在两平板间取一方形质点 高度为dy dt时间后 质点微团从abcd运动到a b c d 4 牛顿流体 非牛顿流体 牛顿流体 NewtonianFluids 是指任一点上的剪应力都同剪切变形速率呈线性函数关系的流体 即遵循牛顿内摩擦定律的流体称为牛顿流体 非牛顿流体 不符合上述条件的均称为非牛顿流体 1 宾厄姆体 0 0 n 1 const 2 假 伪 塑性流体 0 0 n 1 3 牛顿流体 0 0 n 1 const 4 膨胀性流体 0 0 n 1 5 理想流体 0 0 0 流体 流体分类 1 3 3压缩性 定义 液体受压后体积要缩小 压力撤除后能恢复原状这种性质称为液体的压缩性或弹性 膨胀性 与固体接近 压缩性的大小 压缩系