流体力学与流体机械第1章

流体力学的研究任务与研究方法连续介质模型流体的主要物理性质作用在流体上的力,第一章绪论,第一节流体力学的研究任务与研究方法,气体,宏观地研究流体受力和运动规律。,物质（存在形态）,液体,固体,能保持一定的形状和体积,不能保持一定的形状和体积,不能保持一定形状，但能保持其固有体积,一.流体的概念,流体的定义：能够流动的物质,流体,物质（受力特性）,固体,静止状态时不能抵抗切向力（剪切力），在任何微小的切向力作用下可以变形或流动,能承受切向力,气体,液体,流体和固体区别体现在形状、体积、受力等方面的不同。,注意：流体和固体并没有明显的界限，同一物质在不同条件下可能呈现流体的特性，也可能呈现固体的特性。,二.学科实质,基础知识,物质机械运动规律，包括牛顿第二定律、质量守恒定律、动量定理等,与工程实际紧密结合，在建筑、土木、环境、水利造船、电力、冶金、机械、核工程、航空等有广泛应用。,三.工程应用,流体力学是力学的分支学科。,由于空气动力学的发展，人类研制出3倍声速的战斗机,幻影2000,排水量达50万吨以上的超大型运输船,时速达200公里的新型地效艇等，它们的设计都建立在水动力学，船舶流体力学的基础之上,大型水利枢纽工程，超高层建筑，大跨度桥梁等的设计和建造离不开水力学和风工程,三峡工程鸟瞰图,水能利用（水泵与水轮机）,风能利用,生物流体力学,现状：,随着生产和科技的发展，研究的领域范围和对象日益深化和扩大，学科间相互渗透，形成多个新的分支和交叉学科，如计算流体力学、环境流体力学、生物流体力学、非牛顿流体力学、多相流体力学等。,四.研究方法,力学模型,基本方程组,理论解,原型实验,模型实验,微分方程组,数值模型,近似解,1.理论分析,2.科学实验,3.数值计算,三种方法相互依存,第二节连续介质模型依据：流体力学研究的是流体的宏观特性，即大量分子的平均特性。连续介质模型：假定流体是由连续分布的流体质点所组成，即认为流体所占据的空间完全由没有任何空隙的流体质点所充满，流体质点在时间过程中作连续运动。,根据连续介质模型假设，所有的物理量都是空间坐标和时间变量的连续函数,p=p(x,y,z,t)u=u(x,y,z,t),流体质点：指宏观尺寸非常小而微观尺寸又足够大的任意一个物理实体。,第三节流体的物理性质,一、密度,均质流体：,比体积,重度,（kg/m3）,（N/m3）,二、压缩性和膨胀性1.压缩性：压强增大，体积减小。体积压缩系数（体积压缩率）根据增压前后质量无变化，故体积模量,注意负号！,（Pa-1）,（Pa）,K随流体的种类、温度和压强而变化。K值越大，流体的压缩性越小，反之亦然。不可压缩流体：忽略其压缩性的流体。液体和低速气体可按不可压缩流体处理，不可压缩均质流体的密度可视为常数。,例外：水击现象,2.膨胀性：温度升高，体积增大。体积膨胀系数：,v随流体的种类、温度和压强而变化。v值越大，流体的膨胀性越大，反之亦然。,液体的膨胀性可忽略。,一般情况下，液体的压缩性和膨胀性均可忽略。,（K-1）,3.气体状态方程,气体往往具备较明显的压缩性和膨胀性，其密度受压强和温度的影响。对于理想气体，有,或,上式称为克拉铂龙（Clapeyron）方程。,定义：指运动流体抵抗剪切变形的能力，是流体的物理属性。,一、牛顿内摩擦定律,牛顿自然哲学的数学原理,相邻流层间产生内摩擦力，用T表示。,T,T,4.流体的粘度,实验证明，流体内摩擦力T的大小与速度法向梯度du/dy和接触面积A成正比，即,切应力,牛顿内摩擦定律,物理意义？,当h和U不大时，速度u沿其法线方向呈线性分布，即,为两物面间的速度差与间距的比值,1.速度法向梯度与角变形速度,上式说明T的大小与流体的角变形速度成正比。,牛顿内摩擦定律相关内容的几点说明：,2.动力粘度和运动粘度,温度是影响流体粘度的主要因素，液体的粘度随温度升高而减小，气体的粘度却随温度升高而增大。,（m2/s）,运动粘度：,为什么？,压强对流体粘度的影响很小，一般可以忽略不计。,3.压强、温度对粘度的影响：,牛顿内摩擦定律相关内容的几点说明：,动力粘度：,粘度反映流体粘性的大小,（Pas）,二、牛顿流体与非牛顿流体遵守牛顿内摩擦定律的流体称为牛顿流体。,哪些是牛顿流体？,三、实际流体与理想流体实际流体都具有粘性。理想流体：忽略粘性的假想的流体，其粘度为零。理想流体的提出可以简化流体力学问题的分析和计算。,例1.动力粘度0.172Pas的润滑油充满在两个同轴圆柱体的间隙中，外筒固定，内径D12cm，间隙h0.02cm，试求：（1）当内筒以速度U1m/s沿轴线方向运动时，内筒表面的切应力1，如图(a)；（2）当内筒以转速n180r/min旋转时，内筒表面的切应力2，如图(b)。,（1）当内筒以速度U1m/s沿轴线方向运动时，内筒表面的切应力,（2）当内筒以转速n180r/min旋转时，内筒的旋转角速度，内筒表面的切应力为,解：内筒外径,间隙中的润滑油速度可以看成线性分布,第三节作用在流体上的力,表面力质量力,一、表面力（SurfaceForce）作用在流体块表面上，大小与作用面积成正比，包括切向力T和法向力P。,对于某点用表面应力(简称应力)表示：,压应力（或压强）,法向力应沿作