流体力学(刘鹤年)-全集PPT课件

1、流体力学、2、目录、第一章绪论第二章流体静力学第三章流体力学第四章流体力学基础第五章计量纲分析和类似原理第六章流动阻力和水头损失第七章节流孔、喷嘴流出和有压管流第八章明水路流动第九章堰流第十章渗流、3、一、课的性质、目的和任务流体力学是环境工程专业的必修专业基础通过本课程的学习，让学生了解流体力学的基本概念和基本理论，学习流体力学计算的基本方法，掌握水力实验的基本操作技能，为学习后续专业课程和专业技术工作奠定基础。 二、与其他课程的联系学习本课程必须具备高等数学、大学物理、理论力学的基础，后续课程有水处理工程、大气污染控制工程、固体废物处置等。 三、课程的特点1 .要把精讲和泛讲结合起来，精讲几个重点、难点问题，如一定流的能量方程式、运动量方程式及其应用，结合练习题课、例题、问题等形式，让学生深入理解、熟练，还要使几个非重、难点问题，如小桥孔径的2、掌握基本理论和常见的工程流体力学计算能力要求并存。4，第一章绪论，本章阐述了1.1流体力学及其任务1.2流体作用力1.3流体的主要物理性质1.4牛顿流体和非牛顿流体的本章的小节，主要内容，5，本章阐述了流体力学的概念和发展的简要历史，以及流体力学的概要和应用流体力学课程的性质、目的，基本流体连续介质模型是流体力学的基础，在此假设下提出了理想流体和实际流体、可压缩流体和不压缩流体、牛顿流体和非牛顿流体的概念。6、1.1流体力学及其任务，研究对象：流体定义：流体是液体和气体的总称。 基本特征是具有流动性。 流动性是指通过流体的微小剪切力而连续变形的特性。 只要存在剪切力，流动就继续进行。 流动性是区分流体和固体的力学特征。7，2，连续介质模型，1 .问题的导出微观：流体由大量不规则运动的分子组成，分子之间存在空隙，在时间和空间上不连续，流体的物理量随时间和空间的变化而变化。 宏观：在一般工程中，研究的液体空间尺度比分子距离大得多，即考虑到宏观特性，流动空间和时间采用的所有特征尺度和特征时间都比分子距离和分子碰撞时间大得多。 2 .流体的连续介质假说a的定义：不考虑分子间的间隙，把流体看作是由无数连续分布的流体微小团构成的连续介质。 b液体微团应具备的两个条件：必须含有足够的分子的体积必须很小。 3 .采用流体连续介质假说的优点a只是避免了流体分子运动的复杂性，研究流体的宏观运动。 b可以利用教育工具研究流体的平衡和运动规律。8、理论研究方法、实验研究方法、数值研究方法互相配合，互补1 .理论研究方法力学模型物理基本法则求解数学方程式分析并阐明所引用的主要规律： (1)质量守恒定律： (2)动量守恒定律： (3) 牛顿运动第二定律： (4)机械能转换和保存规律：动能损失=Const2.实验研究方法类似理论模型实验装置的主要形式：原型观测、系统实验、模型实验3 .数值研究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一3， 流体力学的研究方法，9，1.2作用于流体的力，作用于流体的力，表面力质量力，定义：表面力：研究的流体对表面的外部力，直接作用于外表面，与表面积的大小成比例。质量力：作用于采集流体体积内的一质点的力，其大小与质量成比例，称为质量力。 用应力表示10、表面力的质量力、1.2流体上的力、11、1.2流体上的力、应力：表面力在隔离体表面的某一点的大小(集中度)。f，p，t，法向应力pA，周围流体作用的表面应力，切线应力，12，表面应力具有传递性(例如，某深度的压力随着表面压力的增大而增大)，上的平均压力，上的平均剪切应力，法向应力：切向应力：a a点的压力应力，即a点的压力，应力的单位用帕斯卡(pA )，1pa=1N/，13，2，质量，质量力的大小用单位质量力表示，设均质流体的质量为m，受到的质量力为m，单位质量力，单位为，14，单位质量力的各坐标如果作用于流体的质量力只是重力，则单位质量力X=0，Y=0，负表示质量力的方向与z轴方向相反，其中，15，1.3流体的主要物理性质主要指惯性、粘性、压缩、膨胀性、流体的基本特征，1 .物质三种状态主要指固体、液体和流体和固体的差异：根据力学分析，对外力的抵抗力不同。 a固体：压力、拉伸力、拉伸变形都能承受。 b流体：只能承受压力，一般不能承受拉伸力和拉伸变形。 液体和气体的差异： (1)气体容易压缩液体难以压缩；(2)液体有一定的体积，存在自由液面的气体充满任意形状的容器，没有一定的体积，不存在自由液面。 液体和气体的共同点：两者都有流动性，即任何微小的剪切应力都会产生变形和流动。 16、二、惯性、惯性是物体保持原始状态的性质，改变物体的运动状态必须克服惯性的作用。 质量是物质的基本属性之一，是物体惯性大小的尺度，质量越大惯性也越大。 每单位体积的流体质量称为密度，用表示，单位： kg/m3。 对于均质流体，体积为v、质量m时，为密度，对于非均质流体，密度因点而异。 取含某点的体积，该点的密度必须用极限表示，常见的密度(标准大气压下):4的水20的空气、容积重(重度)、17、3、粘性、1 .粘性的表现，上板牵引附着在板上的层的运动，影响内部各层的运动，内部各层之间有剪切力、 由此可以看出粘性时流体的内摩擦特性。18，2 .牛顿内摩擦定律，a定义了：牛顿内摩擦规律：流体运动时，相邻流层间产生的剪切应力与剪切变形的速度成正比。 即，用应力表示，-粘性剪切应力是每单位面积的内摩擦力。 说明：1)流体的剪切应力与剪切变形率或角变形率成比例。 2 )流体的剪切应力与动力粘度成比例。 3 )相对于平衡流体dr/dt=0，因为理想流体=0，所以不产生剪切应力，即=0。 从上图可以看出，19、b .速度梯度的物理意义：从右图可以看出，速度梯度、剪切变形率(剪切变形速度)、剪切变形率，流体和固体在摩擦规则上完全不同。20、c粘度，1)是比例系数，称为动力粘度，单位为“pas”。 动力粘度是流体粘性大小的尺度，的值越大，流体越粘，流动性越差。 2)是运动粘度：因为粘度和密度是液体的内在性质，分析粘性流体的运动规律时，和总是以比的形式出现，将其定义为流体的运动粘度。单位： m2/s和加速度的单位，说明：1)气体的粘度不受压力影响，液体的粘度也很小。2 )液体的粘度随着温度的增加而减少，气体的粘度随着温度的增加而增大。 (参见P7水的粘度和空气的粘度)、微观机理：液体吸引力T、气体热运动t、动力粘度、运动粘度、21、d无粘性流体、无粘性流体、即=0的液体。 没有粘性的液体实际上不存在，只不过是简化物性的力学模型。 因为没有粘性的流体不考虑粘性，所以流动的分析大幅度简化，容易得到理论的分析结果。 其结果，对于粘性的影响少的流动，实际上能够很好地匹配的不能忽略粘性的影响的流动，能够通过实验修正，能够比较容易地解决实际的流动的问题。22，例1-1 .底面积40cm45cm，高度1cm的木头块，质量5kg，沿涂了润滑油的斜面等速向下运动。 已知以速度v=1m/s、=1mm求出润滑油的运动粘度系数. 解：设木块受到的摩擦力为t。 1222222222喀嚓喀嚓喀嚓喀嚓喀嚓喀嚓喀嚓喀嚓喀嚓喀嚓喀嚓喀嚓喀嚓喀嚓喀嚓喀嚓喀嚓喀嚓喀嚓喀嚓喀嚓喀嚓喀嚓6 t一定，dp变大，dv变小(2)热膨胀性：流体受热，体积膨胀，密度变小，温度下降后原来的p一定，dT增大，dV增大，2 .液体的压缩性和热膨胀性液体的压缩系数o和体积弹性模量k液体的压缩系数o在一定的温度下压力增加1个单位，表示体积的相对缩小率。 是某温度下体积的相对减少值和压力增加值的比。 液体的原体积为v，压力增加dP后，体积变化为dV，压缩系数为：液体的受压体积减少，因此dP和dV的异常信号为正，其值越大，越容易压缩。 R的单位是“1/Pa”。 由于.25、增压前后的质量没有变化，体积弹性模量k用压缩系数的倒数k表示，单位为“Pa”，例如水的压力增加1个气压的情况下，水的密度增大多少？ 解，一般认为水的压缩系数一定，约为510-101/Pa。 dP=1105。 d/=510-5=1/20000、26、(2)液体的热膨胀系数，在一定的压力下温度增加1度，表示体积的相对增加率。 使液体的体积增加v，温度增加dT后，使体积增加dV，使热膨胀系数为“1/K”或“1/”，在一定压力下，体积的变化速度与温度成正比。 由表1-5和表1-6可知，水的压缩系数和热膨胀系数都很小。 例活塞加压，缸内液体压力为0.1MPa时，体积为1000cm3，压力为10MPa时，体积为995cm3。 求出液体的体积弹性模量。27、3 .气体的压缩性和热膨胀性，气体具有显着的压缩性，一般来说，常用气体(如空气、氮、氧、CO2等)的密度、压力和温度三者之间符合完全气体状态方程式，即理想气体状态方程式，式中： P气体的绝对压力在气体的密度(Kg/cm3) T气体的热力学温度(k) R气体常数标准状态下，m为气体的分子量，空气的气体常数R=287J/Kg.K。 适用范围：如果气体接近高压力、低温度或液体，则不适用。 根据流体的分类、a流体受压体积的缩小性质，流体被分为可压缩流体(compressibleflow ) :流体密度根据压力的变化而不可忽视的流体(Const )。 不可压缩流体(incompressibleflow ) :流体密度随压力的变化很小，流体密度可以视为一定的流体(=Const )。 注： (a )严格来说，不存在不能完全压缩的流体。 (b )一般来说液体可以视为不可压缩的流体(发生水击的情况除外)。 (c )对于气体，压力的强变化相对较小时，可视为非压缩流体。 (d )管道中压降大时，作为可压缩流体。根据b流体是否具有粘性，实流体：指具有粘度的流体，运动时有抵抗剪切变形的能力，即存在摩擦力，粘度0。 理想流体：无粘性(=0)，完全无法压缩(=Const )流体，运动时无法抵抗剪切变形。 29、例汽车出发时，轮胎内空气的温度为20，绝对压力为395KPa，行驶后轮胎内空气的温度上升到50，求出了当时的压力。 解：在温度从20增加到50的过程中，轮胎的体积变化很小，如果可以忽略的话，在该过程中也是常数。 理想的气体状态方程式，30，1.4从牛顿流体和非牛顿流体，一方面，所谓牛顿流体，是指任意点的剪切应力和剪切变形速度处于线性函数关系的流体，也就是遵循牛顿内摩擦定律的流体为牛顿流体(水，大部分的轻油，气体等)。 流变曲线，31，2，非牛顿流体，不符合牛顿内摩擦规律的流体称为非牛顿流体，塑性流体克服初始应力0后，与速度梯度成比例(牙膏、水泥砂浆、中浓度的悬浮液等)，32，du/dy o，也称为伪塑性流体，伪塑性流体3354的增加率随着du/dy的增加而下降(高分子溶液、纸浆、血液等)，33，膨胀型流体的增加率随着du/dy的增加而增加(淀粉糊、夹砂的水流)，34，35，本章为止1 .流体力学的任务是通过研究流体的宏观机械运动，提出了流体流动性的概念，即流体静止时，不能抵抗剪切变形，在任何微小的剪切应力下都会发生变形和流动。 同时引入了连续介质模型的假设，把流体看作是无空隙的连续介质，流体中的所有物理量(如速度u和密度)都可以看作是时空的连续函数，可以把函数理论作为分析工具。 2 .流体的压缩性一般可以用体积压缩率和体积弹性模量来描述，通常在压力变化不大的情况下，可以视为非压缩流体。 36，3 .粘性是流体的主要物理性质，流动流体抵抗剪切变形的性质，不同的流体粘性的大小可以通过动力粘度或运动粘度v来反映。 其中温度是粘度的影响因素：随着温度的升高，气体粘度上升，液体粘度下降。 4 .牛顿内摩擦规律表示流体的剪应力的大小与速度梯度、角变形率和剪切变形率成比例，这是流体与固体(与固体的剪应力和剪切变形的大小成比例)区别的重要特性。 根据是否遵循牛顿内摩擦定律，可以将流体分为牛顿流体和非牛顿流体。37、38、第二章流体静力学，2-1静止流体的静压及其特性2-2流体平衡微分方程2-3重力场中的流体静压的分布规则2-4流体的相对平衡2-5液体作用于平面的总压力2-6液体作用于曲面的总压力，主要内容，39、流体静力学是流体在外力的作用下处于平衡状态的规则及其这里所说的静止，有绝对静止和相对静止两种。 如果以地球为惯性基准坐标系，流体相对于惯性坐标系静止，则称为流体处于绝对静止状态的流体相对于非惯性基准坐标系静止，则称为流体相对静止。 流体