流体力学chap.1绪论课件

1、1.1 流体力学的研究任务及工程应用流体力学的研究任务及工程应用1.2 流体力学的历史发展流体力学的历史发展1.3 流体的连续介质模型流体的连续介质模型1.4流体的基本物理力学性质的基本物理力学性质1.5 作用在流体上的力作用在流体上的力 1.6 解决流体流动问题的基本方法解决流体流动问题的基本方法流体流体(fluid),(fluid),包括包括液体液体和气体，我们强调水动力学和气体，我们强调水动力学 1.1.1 任务：任务：流体运动规律及其应用1.1.2 应用：天体演化、气象、水利及土木工程、航空、航天、航海、造船、机械、交通、矿山、化工,远着天际，近在自身。主要解决如下问题： （1）作用力

2、问题（2）过流能力问题（3）机械能、机械能损失及机械效率问题（4）阻力及机械能消耗问题（5）流动分布及运动学问题（6）多孔介质内流动问题（7）波动问题（8）流固耦合振动问题（9）传质、传热问题1.2流体力学的历史发展1.2.1 萌芽阶段（17世纪以前）4000多年前的大禹治水大禹治水；阿基米德阿基米德约公元前287年- - 公元前212年公元前256-前210年间修建了：都江堰都江堰（李冰）（李冰）、 郑国渠郑国渠、灵渠灵渠三大水利工程北宋（960-1126）时期，在运河上修建真州船闸真州船闸潘季顺潘季顺（1521-1595）明朝的水利家，提出了筑堤防溢，建坝减水，以堤束水，以水攻沙“和”借清

3、刷黄“的治黄原则治黄原则，并著有两河管见、两河经略和河防一揽都江堰都江堰宝瓶口鱼嘴分水堤陕西，秦郑国渠公元前237年泾水和洛水穿凿的一条大型灌溉渠道广西广西灵渠灵渠1.2流体力学的历史发展1.2.2 理论创建阶段（18世纪）牛顿牛顿 1642-1727年伯努利伯努利 （Daniel Bernoull，1700-1782）欧拉欧拉（Leonhard Euler ，1707-1783拉格朗日拉格朗日（J-L.Lagrange，173618131.2流体力学的历史发展1.2.3 发展成熟阶段（19世纪） 纳维（L.Navier，17851836，法国） 斯托克斯（G.Stokes，18191903，

4、英国） 雷诺（O.Reynolds，18421912，爱尔兰）1.2流体力学的历史发展1.2.4 现代发展（进入20世纪后）普朗特（L.Prandtl，18751953，德国）卡门（V.Karman，18811963，美国）周培源（19021993)。江苏宜兴人。理论学家、流体力学家。质点质点模型：质点质点没有大小只有质量，由于没有尺寸，看不到旋转，无法完整表达流体运动特征。流体微团流体微团模型：在几何上几何上可将流体微团理解为微分微分元素元素（微分尺寸）（微分尺寸），在物理上物理上可将流体微团理解为微观上看这个尺度为无穷大，但在宏观上看这个尺度又足够小（无穷小）的一团流体团流体。连续介质：流

5、体微团（或质点）间无间隙，（连续域）V0m= limV （1）流体的易流动性 （2）流体的可压缩性（3）流体的粘性（4）流体的惯性与万有引力特性（5）液体的表面张力特性（6）液体的汽化特性 理想流体理想流体 按有无粘性按有无粘性 牛顿流体牛顿流体 粘性流体粘性流体 非牛顿流体非牛顿流体 可压缩流体可压缩流体按受压体积是否变化按受压体积是否变化 不可压缩流体不可压缩流体 运动流体具有抵抗剪切变形的能力，这种抵抗体现在限制剪切变形的速率而不是大小上， 这就是粘滞性。流体持续变形以变形速率表述FF变形为常量流体具有易流动性：持续不断的变形流动：静止时不能受剪，微风也生涟漪。定义：温度不变，流体的体积

6、随压强增加定义：温度不变，流体的体积随压强增加 而缩小为流体的压缩性。而缩小为流体的压缩性。 是指温度不变时压强增加一个单位所引起是指温度不变时压强增加一个单位所引起的流体体积相对缩小量，即：的流体体积相对缩小量，即： K K称为称为体积摸量体积摸量K愈大愈不易压缩，K= 绝对不可压缩，温度为温度为1515o oC C时，通常可取水的时，通常可取水的K K值为值为19611961M Ma a1KdVV dp 因为因为dVdV Kdpd 牛顿平板试验牛顿平板试验( )Uu yyhUFAh11=FF F1F1Fu=Uu=0dyu+ duu（3）流体的粘性U=ConstFF 充满静止流体充满静止流体

7、FduAdy 粘性切应力与速度梯度成正比粘性切应力与速度梯度成正比称比例系数称比例系数 动力粘性系数动力粘性系数，或称或称粘度粘度。n讨论讨论: 对于此种速度分布的情形，不同地方的切应对于此种速度分布的情形，不同地方的切应力是否相等？力是否相等？u=0u=Udyu+ duu（3）流体的粘性FUAh讨论讨论: 对于此种线性速度分布的情形，不同地对于此种线性速度分布的情形，不同地方的切应力是否相等？方的切应力是否相等？u=0u=Udyu+ duu动力粘性系数动力粘性系数Dynamic viscosity 物理常数（物性常数）物理常数（物性常数）NSNSm masasLLT , T , 单位单位 /

8、 / 、c c气体气体：温度上升：温度上升, , 升高升高 液体液体: : 温度上升，温度上升，下降下降与温度的关系与温度的关系运动粘性系数运动粘性系数 (Kinematic viscosity)压力的变化对压力的变化对的影响不大的影响不大(1)(1)液体之间的粘性力主要由分子内聚力形成液体之间的粘性力主要由分子内聚力形成(2)(2)气体之间的粘性力主要由分子动量交换形成气体之间的粘性力主要由分子动量交换形成粘性产生的原因粘性产生的原因粘性流体和无粘性流体粘性流体和无粘性流体无粘性（理想）流体无粘性（理想）流体0 0在固体表面上发在固体表面上发生相对滑移生相对滑移在固体表面上其流速在固体表面上

9、其流速与固体的速度相同与固体的速度相同粘性粘性( (实际实际) )流体流体0 0相互接触的流体层之相互接触的流体层之间有剪切应力作用间有剪切应力作用（壁面不滑移条件）（壁面不滑移条件） L2 2 /t 单位：单位： m2 2 /s cm2 2 /s粘性系数粘性系数：与流体物性有关的物理常数与流体物性有关的物理常数 运动粘性系数运动粘性系数：Ft/Ft/ L2 2 单位：单位：N Ns s2 2帕帕秒秒a as sd ud y牛顿流体牛顿流体： 如空气、水、汽油、煤油、甲醇、乙醇、甲苯如空气、水、汽油、煤油、甲醇、乙醇、甲苯非牛顿流体非牛顿流体：作用于点处单位面积力为作用于点处单位面积力为: :

10、 1.5 .1 表面力表面力00lim=lim=nnAAFdFpAdAFdFAdA dAdFdFndFzyx1.5 作用在流体上的力nndFpdFp dAdA ， 沿法向和切向分解为：沿法向和切向分解为：1.5 作用在流体上的力1.5 .2质量力（体积力）质量力（体积力） 单位质量力单位质量力:MMM000lim,lim,limyxzmmmFFFXYZmmm，MmxyzdFfifjfk fiXjYkZd 其大小与流体质量（或体积）成正比的力，其大小与流体质量（或体积）成正比的力，称为质量力称为质量力 。例如。例如重力重力、电磁力（磁流体）、电磁力（磁流体）以及以及惯性力惯性力等均属于质量力。等

11、均属于质量力。MF MVFfdV 总质量力总质量力: (1.5-2)重力：重力： , ,，惯性力：惯性力：由 令： （ DLambert原理） 将 纳入 ， （理论力学中的动静法） 称 为惯性力，大小为 m a，方向与加速度反向。FmaIFma I0FFIFFIFma ,XYZxyz-()()fgradijkxyz - ( x , y , z , t )其中：ijkxyz (1.5-8)是矢量微分算子，称为直角坐标系中的Hamilton算子dz)dxdydzXdxYdyZdxyz-(若已知单位质量力各分量，则：质量力势函数可用下式积分求得 (1.5-9)(1.5-8)使：质量力有势存在质量力势

12、函数 或重力是最常见的有势力（保守力），在z轴铅直向上的直角坐标系中，单位质量重力为： 代入式(1.5-9)得：积分该式 (1.5-10)0 0 fijgk dz)z=dgzXdxYdyZdgd-(（）gz加速度为常数： ，惯性力的单位质量力 ，与重力迭加后单位质量力为：将 的各分量代入式(1.5-9)得：xyzaiajakaa()xyzfiajak ag dz)() z =d(+g)zxyzxyzXdx YdyZda dx a dyag da x a ya-(积分得质量力势函数：(g)zxyza xa ya ( (1.5-11a)2222rcos r,x)rSin(r,x)0 aijkixjy (22fixjykg222222dz)=-d(/ 2/ 2)=d(/ 2)XdxYdyZdxygzgzr -(2222()=22rrg zgzg (1