流体力学第一章绪论PPT学习教案

1、会计学1流体力学流体力学(li t l xu)第一章绪论第一章绪论第一页，共52页。 作用在流体上的力作用在流体上的力 流体的力学模型流体的力学模型第1页/共52页第二页，共52页。自然界中物质存在的形态有：固态、液体自然界中物质存在的形态有：固态、液体(yt)和气体。和气体。根据物体有没有根据物体有没有流动性流动性，可以把物体分为，可以把物体分为固体和流体固体和流体，流体又包括液体和气体流体又包括液体和气体。流动性流动性：在微小的剪切力作用下，就能连续不断的变形，即发生流动，外力停止，流动停止。：在微小的剪切力作用下，就能连续不断的变形，即发生流动，外力停止，流动停止。第2页/共52页第三页

2、，共52页。固体固体流体流体液体液体气体气体有无固定的形状有无固定的形状有有无无无无有无固定的体积有无固定的体积有有有有无无能否形成自由表面能否形成自由表面能能能能否否能否承受一定的拉力能否承受一定的拉力能能否否否否能否承受一定的剪切力能否承受一定的剪切力能能否（静止）否（静止）否（静止）否（静止）能否承受一定的压力能否承受一定的压力能能能能易压缩易压缩第3页/共52页第四页，共52页。流体力学在许多工业部门都有着广泛的应用。流体力学在许多工业部门都有着广泛的应用。流体力学遵循物质运动的普遍规律流体力学遵循物质运动的普遍规律，如：牛顿第二定律，质量守恒定律，能量守恒定律和动量守恒定律等。，如：

3、牛顿第二定律，质量守恒定律，能量守恒定律和动量守恒定律等。第4页/共52页第五页，共52页。船舶船舶(chunb(chunb)运动运动地效翼艇地效翼艇 （WIG）海 洋 平海 洋 平台台 潜器潜器 第5页/共52页第六页，共52页。南浦大桥(nn p d qio)节能型建筑(jinzh)三峡大坝第6页/共52页第七页，共52页。飞机(fij)发动机蒸汽机车(zhn q j ch)第7页/共52页第八页，共52页。气象(qxing)云图龙卷风气象(qxing)科学第8页/共52页第九页，共52页。污水净化设备(shbi)模型电厂冷却塔第9页/共52页第十页，共52页。流体力学应用广泛，已派生出很

4、多新的分支流体力学应用广泛，已派生出很多新的分支:电磁电磁(dinc)流体力学、生物流体力学流体力学、生物流体力学化学流体力学、地球流体力学化学流体力学、地球流体力学高温气体动力学、非牛顿流体力学高温气体动力学、非牛顿流体力学爆炸力学、流变学、计算流体力学等爆炸力学、流变学、计算流体力学等 20世纪中业以来，大工业的形成，高新技术工业的出现和发展，特别是电世纪中业以来，大工业的形成，高新技术工业的出现和发展，特别是电子计算机的出现、发展和广泛应用，大大地推动了科学技术的发展。由于工业子计算机的出现、发展和广泛应用，大大地推动了科学技术的发展。由于工业生产和尖端技术的发展需要，促使流体力学和其他

5、学科相互浸透，形成了许多生产和尖端技术的发展需要，促使流体力学和其他学科相互浸透，形成了许多边缘学科，使这一古老的学科发展成包括多个学科分支的全新的学科体系边缘学科，使这一古老的学科发展成包括多个学科分支的全新的学科体系(tx)，焕发出强盛的生机和活力。，焕发出强盛的生机和活力。 第10页/共52页第十一页，共52页。流体力学是人类同自然界作斗争、在长期流体力学是人类同自然界作斗争、在长期(chngq)的生产实践中发展起来的。的生产实践中发展起来的。流体力学的西方史流体力学的西方史古代流体力学的情况。古代流体力学的情况。 古希腊学者古希腊学者阿基米德阿基米德在公元前在公元前250年发表学术论文

6、年发表学术论文论浮体论浮体，第一个阐明了相对密度的概念，发现了物体在流体中所受浮力的基本原理，第一个阐明了相对密度的概念，发现了物体在流体中所受浮力的基本原理阿基米德原理。奠定了流体静力学的基础。阿基米德原理。奠定了流体静力学的基础。 第11页/共52页第十二页，共52页。16世纪以后，西方资本主义处于上升阶段，工农业生产有了很大的发展，对于流体世纪以后，西方资本主义处于上升阶段，工农业生产有了很大的发展，对于流体(lit)平衡和运动规律的认识才随之有所提高平衡和运动规律的认识才随之有所提高 。1.1 1.1 流体力学流体力学(li t l xu)(li t l xu)的的任务及其发展简史任务

7、及其发展简史 17世纪世纪(shj)牛顿研究了运动物体在流体中受到的阻力，得到阻力与流体密度、物体迎流截面积和运动速度的平方成正比的关系。他还提出粘性流体运动时的内摩擦力公式，即牛顿粘性定律。牛顿研究了运动物体在流体中受到的阻力，得到阻力与流体密度、物体迎流截面积和运动速度的平方成正比的关系。他还提出粘性流体运动时的内摩擦力公式，即牛顿粘性定律。第12页/共52页第十三页，共52页。18至至19世纪，沿着两条途径建立了流体运动的系统世纪，沿着两条途径建立了流体运动的系统(xtng)理论。理论。 第13页/共52页第十四页，共52页。gugpzgugpz222222221111第14页/共52页

8、第十五页，共52页。zpZzuuyuuxuutuypYzuuyuuxuutuxpXzuuyuuxuutuzzzyzxzyzyyyxyxzxyxxx111第15页/共52页第十六页，共52页。第16页/共52页第十七页，共52页。zzzzyzxzyyzyyyxyxxzxyxxxuzpZzuuyuuxuutuuypYzuuyuuxuutuuxpXzuuyuuxuutu222111纳维（L.Navier，17851836，法国）斯托克斯（G.Stokes，18191903，英国）第17页/共52页第十八页，共52页。第18页/共52页第十九页，共52页。第19页/共52页第二十页，共52页。QkAJ

9、第20页/共52页第二十一页，共52页。第21页/共52页第二十二页，共52页。第22页/共52页第二十三页，共52页。1.1 1.1 流体力学流体力学(li t l xu)(li t l xu)的的任务及其发展简史任务及其发展简史第23页/共52页第二十四页，共52页。Fma 第24页/共52页第二十五页，共52页。mV31000/kg m3313.6 10/kg m3/kg m0limVmdmVdV 温度与水的密度关系第25页/共52页第二十六页，共52页。GmgGmggVV第26页/共52页第二十七页，共52页。第27页/共52页第二十八页，共52页。一、粘性一、粘性(zhn xn)(z

10、hn xn)表象表象流向快层慢层yuu+dudyy流向快层慢层yuu+dudyy流体粘性示意图流体粘性示意图第28页/共52页第二十九页，共52页。2/N m第29页/共52页第三十页，共52页。二、牛顿二、牛顿(ni dn)(ni dn)内摩擦定律内摩擦定律引入比例引入比例(bl)系数为系数为dduydduy式中，式中， 为为动力粘度动力粘度，简称，简称粘度粘度。 为为流速梯度流速梯度。dduy上式即为上式即为牛顿内摩擦定律牛顿内摩擦定律，它可表述为：作层流做运动的流体，相邻流层间单位面积上所作用的内摩擦力，与流速梯度成正比，与流体的性质有关。，它可表述为：作层流做运动的流体，相邻流层间单位

11、面积上所作用的内摩擦力，与流速梯度成正比，与流体的性质有关。内摩擦力，即切应力存在内摩擦力，即切应力存在dduTAAy第30页/共52页第三十一页，共52页。粘性切应力粘性切应力(yngl)与速度梯度成正比；与速度梯度成正比；(2)粘性切应力粘性切应力(yngl)与角变形速率成正比；与角变形速率成正比；(3)比例系数比例系数 称动力称动力(dngl)粘度，简称粘度。粘度，简称粘度。duddydt()/ddudtdudtdtdydyCDBAdbadydudt牛顿内摩擦定律表明：牛顿内摩擦定律表明：(4)运动粘度运动粘度1.2 1.2 流体的主要物理力学性质流体的主要物理力学性质第31页/共52页

12、第三十二页，共52页。温度对流体粘度温度对流体粘度(zhn d)的影响很大，压强对流体粘度的影响很大，压强对流体粘度(zhn d)的影响不大，一般忽略不计。的影响不大，一般忽略不计。粘度的影响粘度的影响(yngxing)因素因素T（） (10-3Pas) (10-6m2/s)T（） (10-3Pas)(10-6m2/s)01.7921.792400.6560.66151.5191.519450.5990.605101.3081.308500.5490.556151.1401.140600.4690.477201.0051.007700.4060.415250.8940.897800.3570.

13、367300.8010.804900.3170.328350.7230.7271000.2840.2961.2 1.2 流体流体(lit)(lit)的主要物理力学性的主要物理力学性质质水的粘度随温度的变化第32页/共52页第三十三页，共52页。温度对流体温度对流体(lit)粘度的影响很大粘度的影响很大气体液体气体粘度o 温度压强对流体粘度压强对流体粘度(zhn d)的影响不大，一般忽略不的影响不大，一般忽略不计计分子热运动引起的动量交换是产生粘度的主要因素。分子热运动引起的动量交换是产生粘度的主要因素。温度温度分子热运动分子热运动动量交换动量交换内摩擦力内摩擦力粘度粘度 粘度的影响因素粘度的影

14、响因素1.2 1.2 流体的主要物理力学性质流体的主要物理力学性质第33页/共52页第三十四页，共52页。三、牛顿流体和非牛顿流体三、牛顿流体和非牛顿流体1.1.牛顿牛顿 2.2.非牛顿非牛顿 符合牛顿符合牛顿(ni dn)内摩擦定律的流体内摩擦定律的流体如水、空气、汽油和水银等如水、空气、汽油和水银等不符合牛顿内摩擦定律的流体不符合牛顿内摩擦定律的流体如泥浆如泥浆(njing)、血浆、新拌水泥砂浆、新拌混凝土等。、血浆、新拌水泥砂浆、新拌混凝土等。1.2 1.2 流体的主要物理流体的主要物理(wl)(wl)力学性质力学性质第34页/共52页第三十五页，共52页。例题例题1：一平板在油面上做水

15、平运动：一平板在油面上做水平运动(yndng)（如图所示），已知平板的运动（如图所示），已知平板的运动(yndng)速度为速度为u=40cm/s，油层的厚度，油层的厚度=5mm，油的动力粘度，油的动力粘度=0.1Pas，求作用在平板上的切应力。，求作用在平板上的切应力。 解：解：y油u因为油层的厚度因为油层的厚度很小，流层的流线分布很小，流层的流线分布(fnb)可近似看做直线分布可近似看做直线分布(fnb)，即，即duudy2400.18(/)0.5duuN mdy由牛顿由牛顿(ni dn)内摩擦定律内摩擦定律1.2 1.2 流体的主要物理力学性质流体的主要物理力学性质第35页/共52页第三十

16、六页，共52页。/pdV Vdp 压缩性用体积压缩性用体积(tj)压缩系数表示。压缩系数表示。压缩性：指流体受压压缩性：指流体受压,体积缩小体积缩小,密度增大密度增大,除去外力除去外力(wil)后能恢复原状的后能恢复原状的性质性质膨胀性：指流体受热膨胀性：指流体受热,体积膨胀体积膨胀,密度减小密度减小,温度下降后能恢复原状的性质温度下降后能恢复原状的性质1.压缩性压缩性 体积压缩系数指恒温下液体体积的相对体积压缩系数指恒温下液体体积的相对(xingdu)缩小值与压强增值之缩小值与压强增值之比。比。 压强增大时体积缩小，所以加一个负号来确保压缩率为正值。压强增大时体积缩小，所以加一个负号来确保压

17、缩率为正值。1.2 1.2 流体的主要物理力学性质流体的主要物理力学性质第36页/共52页第三十七页，共52页。/pddp 流体压缩流体压缩(y su)时其质量并不改变，故时其质量并不改变，故()0dmdVdVVddVdV 故故所谓弹性模量所谓弹性模量E，乃体积，乃体积(tj)压缩系数的倒数，即压缩系数的倒数，即1pE 水的压缩性和膨胀性很小，在一般情况下可忽略不计，只有在某些特殊情水的压缩性和膨胀性很小，在一般情况下可忽略不计，只有在某些特殊情况下，如水管阀门突然关闭时所发生的水击现象，自然循环的热水况下，如水管阀门突然关闭时所发生的水击现象，自然循环的热水(r shu)采暖系统等问题时，才

18、需考虑其水的压缩性和膨胀性。采暖系统等问题时，才需考虑其水的压缩性和膨胀性。 1.2 1.2 流体的主要物理力学性质流体的主要物理力学性质2.膨胀性膨胀性 膨胀性用体积膨胀系数表示，在一定压强下，单位温升所引起的体积膨胀性用体积膨胀系数表示，在一定压强下，单位温升所引起的体积变化率。变化率。/VdV VddTdT 第37页/共52页第三十八页，共52页。pRT 气体具有明显的压缩性和膨胀性。常用气体的密度、压强和温度气体具有明显的压缩性和膨胀性。常用气体的密度、压强和温度(wnd)三者之间的关系，相当符合理想气体状态方程，即三者之间的关系，相当符合理想气体状态方程，即 式中，式中，p-为气体为

19、气体(qt)的绝对压强；的绝对压强； T-为气体为气体(qt)热力学温度；热力学温度； R-为气体为气体(qt)常数，空气的气体常数，空气的气体(qt)常数是常数是287J/（kgK）。）。1.2 1.2 流体的主要流体的主要(zhyo)(zhyo)物理力学性质物理力学性质第38页/共52页第三十九页，共52页。一、液体的表面张力一、液体的表面张力1. 表面张力现象表面张力现象水滴悬在水龙头出口而不滴落；水滴悬在水龙头出口而不滴落；细管中的液体自动上升或下降一个高度（毛细管现象）；细管中的液体自动上升或下降一个高度（毛细管现象）；铁针浮在液面上而不下沉铁针浮在液面上而不下沉(xi chn)。2

20、. 表面张力表面张力 在液体的自由表面上，由于分子间引力作用的结果，产生了及其微小的拉力，这种拉力称之为表面张力。在液体的自由表面上，由于分子间引力作用的结果，产生了及其微小的拉力，这种拉力称之为表面张力。1.2 1.2 流体的主要物理力学流体的主要物理力学(l xu)(l xu)性性质质第39页/共52页第四十页，共52页。二、毛细管现象二、毛细管现象(xinxing) 直径很小两端开口的细管竖直插入液体中，由于表面张力的作用，管中的液面会发生上升或下降的现象直径很小两端开口的细管竖直插入液体中，由于表面张力的作用，管中的液面会发生上升或下降的现象(xinxing)，称之为毛细管现象，称之为

21、毛细管现象(xinxing)。1.2 1.2 流体的主要物理力学流体的主要物理力学(l xu)(l xu)性质性质第40页/共52页第四十一页，共52页。 如果您有任何问题如果您有任何问题(wnt)，请毫不犹豫地提出，请毫不犹豫地提出 !In case of you have any question, DO NOT hesitate to ask me !第41页/共52页第四十二页，共52页。作用在流体作用在流体(lit)上的力有两种：表面力和质量力上的力有两种：表面力和质量力一、表面一、表面(biomin)力力 应力即单位面积上的表面力。应力即单位面积上的表面力。 表面力是作用于流体的表

22、面，并与受作用的表面面积成比例的力，常表面力是作用于流体的表面，并与受作用的表面面积成比例的力，常用应力来度量。用应力来度量。0limPPnAFdFpAdA0limTTAFdFAdA1. 表面力与作用面垂表面力与作用面垂直的压应力直的压应力2. 表面力与作用面平表面力与作用面平行的切应力行的切应力隔离体受力分析隔离体受力分析第42页/共52页第四十三页，共52页。二、质量二、质量(zhling)力力 作用在每个流体质点上的力，其大小与流体质量成正比。如重力作用在每个流体质点上的力，其大小与流体质量成正比。如重力，惯性力，磁力，惯性力，磁力(cl)等。又称体积力。等。又称体积力。Ffm单位质量力

23、单位质量力xxyyzzFfmFfmFfm分别投影在三个坐标轴上分别投影在三个坐标轴上第43页/共52页第四十四页，共52页。 如果您有任何问题如果您有任何问题(wnt)，请毫不犹豫地提出，请毫不犹豫地提出 !In case of you have any question, DO NOT hesitate to ask me !第44页/共52页第四十五页，共52页。 连续介质的意义连续介质的意义(yy)欧拉欧拉避免了流体分子运动的复杂性，只需研究流体的宏观运动。避免了流体分子运动的复杂性，只需研究流体的宏观运动。可以利用数学上的连续函数来研究流体的平衡与运动规律可以利用数学上的连续函数来研究流体的平衡与运动规律。第45页/共52页第四十六页，共52页。 在流体力学中，为研究方便在流体力学中，为研究方便(fngbin)，提出了理想流体的概念。，提出了理想流体的概念。理想流体理想流体 理想流体就是把流体看作没有粘性的连续介质。而把考虑粘性的流体称为粘性流理想流体就是把流体看作没有粘性的连续介质。而把考虑粘性的流体称为粘性流体或实际流体。我们研究流体的运动时，先把流体当成理想流体进行分析体或实际流体。我们研究流体的运动时，先把流体当成理想流体进行分析(fnx)，然后再考虑粘性对粘性流体进行修正。然后再考虑粘性对粘性流体进行修正。不可压缩流体不可压缩流