第1章1.1 流体力学

1、n1.1 流体力学概述及流体的基本性质n1.2 流体静力学n1.3 流体动力学基本原理n1.4 流动阻力n1.5 一元流动工程应用分析n1.6 流体机械第一章 流体力学返 回n1.1.1 流体力学概述n1.1.2 流体的基本性质n1.1 流体力学概述及流体的基本性质返 回n1. 什么是流体力学？（了解）n2流体力学是怎样发展起来的(发展历程)？（了解）1.1.1 流体力学概述返 回流体力学定义n流体 fluidn通常是指液体和气体的总称n流场 fluid field n流体所占据的空间称为流场，流场中所对应的各种物理量在空间上的分布规律称为相应的物理量场（如速度场、压力场、密度场等）返 回下一

2、页流体力学定义n流体力学 fluid mechanicsn力学的一个分支，主要研究在各种力的作用下，流体本身的静止状态和运动状态以及流体和固体界壁间有相对运动时的相互作用和流动规律的科学n工程流体力学 fluid mechanics of engineeringn特别强调工程应用性的流体力学，主要研究工业过程中常见的流动现象和流动设备的规律，并以能解决实际问题为其基本目标。返 回上一页流体力学发展简史n古代流体力学n大禹治水、疏通江河；秦朝李冰父子修建都江堰；古罗马城市供水；水车等是人类早期认识、研究流体运动规律并驾笃、利用流体运动的典型范例n阿基米德 Achimedes(公元前287-212

3、) 古希腊科学家n贡献：建立了包括物体浮力定律和浮体稳定性在内的液体平衡理论，奠定了流体静力学的基础。是流体力学学科形成的第一创始人。返 回下一页流体力学发展简史n达 芬奇 Leonardo da Vincin公元1452-1519 15世纪意大利文艺复兴时期著名艺术家、科学家、工程师n贡献：首次较系统地观察研究了水波、管流、水力机械、鸟的飞翔等流体动力学原理，进行了大量的工程实践活动，1493年首次根据鸟的飞翔原理设计出一飞行器。返 回下一页上一页流体力学发展简史n牛顿 Isaac Newtonn公元1642-1727 伟大的英国物理学家、数学家、天文学家n贡献：确立了粘性流体摩擦阻力的基本

4、规律-牛顿内摩擦定律，从而奠定了粘性流体动力学基础。返 回下一页上一页流体力学发展简史n伯努利（丹尼尔第一.伯努利）Daniel Bernoullin公元1700-1782 瑞士科学家 （其祖、父、弟、子皆为著名科学家，科学史称伯努利家族）n贡献：1738年建立了流体动力学最有应用价值的基本方程伯努利方程。返 回下一页上一页流体力学发展简史n欧拉 Leonhard Eulern公元1707-1783 瑞士数学家、力学家（是Daniel Bernoulli 父亲的弟子）n贡献：1736年建立了理想流体运动微分方程及其解，从而奠定了理想流体动力学基础返 回下一页上一页流体力学发展简史n纳维 Cla

5、ude-Louis-Marie-Henri Naviern1785-1836 法国力学家、工程师n贡献：1821年推广了欧拉理想流体运动微分方程，考虑流体粘性建立了用于实际粘性流体的运动微分方程（只含一个粘性系数）n斯托克斯 George Gabriel Stokes n公元1819-1903 英国数学家、力学家n贡献：1845年改进了纳维粘性流体的运动微分方程，建立了含有两个粘性常数的粘性流体运动微分方程，称为纳维-斯托克斯方程，奠定了近代流体力学的基础返 回下一页上一页流体力学发展简史n雷诺 Osborne Reynoldsn公元1842-1912 英国力学家、工程师n贡献：1883年通过

6、对管流流动状态的实验观察研究，首次发现流体两种流动状态-层流和紊流，同时建立了流动现象相似的规律-只要管流的雷诺数相等的两个流动现象是相似的。返 回下一页上一页流体力学发展简史n普朗特 Ludwig Prandtln公元1875-1953 德国力学家n贡献：1904年建立了边界层理论，将当时流体力学两个互不相通的方向（数学理论流体力学和实验流体力学）结合起来，从而奠定了现代流体力学的基础。此外在空气动力学、紊流理论研究也作了开创性的贡献返 回下一页上一页流体力学发展简史n冯.卡门 Theodore von Karmann公元1881-1963 美籍匈牙利力学家n贡献：建立了卡门涡街、升力面等理

7、论，20世纪初在他的推动下，空气动力学从流体力学发展出来形成了独立的力学分支。我国三大力学家郭永怀、钱学森、钱伟长是他的学生。返 回下一页上一页流体力学发展简史n六十年代后期，逐渐形成流体力学与其他学科交叉的分支学科n与计算机结合的计算流体力学。n与生物力学交叉的生物流变学n与电磁力学交叉的磁流体力学n与化学变化、物理变化相结合的物理-化学流体动力学。返 回上一页n1什么是流体连续性性质？(掌握)n2什么理想气体性质？（了解）n3什么是流体的惯性性质？（了解）n4什么是流体的重力性质？（了解）n5什么是流体的可压缩性、热胀性？根据此性质可将流体力学分为哪两种？（掌握）n6什么是流体的易变形性质

8、？（掌握)1.1.2 流体的基本性质返 回n7什么是流体的粘性性质？它是如何产生的？对流体运动会产生什么影响？（掌握）n8什么是牛顿内摩擦定律？它有何意义和用途？（掌握）n9什么是流体的粘性系数和运动粘度？它有哪些基本特性？（掌握）n10.作用在流体上的力是如何分类的？（掌握）n11如何应用牛顿内摩擦定律分析解决实际问题？（了解）1什么是流体连续性性质？(掌握)n流体质点概念返 回下一页PVm V V Vm 3VR zyxn定义：能够表现某空间位置流体宏观上的统计平均特性（密度、压力等）的最小流体微团称为流体的质点n大小：通常用质点半径描述n流体连续性假设 (continuous hypoth

9、esis) n流体是由连续排列的流体质点所构成的n在充满连续性流体介质的空间，流体有关的物理参数不仅是空间和时间的连续函数而且是连续可微的函数n适用条件n研究对象的特征尺寸（如管道管径、飞机长度）远大于流体质点半径n本课程所涉及流体力学均属于连续介质流体力学返 回上一页2什么是理想气体性质？（了解）n概念n理想气体是指忽略分子大小及分子间相互作用的气体，其基本性质可分为状态性质和过程性质n状态性质：指理想气体在一定状态下各个状态参数的相互关系n过程性质：指理想气体从初态经过特定过程达到终态后，初态和终态状态参数的相互关系。返 回下一页n规律n状态性质：可由克拉贝龙方程描述返 回下一页上一页RT

10、TMRVmp P压力（压强）,Pa密度,kg/m3T绝对温度,KM气体分子量 kg/kmolR*普适气体常数 8314.3J/kmol.KR气体常数，J/kg.KMTmRTnRpV* R空气287 J/kg.KRH2=4124 J/kg.KRN2=296.2 J/kg.KRO2=259.8 J/kg.KRCO2=188.9 J/kg.Kn过程性质：返 回上一页2211 ppn等温过程：n定压过程：2211TT n定容过程：2211TpTp n绝热过程：kkpp2211 n多变过程：nnpp2211 绝绝热热指指数数）k(多多变变指指数数）n(3什么是流体的惯性性质？（了解）n概念n惯性 ine

11、rtia n是指物体保持原来静止或运动状态的性质，是物体的固有属性。n大小n惯性大小通常用物体的质量来表征，在流体力学中更关心的是单位体积的流体质量，因此在本课程中使用密度表征单位体积内流体所具有的惯性大小返 回4什么是流体的重力性质？（了解）n概念n重力性质 n处于地球引力场中的流体受到地球引力作用的性质。n重度n单位体积流体所受到的重力，表征流体重力性大小的一个参数返 回gVG 5什么是流体的可压缩性、热胀性？根据此性质可将流体力学分为哪两种？（掌握）n概念n压缩性 compression n是指流体受压体积缩小、密度增加的性质n热膨胀性 thermal expansion n是指流体受热

12、体积膨胀、密度减小的性质n大小n通常用压缩系数和热膨胀系数分别表示流体压缩性和热膨胀性的大小返 回下一页返 回dpddpdVV 11上一页n压缩系数coefficient of compression n定义下一页n物理意义：单位压力变化所产生的体积变化率n特征分析n水的压缩系数(0,参见教材表1-3)压强压强( (atmatm) )5 5101020204040808010109 9m m2 2/N/N0.5380.5380.5360.5360.5310.5310.5280.5280.5150.515返 回上一页下一页n理想气体的压缩系数n=1/p(等温压缩)n结论n一般液体流动可忽略其可压

13、缩性n气体低速流动(即常温状态下气体流动速度大约不超过100m/s)，气体的压缩性可忽略返 回dTddTdVV 11上一页n热膨胀系数Coefficient of thermal expansion n定义n物理意义：单位温度变化所产生的体积变化率n特征分析n水的热膨胀系数大约为万分之一到七n理想气体的热膨胀系数1/T(常温下约3/1000)n结论n一般液体的热膨胀性可忽略n气体流动过程温差变化不大时，热胀性可忽略n不可压缩流体 incompressible fluid n压缩系数、热膨胀系数为零的流体。n本课程主要讨论不可压缩流体流动规律6什么是流体的易变形性质？（掌握)n易变形性性质 ea

14、sy morphotropy n所谓流体的易变形性质是指流体具有以下特征：n流体没有确定形状，其形状取决于与流体接触的边界（这是流体与固体最直观的差别）n一般地要将流体一分为二几乎不用做功（固体则不然）n流体在切应力作用下将发生连续变形（固体在切应力作用下发生确定的变形，这是流体与固体主要的力学性质的差别）n流体定义：n在任何微小剪切力作用下均发生连续变形的物质称为流体返 回下一页连续变形返 回下一页7什么是流体的粘性性质？它是如何产生的？对流体运动会产生什么影响？（掌握）n粘性 viscosityn概念n流体质点间或流层间发生相对运动时自动产生一内摩擦力以抵抗这种相对运动，流体所具有的这种性

15、质称为流体的粘性n产生原因n对气体: 分子之间的相互作用；气体分子作热运动n对液体: 液体微观粒子或离子团间相互作用返 回上一页下一页n对流动的影响n由于粘性流体在流动过程中将产生内摩擦力，从而引起流体机械能耗散为热能，直至流体机械能耗尽而终止流动，所以要维持流体的流动就必须不断地从外界补充相应的机械能。n由于粘性的存在，对物面附近的流动将产生重大影响，向物面方向靠近，流体相对于物面的运动速度将逐渐降低直至物面处为零返 回上一页8什么是牛顿内摩擦定律？它有何意义和用途？（掌握）n实验n牛顿进行了两个平板之间较薄夹层流体剪切流动的实验下一页返 回FUu(yu(y) )y yx xn结论返 回yU

16、yu )(n两平板之间的速度分布为n平板给与流体的单位面积的剪切力（即切应力）与速度梯度（角变形速率）的关系为dtdUAF 比例系数，称为粘性系数上一页下一页返 回上一页n进一步实验表明，上述切应力与速度梯度的关系可推广到两无限接近的薄层，所以牛顿内摩擦定律可表示为dydu 即作用在流体上的切应力与速度梯度成正比9什么是流体的粘性系数和运动粘度？它有哪些基本特性？（掌握）n定义n粘性系数是由牛顿内摩擦定律所定义的，又称为动力粘度，是表示流体粘性大小的参数下一页返 回dydu / n物理意义n单位速度梯度所产生的剪切应力n运动粘度n在流体力学中常常以/的形式出现，所以引入名为运动粘度的参数(Pa

17、.s 或 N.s/m2) (m2/s)返 回n物理意义n单位速度梯度下移动单位质量的流体一特征距离所需耗散的功量，其因次为运动学因次，因此称为运动粘度，所表征的是流体流动性大小n性质n动力粘度是流体粘性大小度量参数，运动粘度是流体流动性大小的度量参数。n、数值大小仅与流体种类和温度有关，是流体的物性参数，因此可通过查流体物性参数表获取n气体的粘性系数随温度升高而升高n液体的粘性系数随温度的升高而降低上一页10.作用在流体上的力是如何分类的？（掌握）n概念n质量力 mass force distance forcen外界作用于流体内部每一质点上的力。无需与流体接触而施加于流体上的力，又称为远程力

18、。在流体力学中，所关心的质量力是作用于单位流体质量的质量力。n典型的质量力 ：重力 牵连惯性力等n表面力 surface forcen是相邻流体或其它物体对我们所研究对象施加的直接接触力，通常用单位面积上的表面力表面应力来表示返 回下一页n表面力分解n通常将表面力分解在两个方向上n表面法线方向n该方向上的力称为正应力，内法线方向上的力称为压应力，外法线上的力称为拉应力n基本假定：对一般流体，流体不能承受拉应力。n表面切线方向上n该方向上的力称为切应力n特性：一般地，表面力不仅是时间和空间位置的函数，而且与表面的方向有关返 回上一页11如何应用牛顿内摩擦定律分析解决实际问题？（了解） 例1-1

19、转轴直径d=0.36m,轴承长度L=1m,轴与轴承的缝隙宽=0.2mm,其中充满动力粘滞系数=0.72Pa.s的油，若轴的转速n=200rpm,求克服油的粘滞阻力所需的功率下一页返 回nLd分析：由于轴与轴承间的间隙厚度通常较小，所以可以认为间隙流体的速度分布呈线性分布（轴的径向上），且可以近似当作平板夹层内的流体运动，而流体在物面处的速度与相应的物面速度是相等的，因此可用牛顿内摩擦定律求解该问题解：下一页返 回nLd 由牛顿内摩擦定律可知间隙内的流体作用轴上的摩擦应力为 dnU nLdAF22阻阻力力 2232nLddFM阻阻力力阻阻力力矩矩nnLdMN 2232阻阻力力矩矩3233233102 . 01)60/200(36. 014. 372. 0 Lnd)(6 .57kw 上一页 例1-2 上下两平行圆盘，直径均为d，间隙