工程流体力学ch1---流体及其物理性质.

1、1 工程流体力学是能源与环境工程专业学工程流体力学是能源与环境工程专业学生的主要专业基础课之一。后续的专业生的主要专业基础课之一。后续的专业课程，有很多是这门课程的综合和实际课程，有很多是这门课程的综合和实际的应用。学好这门课程，对能源、环境、的应用。学好这门课程，对能源、环境、机械、土木工程专业学生，尤为重要。机械、土木工程专业学生，尤为重要。 工程流体力学主要介绍流体的性质及其工程流体力学主要介绍流体的性质及其运动规律。学习这些知识，可以认识流运动规律。学习这些知识，可以认识流体的平衡特性，流体的流动规律，流体体的平衡特性，流体的流动规律，流体的流动形态，流体流动的阻力特性等。的流动形态，

2、流体流动的阻力特性等。2 流体力学在工业技术中有着广泛的应用，流体力学在工业技术中有着广泛的应用，热能工程、环境工程、机械工程、水利热能工程、环境工程、机械工程、水利工程、造船工业、航空航天、土木建筑、工程、造船工业、航空航天、土木建筑、冶金化工中都离不开流体力学。冶金化工中都离不开流体力学。 在热能工程中的许多实际问题，实际上在热能工程中的许多实际问题，实际上就是流体力学问题。如锅炉中的汽水循就是流体力学问题。如锅炉中的汽水循环，汽轮机的工作原理，水泵、风机的环，汽轮机的工作原理，水泵、风机的工作原理等都要用到流体力学的基本原工作原理等都要用到流体力学的基本原理，因此学好流体力学就为将来从事

3、热理，因此学好流体力学就为将来从事热能工程的技术工作打下坚实的基础。能工程的技术工作打下坚实的基础。3451.1 1.1 流体的定义和特征流体的定义和特征 一、流体的定义一、流体的定义 流体流体是一种受任何微小剪切力作用都能连续变是一种受任何微小剪切力作用都能连续变形的物质，只要这种力继续作用，流体就将继形的物质，只要这种力继续作用，流体就将继续变形，直到外力停止作用为止。续变形，直到外力停止作用为止。 固体受到剪切力作用时，仅产生一定程度的变固体受到剪切力作用时，仅产生一定程度的变形，作用力保持不变，固体变形就不再继续。形，作用力保持不变，固体变形就不再继续。 易流动性易流动性是流体的一大特

4、征。是流体的一大特征。6 二、液体和气体二、液体和气体 液体和气体是常见的流体。当液体和气体接触液体和气体是常见的流体。当液体和气体接触时，两者之间形成交界面，称为液体的时，两者之间形成交界面，称为液体的自由表自由表面面。 气体的密度大大小于液体。气体分子间的距离气体的密度大大小于液体。气体分子间的距离与分子直径相比很大，故分子间的吸引力很小。与分子直径相比很大，故分子间的吸引力很小。故它极易变形和流动，而且总是故它极易变形和流动，而且总是充满充满它所能达它所能达到的全部空间。到的全部空间。 液体分子间的距离较小，分子间的吸引力较大，液体分子间的距离较小，分子间的吸引力较大，故它不能象气体分子

5、那样自由运动，只能在周故它不能象气体分子那样自由运动，只能在周围分子作用下作无规则的振动和在分子间的移围分子作用下作无规则的振动和在分子间的移动。所以，液体的流动性不如气体。动。所以，液体的流动性不如气体。71.2 1.2 流体力学发展简史流体力学发展简史 流体力学的研究可以追溯到很远。远古时代，流体力学的研究可以追溯到很远。远古时代，箭弩的发明反映了原始人对箭头的流线型降低箭弩的发明反映了原始人对箭头的流线型降低摩阻及尾翅的稳定性问题的探索。在我国，墨摩阻及尾翅的稳定性问题的探索。在我国，墨家经典墨子中就有关于浮力规律的探讨，家经典墨子中就有关于浮力规律的探讨，其他如：北魏贾思勰的齐名要术、

6、淮南其他如：北魏贾思勰的齐名要术、淮南子、以及后来的太平寰宇记、考工记子、以及后来的太平寰宇记、考工记等都有关于流体力学问题的记载。曹冲称象、等都有关于流体力学问题的记载。曹冲称象、怀丙捞铁牛等都是利用流体力学知识的脍炙人怀丙捞铁牛等都是利用流体力学知识的脍炙人口的故事。而把流体力学真正当作一门学问来口的故事。而把流体力学真正当作一门学问来研究则是在西方。研究则是在西方。8 希腊数学家阿基米德（公元前希腊数学家阿基米德（公元前287-212287-212年）导年）导出了浮力定律，正确给出静止的粘性流体问题出了浮力定律，正确给出静止的粘性流体问题的精确解。的精确解。 文艺复兴时期，意大利著名画家

7、、科学家达芬文艺复兴时期，意大利著名画家、科学家达芬奇（奇（1452-15191452-1519）正确推导了一维不可压流动正确推导了一维不可压流动的质量守恒方程。在他的笔记中还有关于波动、的质量守恒方程。在他的笔记中还有关于波动、水跃、自由射流等流体力学问题的精确描述。水跃、自由射流等流体力学问题的精确描述。 16871687年牛顿（年牛顿（1642-17271642-1727）发表的自然哲学发表的自然哲学的数学原理对几乎所有普通流体的粘性性状的数学原理对几乎所有普通流体的粘性性状作了如下的简单描述：作了如下的简单描述：“流体的两部分（若其流体的两部分（若其他情形一样）由于缺乏润滑性而引起的阻

8、力，他情形一样）由于缺乏润滑性而引起的阻力，同流体两部分彼此分开的速度成正比同流体两部分彼此分开的速度成正比”。今天，。今天， 这种符合线性粘度规率的流体被称为这种符合线性粘度规率的流体被称为“牛顿流牛顿流体体”。91738伯努利伯努利伯努利方程伯努利方程1752达朗贝尔达朗贝尔达朗贝尔佯谬达朗贝尔佯谬1775欧拉欧拉欧拉运动方程欧拉运动方程1781拉格朗日、拉普拉斯拉格朗日、拉普拉斯复位势理论复位势理论1823-1845纳维、斯托克斯纳维、斯托克斯N-S方程方程1840泊肃叶泊肃叶泊肃叶流动泊肃叶流动1883雷诺雷诺雷诺应力雷诺应力1904-1908普朗特、布拉修斯普朗特、布拉修斯边界层理论

9、边界层理论1912冯卡曼冯卡曼冯卡曼涡街冯卡曼涡街1963洛仑兹洛仑兹混沌理论混沌理论101.3 1.3 流体的连续介质模型流体的连续介质模型 一、流体质点一、流体质点 一块体积为无穷小的微量流体，但包含为一块体积为无穷小的微量流体，但包含为数众多的流体分子，可反映大量分子运动的统数众多的流体分子，可反映大量分子运动的统计平均值。计平均值。 二、连续介质假设二、连续介质假设 将流体视为由无数连续分布的流体质点组将流体视为由无数连续分布的流体质点组成的连续介质。成的连续介质。111.4 1.4 国际单位制国际单位制International System of Units(SI)长度长度米米m质

10、量质量千克千克kg时间时间秒秒s热力学温度热力学温度开尔文开尔文K电流电流安培安培A物质的量物质的量摩尔摩尔mol发光强度发光强度坎德拉坎德拉cd121.5 1.5 流体的密度流体的密度 一、流体的密度一、流体的密度 均匀流体的密度均匀流体的密度 常用流体的密度（表常用流体的密度（表1-5、1-6）VmV0limVm13 二、流体的相对密度二、流体的相对密度 三、流体的比体积三、流体的比体积 四、混合气体的密度四、混合气体的密度1000wS1vniii1141.6 1.6 流体的压缩性和膨胀性流体的压缩性和膨胀性 一、流体的压缩性一、流体的压缩性 流体受到的压强增大，则体积缩小，称为流体受到的

11、压强增大，则体积缩小，称为流体的流体的压缩性压缩性。可用。可用体积压缩系数体积压缩系数或或体积模量体积模量表示：表示：pppKpVV1/ 液体体积压缩系数很小，例如水（表液体体积压缩系数很小，例如水（表1-7）15 气体的体积压缩系数推导气体的体积压缩系数推导 二、流体的膨胀性二、流体的膨胀性 在一定的压强下，随着温度上升，流体的在一定的压强下，随着温度上升，流体的体积膨胀，称为流体的体积膨胀，称为流体的膨胀性膨胀性。可用。可用温度膨胀温度膨胀系数系数表示：表示：TVVT/ 水的膨胀系数较小（表水的膨胀系数较小（表1-8） 气体的温度膨胀系数推导气体的温度膨胀系数推导16 三、可压缩流体与不可

12、压缩流体三、可压缩流体与不可压缩流体 任何实际流体都是可以压缩的。任何实际流体都是可以压缩的。 不可压缩流体不可压缩流体是指密度为常数的流体。是指密度为常数的流体。 液体可作为不可压缩流体。例如：当水压增加液体可作为不可压缩流体。例如：当水压增加一个大气压，体积仅缩小万分之零点五一个大气压，体积仅缩小万分之零点五 但是，在水击现象、水下爆炸等问题中，还要但是，在水击现象、水下爆炸等问题中，还要将水当作可压缩流体来处理。将水当作可压缩流体来处理。 气体可作为可压缩流体。气体可作为可压缩流体。 当气体流场中各点的密度差较小、流动马赫数当气体流场中各点的密度差较小、流动马赫数较小时，气体也可视为不可

13、压缩流体较小时，气体也可视为不可压缩流体。171.7 1.7 流体的黏性流体的黏性 一、流体黏性的例子一、流体黏性的例子当流体层间发生相对当流体层间发生相对滑移时产生切向阻力滑移时产生切向阻力的特性，就是流体的的特性，就是流体的黏性黏性。18 二、牛顿内摩擦定律二、牛顿内摩擦定律xyUFuhhUAFhAUFxydyduu udydu19 三、动力黏度三、动力黏度dydu 运动黏度运动黏度 动力黏度的影响因素动力黏度的影响因素 1、压强的影响、压强的影响 2、温度的影响、温度的影响 水和空气的黏度（表水和空气的黏度（表1-9） 常见气体、液体的黏度（表常见气体、液体的黏度（表1-11、1-12）20 四、牛顿流体和非牛顿流体四、牛顿流体和非牛顿流体塑性塑性理想理想拟塑性拟塑性胀流型胀流型弹性体弹性体牛顿流体牛顿流体dydu牛顿流体牛顿流体水、多数气体、润滑油水、多数气体、润滑油塑性流体塑性流体牙膏、凝胶牙膏、凝胶拟塑性流体拟塑性流体纸浆、高分子溶液纸浆、高分子溶液胀流型流体胀流型流体油漆、油墨油漆、油墨21 五、黏性流体和理想流体五、黏性流体和理想流体 1、实际流体都是有