材料工程基础课件：1-1 流体力学的基本性质

1、第一章、流体力学及流体输送设备返回 1.1、概述 1.2、流体静力学 1.3、流体动力学基础 1.4、流动流动的阻力和能量损失 1.5、管路计算基础 1.6、相似理论 1.7、流体输送设备（风机与泵）1 1.1、概述1.1.1流体的概念 （了解） 1.1.2流体力学的研究内容、方法（了解） 1.1.3 流体力学的发展过程 （了解） 1.1.4 流体的主要物理性质 （掌握） 1.1.5 流体的主要模型（熟悉） 21.1.1流体的概念 （1） 什么是流体（fluid） ？能够流动的物体，指液体和气体的总称。从力学角度来说，流体在受到微小的剪切力作用时，将连续不断地发生变形(即流动)，直到剪切力的作

2、用消失为止。所以，流体可以这样来定义：在任何微小剪切力作用下能够连续变形的物质叫作流体。 (2) 什么是流场fluidfield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），即具有流向的物理场。返回流体与固体有何区别?3（3）什么是流体力学(Fluid Mechanics) ？流体力学是力学的一个独立分支，是研究流体宏观运动的一门科学。即：研究流体平衡和运动规律的科学。流体静力学流体动力学（4）工程流体力学fluidmechanicsofengineering 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

3、和流动设备的规律，并以能解决实际问题为其基本目标。41.1.2、流体力学研究的内容及方法有哪些？1、研究内容：流体静力学的基本规律：研究压强的分布规律；流体动力学的基本规律：如质量、动量、能量平衡应遵循的规律，具体体现是连续性方程、伯努利方程及其应用，动量守恒方程了解；流体在通道内的运动特征：如速度分布、压强分布、能量损失等；流体同固体间的相互作用。 2、研究方法：实验方法、理论分析方法、数值计算方法返回51.1.3 流体力学的发展过程如公元前2286年公元前2278年如：大禹治水 公元前300多年 李冰-都江堰 (秦朝) 隋朝：南北大运河 是人类早期认识、研究流体运动规律并驾笃、利用流体运动

4、的典型范例返回第一阶段（16世纪以前）：流体力学形成的萌芽阶段6流体力学进行系统的研究：古希腊哲学家阿基米德论浮体 奠定了流体静力学的基础阿基米德Achimedes(公元前287-212)古希腊科学家贡献：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。返回后一页前一页7达芬奇 LeonardodaVinc（1452-1519 ）15世纪意大利文艺复兴时期著名艺术家、方法：实验研究贡献： 首次较系统地观察研究了水波、管流、涡旋、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，在米兰附近建了第一个小型水渠； 1493

5、年首次根据鸟的飞翔原理设计出一飞行器。科学家、工程师 8第二阶段（16世纪文艺复兴以后-18世纪中叶）流体力学成为一门独立学科的基础阶段1586年斯蒂芬 水静力学原理1650年帕斯卡 “帕斯卡原理”1612年伽利略 物体沉浮的基本原理1686年牛 顿 牛顿内摩擦定律1738年伯努利 理想流体的运动方程即伯努利方程1775年欧拉 理想流体的运动方程即欧拉运动微分方程返回9贡献：确立了粘性流体摩擦阻力的基本规律-在原理一书讨论了阻力、波浪等问题， 提出著名的“牛顿内摩擦定律”，从而奠定了粘性流体动力学基础。 牛顿 Isaac Newto公元1642-1727伟大的英国物理学家、数学家、天文学家 返

6、回10伯努利（丹尼尔.伯努利）DanielBernoulli 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）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，写有流体动力学等返回11欧拉LeonhardEuler （1707-1783,瑞士）是DanielBernoulli父亲的弟子 贡献：1775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12第三阶段（18世纪中叶-19世纪末）流体力学沿着两个方向发展欧拉（理论）、伯努利（实验）工程技术快速发展，提出很多经验公式1732年毕托毕托管 （测流速）1797

7、年文丘里文丘里管（测流量）理论1823年纳维，1845年斯托克斯分别提出粘性流体运动方程组（N-S方程）返回13纳维Claude-Louis-Marie-HenriNavier 1785-1836法国力学家、工程师 贡献：1823年推广了欧拉理想流体运动微分方程，考虑流体粘性，建立了用实际粘性流体的运动微分方程（只含一个粘性系数）返回14斯托克斯（GeorgeGabrielStokes） 公元1819-1903英国数学家、力学家 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(N-S)，奠定了 近代流体力学的基础 返回

8、15第四阶段（19世纪末以来）流体力学飞跃发展理论分析法与试验研究法相结合量纲分析和相似性原理起重要作用1883年雷诺雷诺实验（判断流态）1904年普朗特边界层概念（绕流运动）1933-1934年尼古拉兹尼古拉兹实验（确定阻力系数）流体力学与相关的邻近学科相互渗透，形成很多新分支和交叉学科返回16雷诺（O.Reynolds，18421912，爱尔兰人，英国力学家、工程师 ） 贡献：1883年通过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17普朗特（L.Prandtl，公元18751953，

9、德国力学家 ） 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、紊流理论研究也做 了开创性的贡献“边界层理论”为标志。返回18冯.卡门TheodorevonKarma 公元1881-1963美籍匈牙利力学家 贡献：建立了卡门涡街、升力面等理论， 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19六十年代后期，逐渐形成流体力学与其他学科交叉的分支学科近代流体力学发展计算技术电子技术：实验手段更

10、新实验流体力学数值计算方法计算流体力学计算机技术 与生物力学交叉的生物流变学 与电磁力学交叉的磁流体力学 与化学物理变化相结合的物理-化学流体动力学。返回201.1.4 流体的主要物理性质作用在流体上的力是如何分类的？（掌握）流体的主要力学性质 正确理解流体的主要性质； 重点掌握流体的粘滞性的相关概念及 牛顿内摩擦定律； 掌握流体的易变形性； 掌握流体的热胀性、可压缩性。 惯性、重力性质、压缩性和热胀性 粘滞性和易变形性基本要求基本内容21主要内容1什么是流体连续性性质？(掌握)2作用在流体上的力是如何分类的？（掌握）3什么是流体的惯性性质？（了解）4什么是流体的重力性质？（了解）5什么是流体

11、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）6什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） 7什么是牛顿内摩擦定律？它有何意义和用途？（掌握）8什么是流体的粘性系数和运动粘度？它有哪些基本特性？（掌握）9什么是流体的易变形性质？（掌握)221什么是流体连续性性质？(掌握)流体质点概念返 回下一页Pzyx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大小：通常用质点半径描述23流体连续性假设 (continuous hypothesis) 流体是由连续排列的流体质点所构成的在充满连续性流体介质的空间，流体

12、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适用条件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本课程所涉及流体力学均属于连续介质流体力学返 回242、作用在流体上的力是如何分类的？P9（掌握） 质量力（1）定义：作用于流体的每一个流体质点上的力，与流体所具有的质量成正比。无需与流体接触而施加于流体上的力，又称为远程力。（2）常见的质量力：重力、惯性力(如：离心力)（3）流体力学更关心单位质量力(X、Y、Z) 指作用于单位质量流体上的质量力 单位重力：25 表面力：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。

13、 通常将表面力分解在两个方向上 表面法线方向 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 基本假定：对一般流体，流体不能承受拉应力。 表面切线方向 该方向上的力称为切应力 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FAPnT26惯性：惯性就是物体维持原来静止或运动状态的物理性质 ，是物体的固有属性。 惯性的大小用质量来度量， 在流体力学中更关心流体单位体积的质量即用密度来描写单位体积内流体所具有的惯性大小。3、什么是流体的惯性？（掌握）274、什么是流体的重力特性？（了解）重力：流体受到地球引力作用的性质。 流体力学中常用重度表示重力特

14、性。重度指单位体积流体具有的重力， 以 表示。285、什么是流体的压缩性和热胀性？（掌握）概念：压缩性：指流体受压体积缩小、密度增加的性质 热膨胀性：指流体受热体积膨胀、密度减小的性质大小：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 压缩系数： 压缩性系数物理意义：单位压力变化所产生的体积变化率。 水的压缩系数（0）压强(atm)510204080109m2/N0.5380.5360.5310.5280.51529气体的压缩性和热膨胀性 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。 气体的密度、体积与温度和压力的关系分别为：金属材料同样具

15、有热胀冷缩性，如：热风管道30 气体的压缩系数和膨胀系数理想气体空气 R=8.31/0.029=287J/kgK等温过程：压缩系数任意状态方程理想气体的压缩系数=1/p(等温压缩)结论一般液体流动可忽略其可压缩性气体低速流动(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气体的密度、体积与温度和压力的关系分别为31热膨胀系数定义物理意义：单位温度变化所产生的体积变化率特征分析 水的热膨胀系数大约为万分之一到七 理想气体的热膨胀系数1/T(常温下约3/1000)结论一般液体的热膨胀性可忽略气体流动过程温差变化不大时，热胀性可忽略不可压缩流体 incompressible f

16、luid 压缩系数、热膨胀系数为零的流体。本课程主要讨论不可压缩流体流动规律326、什么是流体的粘滞性？（掌握）概念：流体在运动的状态下,有一种抗拒内在的向前运动的特性。 表现如图产生的原因：分子间的引力和分子的运动与碰撞。液体分子之间的内聚力（吸引力） 气体分子动量交换（分子不规则运动)对流体流动的影响:引起流体机械能散失为热能流体相对于壁面的运动速度将逐渐降低直至壁面处为零。33粘性的表现V=VelocityStationary PlateMoveable Plate A=Area m2 A=Area m2 X = DistanceF = Force (dynes) 返回34返回液体：一般

17、可认为液体微观粒子或离子团间相互作用是产生粘性的主要因素 液体的粘性随温度的升高而降低。35返回 气体： 粘性产生的原因是因为气体分子的不规则热运动，使流层之 间的分子交换频繁 ，表现为动量交换，这种动量交换阻碍了 气体的运动。而气体分子间的相互作用力很小，可忽略。 气体的粘性随温度升高而升高。36粘滞性的表现377、如何计算流体的粘性大小牛顿内摩擦定律牛顿内摩擦定律：1687年由英国物理学家I.牛顿（Isaac Newton）首先通过实验提出：两平板之间的速度分布为： 牛顿内摩擦定律 两相邻流体层之间单位面积上的内摩擦力（也称切应力）与 两流层间的速度梯度（dv/dy）成正比。 比例系数，称

18、为粘性系数，简称粘度，单位：PaS，见表338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即作用在流体上的切应力与速度梯度成正比 牛顿粘性定律指出： 粘性切应力由相邻两层流体之间的速度梯度决定,而不是由速度决定。 粘性切应力与流体的种类及流体的温度、压强有关。 流体粘性只能影响流动的快慢，却不能停止流动 单位面积上的内摩擦力正比于剪切变形率（速度梯度）。 牛顿内摩擦定律意义和用途： 奠定了粘性流体动力学的基础，同时可直接解决实际轴承润滑工程问题39du/dy牛顿流体o什么是牛顿流体与非牛顿流体？(1)牛顿流体服从牛顿内摩擦定律的流体（水、大部分

19、轻油、气体等）（2）非牛顿流体：高分子溶液、纸浆、血液、混凝土浆体等非牛顿流体与牛顿流体具有不同的流动特性。du/dyo非牛顿流体408、什么是流体的粘性系数？它有哪些基本特性？（掌握）动力粘度： 是表示流体粘性大小的参数。 粘度与流体的种类、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 液体的动力粘性系数比气体大得多，说明液体的粘性比气体大得多。运动粘度：粘度与密度的比值称为运动粘度 单位： m2/s (cm2/s ) 运动粘度 是流体流动性大小的度量参数。例如：水的运 动粘度比空气小一个数量级，因此水的流动性比空气好得、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

20、通过查流体物性参数表获取419、什么是流体的易变形性质？（掌握) 流体的易变形性质是流体与固体的本质区别是指流体具有以下特征：(1)一般地要将流体一分为二几乎不用做功 （固体则不然）(2)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） (3)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）流体的易变形性质决定了流体具有流动性（所谓流动性是指物体沿任意形状的通道运动的特性）。流体的定义： 在任何微小的剪切应力作用下均发生连续变形的物质，称为流体421.1.5、流体的力学模型（掌握）分析研究流体力学问题，建立的力

21、学模型：一、连续性介质模型（continuum continuous medium model ）1、流体质点定义：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。质点大小通常用质点半径描述。2、流体连续性性质： （1）流体是由连续排列的流体质点所构成的。（2）流体质点宏观上无限小，微观上无限大。（3）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。3、适用条件：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43二、理想流体模型和实际流体1、什么是理想流体？（掌握）指不考虑粘性的流体,它仅受到重

22、力和压应力的作用,不能抵抗剪切变形。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。44规律状态性质：可由克拉贝龙方程描述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.KR空气287 J/kg.KRH2=4124 J/kg.KRN2=296.2 J/kg.KRO2=259.8 J/kg.KRCO2=188.9 J/kg.K返回45过程性质：等温过程：定压过程：定容过程：绝热过程：多变过程：2、什么是实际流体？指具