流体力学学习课件第一章 绪论(流体力学)

流体力学李传奇土建与水利学院2023/1/152

第一章绪论

第二章流体静力学

第三章流体运动学

第四章流体动力学基础

第六章流动阻力与水头损失

第七章孔口、管嘴和有压流

第八章明渠流动教学基本内容第一章绪论32023/1/15

第一节流体力学及任务

第二节作用在流体上的力

第三节流体的主要物理性质

第四节牛顿流体与非牛顿流体1.1流体力学及其任务2023/1/1541.1.1

流体力学的研究对象

力学

基础学科，它同数、理、化、天、地、生并列为七大基础学科。流体力学

是力学的一个分支，流体力学是研究流体静止或运动的力学规律及其在工程技术中的应用。有无固定的体积？能否形成

自由表面？是否容易

被压缩？流体气体无否易液体有能不易呈现流动性？

流体固体

流体最主要的物理特性力学模型质点

刚体：有质量固体：有质量，有变形，可抵抗拉、压、

剪切力流体：有质量，有变形，不可抵抗拉力，

静止时不能抵抗剪切力。（流动性）

1.流体在外力作用下，静止与运动的规律；

2.流体与边界的相互作用。

流体力学的主要研究内容

固定边界：水工建筑物、河床、海洋平台等

运动边界：飞机、船只等

1.1.2连续介质假设

2023/1/158流体质点(fluidparticle)：又称“流体微团”

相对于一般问题中的宏观特征尺寸小到可以被看成一个点但是仍含有足够多个流体分子。

个分子

1mm3空气(1个大气压，00C)流体的组成：由大量不断运动的分子组成,

分子之间有间隙，不连续。

1.1.2

连续介质假设

2023/1/159连续介质假设连续介质假设将流体区域看成由流体质点连续组成，占满空间而没有间隙，其物理特性和运动要素在空间是连续分布的。目的

可以采用连续函数来描述流体中的物理参数。

流体力学研究流体的宏观机械运动，它研究的是流体的宏观特性，认为流体是由空间上连续分布的流体质点组成的连续介质。——欧拉，1755

连续介质模型并不是对物质的真实描述，而只是一个数学模型。这个模型为运用数学方法解决流体力学问题带来方便，并且在此基础上所得结果在绝大多数情况下也符合实际。

连续介质模型不成立的例子：稀薄气体中航天器的飞行问题，微尺度流动问题。

1.1.3流体力学的研究方法

2023/1/1511 1、理论分析法 2、实验研究法（原型实验与模型试验） 3、数值计算法

三种研究方法的关系：各有长短，可相互补充。基本假设

数学模型

解析表达

理论分析数值计算

实验研究

数学模型

数值模型

数值解

模型试验

量测数据

12

理论分析：

将普遍规律、公理，如：牛顿定律能量守恒原理、力系的平衡定律、动能定律动量定律等用于液体分析中，建立液体微分方程、积分方程，优化方程，结合边界条件、限定条件求解。13

数值计算：

利用计算机技术，数值求解描述液体运动的微分方程、积分方程等，得到问题的数值解。

14例如，水力学试验研究

试验研究：

对有关问题进行物理模型实验试验其成果是检验水力学理论的唯一标准

1.1.4

流体力学与土木工程2023/1/1515流体力学的应用——不胜枚举

（1）在土建工程中的应用。如路基排水、地下水渗透等。

（2）在市政工程中的应用。如桥涵孔径设计、给水排水系统、隧

洞通风、排水等。

（3）城市防洪工程中的应用。如堤、坝的作用力与渗流问题、防

洪闸坝的过流能力等。

（4）其它应用：气象，航空，动力工程，生物医学，体育等等。市政

LondonSewer交通

Culverts岩土工程GroundwaterandSeepage结构

SnowLoad结构WindLoad1.2作用在流体上的力2023/1/1521

流体发生机械运动的内因是流体的物理力学性质，而其外因是流体所受外力。

在工程流体力学中，为了分析方便，一般可将作用在流体上的力分为以下两大类：质量力表面力2023/1/1522定义——作用在流体表面上，与作用面面积成正比的力。

分类法向力切向力与作用面正交的力“FP

”与作用面平行的力“FS

”1.2.1表面力2023/1/1523表示方法通常用应力来表示。

切向力法向力FPFS

设作用在面积为A

的流体上的表面力分别是：AFSFP2023/1/1524则其应力分别是：（1）法向平均应力：该点压应力：（2）切向平均应力：该点切应力：2023/1/1525分类定义1.2.2质量力重力惯性力——作用在每个流体质点上，与流体

的质量成正比的力。地球对流体质点的引力“Mg”流体作变速运动时，因惯性使流体质点所受的力。“-Ma”2023/1/1526表示方法：通常用单位质量力来表示。单位质量力——作用在单位质量流体上的质量力。（1）单位质量力的表示方法：

假设流体的质量为

M，所受质量力为

F，力在直角坐标轴上的分量分别为：Fx、

Fy、

Fz则有：fz=Fz/Mfx=Fx/Mfy=Fy/M2023/1/1527（2）当流体处于绝对静止时：gyzxofx=0fy=0fz=-g有：1.3流体的主要物理性质2023/1/1528 1、惯性

2、粘性 3、可压缩性和热膨胀性1.3.1惯性2023/1/1529xzyoAV（1）密度（Density）：是指单位体积流体的质量。

水(4˚C）的密度常用值：=1000kg/m3；=9800N/m3；均质流体内部各点处的密度均相等：（2）容重（SpecificWeight）：指单位体积流体的重量。

均质流体内部各点处的容重均相等：=G/V

空气(20˚C)的密度常用值：=1.205kg/m3

；=11.82N/m3。（3）容重与密度的关系：=g单位：kg/m3单位：N/m3。1.3.2流体的粘滞性2023/1/1530

(1)粘滞性的概念运动流体具有抵抗剪切变形的能力，这就是粘滞性。值得强

调的是，这种抵抗体现在剪切变形的快慢上。

在剪切变形中，流体内部出现成对的切应力τ，称为内摩擦

力，来抵抗相邻两层流体之间的相对运动。

因：

液体质点（液层）间存在相对运动（快慢）

果：质点间（液层）间存在内摩擦力

（1）方向：与该液层相对运动速度方向相反（2）大小：由牛顿内摩擦定律决定2023/1/1532内摩擦力（粘滞力）——流体的质点与质点之间、层与层之间发生相对运动时，在其交界面上会出现一对大小相等、方向相反的力来阻止相对运动的发生，流体的这种性质称为流体的粘性，所产生的这对力称为内摩擦力，也称粘滞力。

（2）牛顿内摩擦定律

2023/1/1533

1）牛顿平板实验（1687年）FA

设板间的y向流速呈直线分布，

即：则

ab

cddyxoyYyuduu+duUF牛顿平板实验简图dyxoyyduu+duUF平板间速度分布图2023/1/1534dcd'c'udtaba'b'd(u+du)dt由图可得： 2）流速梯度表示液体微团的剪切变形速率2023/1/1535

实验表明，对于大多数流体满足：切应力分布图切应力分布

流体层间的内摩擦力：

①与速度梯度成正比；②与接触面积成正比；

③与流体性质有关；④与接触面上的压力无关。引入动力粘性系数，得： 3）牛顿内摩擦定律液体运动时，相邻液层间所产生的切应力与剪切变形的速率（或流体微团的角变形率）成正比。

（3）粘性系数

2023/1/15361）流体的粘滞性：是流动流体分子间的内聚力和动量交换共同作用的结果。注意：当温度升高时，液体的粘度减小，气体的粘度增加。流体的动力粘性系数与压强无关。2）动力粘性系数：反映流体粘滞性大小的系数。

单位：Pa•s

=kg/（m•s)；

泊司（Poise）=1g/(cm•s)=0.1Pa•s。单位：(m2/s)；斯托克斯（stokes）=1cm2/s。3）运动粘性系数：2023/1/1537

（5）流体粘性应用分析

三种问题：

1）确定流体的粘性系数；

2）计算摩擦阻力；

3）确定速度分布。

（4）理想流体——假设流体的粘性μ

=

0。2023/1/1538Uh1h212A例1：试绘制平板间液体的流速分布图与切应力分布图。设平板间的液体流动为层，且流速按直线分布。解：设液层分界面上的流速为u，则：在液层分界面上：流速分布：上层：上层：切应力分布uU讨论：1大还是2大？如果是理想流体，和如何？Uh1h2y下层：下层：2023/1/1539

流体的可压缩性（Compressibility）：流体受压增加时，其宏观体积缩小、密度增大的性质，这种性质称为压缩性。

流体的膨胀性（Dilatability):流体温度升高，宏观体积

增大，这种性质称为膨胀性。

不可压缩流体：当流动过程中流体的密度变化很小，可以忽略不计，从而使研究问题得以简化。

运动过程中ρ=常数的流体称为不可压缩流体。3、流体的压缩性和膨胀性（1）液体的体积压缩系数k与体积弹性模量K2023/1/1540

1）体积压缩系数κ（CoefficientofVolumeCompressibility）：在温度一定的条件下，流体体积的相对缩小值与压强增值之比，即当压强增大一个单位值时，流体体积的 相对缩小量：

单位：m2/N

水的压缩系数（4˚C）：κ=4.9×10-10

（m2/N)

2)体积弹性模量K（BulkModulusofElasticity）：是指体积压缩系数的倒数。单位：N/m2=Pa水的体积弹性模量一般取：E=2.1×109

（N/m2)（水在10˚C的值），k

与K随温度和压强而变化，但变化甚微。3）体积膨胀系数α(CoefficientofVolumeDilatability)2023/1/1541

流体的膨胀性用体积膨胀系数