流体力学第一章绪论g

第一章绪论§1-1

工程流体力学的研究对象、任务和方法

§1-2流体质点与连续介质的概念

§1-3流体的密度、比体积和相对密度

§1-4流体的压缩性和膨胀性

§1-5流体的粘性力学连续介质力学弹塑性力学流体力学静力学、运动学和动力学质点力学刚体力学理论计算实验§1-1工程流体力学的研究对象、任务和方法

实验流体力学

现代流体力学二、流体力学的发展历史

古典水动力学（流体力学）同学们了解哪些有关流体力学运用的工程实例?实际工程1实际工程2流体力学运用古老的提水工具-水车都江堰都江堰

由鱼嘴（分水工程）、飞沙堰（溢流排沙工程）和宝瓶口（引水工程）三大主体工程组成的无坝引水枢纽都江堰

始建于秦昭王末年（约公元前256－前251），秦蜀守李冰主持兴建。工程以灌溉为主，兼有防洪、水运、城市供水等多种效益新安江水电站葛洲坝水电站葛洲坝水电站葛洲坝水利枢纽是长江干流上新建的第一座水利枢纽，被誉为长江第一明珠；葛洲坝水利枢纽奠基于70年代初，竣工于80年代，工程总投资48.48亿元人民币；大江电厂、二江电厂总装机21台，总容量271.5万KW，年均发电量153亿KW.h；截至1999年电厂累计发电2320亿KW.h，人均创造劳动产值71.8万元；战胜大于45000m3/s特大洪水43次，1998年8月在长江发生特大洪水期间三次超常规拦蓄洪峰，为缓解长江中下游灾情、避免荆江分洪做出了突出贡献。

三峡水电站流体力学是研究流体平衡和运动规律及其应用的科学。是力学的一个重要分支。主要包括理论流体力学和工程流体力学。我们主要研究工程流体力学。流体静力学：研究流体处于平衡状态下的力学规律；流体动力学：研究作用于流体上的各种力和运动之间的关系以及流体的运动特性及能量等问题。机械类流体力学：机械、冶金、化工、水力机械水利类流体力学：水工、水动、海洋土木类流体力学：土建、市政、工民建、道桥、城市防洪流体力学的概念流体力学分类流体力学的内容

§1-2流体质点与连续介质的概念一、流体的物理性质自然界物质存在的主要形态：

固态、液态和气态液体和气体是流体流体：可承受压力，不可承受拉应力；在平衡状态下不能承受剪切力。易流性——

在极小剪切力的作用下，流体就将产生无休止的（连续的）剪切变形（流动），直到剪切力消失为止。流体没有一定的形状。固体具有一定的形状。固体：既可承受压力，又可承受拉力和剪切力，在一定范围内变形将随外力的消失而消失。流体定义在微小剪切力的持续作用下能够连续变形的物质流体的特征易流动性无固定形状固体：有一定体积和形状，不易变形1.气体易于压缩，而液体难于压缩；2.气体远比液体具有更大的流动性。

3.液体有一定的体积，气体能充满任意形状的容器，无一定的形状。

液体和气体的共同点：

两者均具有易流动性，故二者统称为流体。

液体和气体的区别：二、流体质点的概念及连续介质模型虽然流体的真实结构是由分子构成，分子间有一定的孔隙，但流体力学研究的并不是个别分子微观的运动，而是研究大量分子组成的宏观流体在外力的作用下所引起的机械运动。因此在流体力学中引入连续介质假设：即认为流体质点是微观上充分大，宏观上充分小的流体微团，它完全充满所占空间，没有孔隙存在。这就摆脱了复杂的分子运动，而着眼于宏观机械运动。

流体质点——

流体中由大量流体分子组成的，宏观尺度非常小，而微观尺度又足够大的物理实体。（具有宏观物理量m、

、T、p、v

等）

连续介质模型——

流体是由无穷多个，无穷小的，彼此紧密毗邻、连续不断的流体质点所组成的一种绝无间隙的连续介质。流体微团：流体中任意小的一个微元部分叫做流体微团。当流体微团的体积无限缩小并以某一坐标点为极限时，流体微团就成为处在这个坐标点上的一个流体质点，它在任何瞬时都应该具有一定的物理量，如质量、密度、压强、流速等等。在连续介质中，流体质点的一切物理量必然都是坐标与时间变量的单值、连续、可微函数。从而形成各种物理量的标量场和矢量场，即流场。从而我们用数学工具研究流体运动和平衡。

一、密度单位体积液体所具有的质量。流体密度是空间位置和时间的函数。

V.MP(x,y,z)zxykg/m3对于均质流体：§1-3流体的密度、比体积和相对密度性质：液体的密度随着压力或温度的变化而发生变化，但一般变化量很小。比体积：

lim

V

m3/kg

m0

mv=流体的可压缩性定义：流体随其所受压强的变化而发生体积（密度）变化的性质。即是流体受压，体积缩小，密度增大，除去外力后能恢复原状的性质。流体的热膨胀性定义：是流体受热，体积膨胀，密度减小，温度下降后后能恢复原状的性质。§1-4流体的压缩性和膨胀性气体具有显著的可压缩性一般情况下，常用气体的密度、压强和温度，符合完全气体状态方程

pV=mRT

或pν=RTR——气体常数R=8314/MM为气体分子量空气R=8314/29=287J/kg·K压缩系数当温度保持不变，单位压强增量引起流体体积的相对缩小量增压前后质量无变化—流体的体积压缩系数，m2/N；—流体压强的增加量，Pa；—原有流体的体积，m3；—流体体积的增加量，m3。二、流体压缩性和膨胀性的系数表示法热膨胀系数压强不变，升高一个单位温度所引起流体体积的相对增加量的单位：

或者例如在9.8×104Pa下，1～10℃范围内，水的热膨胀系数＝14×10-61/℃；10～20℃范围内，150×10-61/℃。在常温下，温度每升高1℃，水的体积相对增量仅为万分之一点五；温度较高时，如90～100℃，也只增加万分之七。其它液体的热膨胀系数也是很小的。液体的热膨胀系数很小流体的热膨胀系数还取决于压强。对于大多数液体，随压强的增加稍为减小。水的在高于50℃时随压强的增加而减小，低于50℃时随压强的增加而增加。

K

不易压缩。一般认为：液体是不可压缩的（在p、T、v变化不大的“静态”情况下）。则

=常数体积（弹性）模量：

或:(N/m2

)不可压缩流体:指流体的每个质点在运动全过程中，密度不变化的流体。不可压均质流体：可压缩流体：流体密度随温度、压强变化不能忽略的流体。严格地说，不存在完全不可压缩的流体。一般情况下的液体都可视为不可压缩流体，管路中压降较大时，应作为可压缩流体。（发生水击、水下爆破）。对于气体，当所受压强变化相对较小时，可视为不可压缩流体。（锅炉尾部烟道）气体对物体流动的相对速度比声速要小得多时，气体的密度变化也很小，可以近似地看成是常数，也可当作不可压缩流体处理。1、粘性的概念及牛顿内摩擦定律流体分子间的内聚力流体分子与固体壁面间的附着力。内摩擦力——相邻流层间，平行于流层表面的相互作用力。定义：流体在运动时，其内部相邻流层间要产生抵抗相对滑动（抵抗变形）的内摩擦力的性质称为流体的粘性。yxv。v+dvvydyv0F§1-5流体的粘性

内摩擦力：

以切应力表示：

式中：µ——与流体的种类及其温度有关的比例常数；

——速度梯度（流体流速在其法线方向上的变化率）。牛顿内摩擦定律与垂直于流动方向的速度梯度du/dy成正比与接触面的面积A成正比与流体的性质有关与接触面上压力无关内摩擦力（剪切力）T流体的切应力与剪切变形速率，或角变形率成正比。当速度梯度等于零时，内摩擦力也等于零。当流体处于静止状态或以相同速度运动(流层间没有相对运动)时，内摩擦力等于零，此时流体有黏性，流体的黏性作用也表现不出来。当流体没有黏性(μ=0)时，内摩擦力等于零。

2、粘度及其表示方法定义：流体微团间发生相对滑移时产生切向阻力的性质。粘度

是对液体粘性大小的度量；是选择液压油的主要指标。

µ的物理意义：产生单位速度梯度，相邻流层在单位面积上所作用的内摩擦力（切应力）的大小。液体流动时才会出现粘性；静止液体不呈现粘性。

常用粘度表示方法有三种：<1>动力粘度µ单位：Pas（帕•秒）1Pas=1N/m2

s

<3>相对粘度——其它流体相对于水的粘度

恩氏粘度：ºE中、俄、德使用赛氏粘度:SSU美国使用雷氏粘度:R英国使用巴氏粘度:ºB法国使用用不同的粘度计测定<2>运动粘度：单位：m2/s

工程上常用：10–6

m2/s(厘斯)mm2

/s油液的牌号：摄氏40ºC时油液运动粘度的平均厘斯(mm2/s)值。流体种类：相同条件下，液体的动力粘度大于气体的动力粘度。压强：常压，压强对流体的黏性影响很小，可忽略不计，高压，流体黏性随压强升高而增大。温度:液体的黏性随温度升高而减小气体的黏性随温度升高而增大。3、粘压关系和粘温关系〈1〉粘压关系压强其分子间距离（被压缩）内聚力粘度一般不考虑压强变化对粘度的影响。〈2〉粘温关系（对于液体）温度内聚力

粘度温度变化时对流体粘度的影响必须给于重视。液体和气体的黏性随温度的变化不同(1)两层液体之间的粘性力主要由分子内聚力形成

温度↑→分子间距↑→分子吸引力↓→内摩擦力↓→粘度↓(2)两层气体之间的粘性力主要由分子动量交换形成

温度↑→分子热运动↑→动量交换↑→内摩擦力↑→粘度↑无粘性流体定义：指无粘性即μ＝０流体简化的力学模型，理想流体粘性流体定义：具有粘性的流体，即μ不等于０4、理想流体的概念理想流体——假想的没有粘性的流体。

µ=0

=0实际流体——事实上具有粘性的流体。在实际流体的黏性作用表现不出来的场合(像在静止