流体力学 第一章 绪论课件

《流体力学》九江学院土木工程与城市建设学院土木工程专业主讲：张细芬一、选用教材《流体力学》方达宪主编东南大学出版社2011年7月第1版二、推荐教材《流体力学》罗惕乾主编机械工业出版社2003年7月第2版《流体力学》吴望一主编北京大学出版社1982年8月第1版三、学习基础“高等数学”、“线性代数”、“理论力学”、“材料力学”及部分“矢量分析”方面的知识四、学习方法基本原则：抓基本知识点，适当提高，注意理论联系实际第一章 绪论

§1.1 流体力学的任务和研究对象§1.2 流体力学发展简史及在相关工程中的应用§1.3 流体的主要物理力学性质§1.4 作用在流体上的力（表面力、质量力）§1.5 流体的力学模型§1.6 牛顿流体和非牛顿流体§1.7 流体力学的研究方法、课程性质、目的和要求§1.1流体力学的任务和研究对象自然界物质存在的主要形态：固态、液态和气态一、流体的定义流体与固体的区别

固体的变形与受力的大小成正比；任何一个微小的剪切力都能使流体发生连续的变形。具有流动性的物体（即能够流动的物体）。流动性：在微小剪切力作用下汇发生连续变形的特性。流体包括液体和气体液体与气体的区别液体的流动性小于气体；液体具有一定的体积，并取容器的形状；气体充满任何容器，而无一定体积。二、流体的特征流动性三、流体力学研究的对象1.流体力学的定义：流体力学是研究液体处于静止和运动状态下的力学规律，并探讨运用这些规律解决工程实际问题的一门科学。流体力学又是力学的一个分支。2.流体力学的任务：研究以液体为代表的，液体机械运动规律及其在工程中的应用。

3.流体力学由以下内容构成静力学：关于液体平衡的规律，它研究液体处于静止（或相对平衡）状态时，作用于液体上的各种力之间的关系。动力学：关于液体运动的规律，它研究液体在运动状态时，作用于液体上的力与运动要素之间的关系，以及液体的运动特性与能量转换等等。研究对象：液体及不可压缩气体。1.理论分析2.科学试验§1.7流体力学的研究方法、课程性质、目的和要求经典力学的基本原理：牛顿的三大定律、动量定律、动能定律水流运动的基本方程式：连续性方程、能量方程、动量方程1.理论分析2.科学试验（1）原型观测（2）模型试验（3）系统试验（4）数值模拟（1）原型观测在野外或水工建筑物现场，对水流运动进行观测，收集第一性资料，为检验理论分析成果或总结某些基本规律提供依据。（2）模型试验当实际水流运动复杂，而理论分析困难，无法解决实际工程的水力学问题时采用。指在实验室内，以水力相似理论为指导，把实际工程缩小为模型，在模型上预演相应的水流运动，得出模型水流的规律性，再把模型试验成果按照相似关系换算为原型的成果以满足工程设计的需要（3）系统试验在实验室内，小规模的造成某种水流运动，用已进行系统的实验观测，从中找到规律。数理知识数据处理方法量纲分析方法（4）数值模拟通过求解水流的运动方程来得到模拟区域内任意时刻任意位置力和运动要素的值。先进性：采用计算机、流体计算软件等高新技术。经济性：可给定不同的边界条件，进行大量的模拟，给出足够多的力和运动要素值以进行分析。本课程基本要求具有较为完整的理论基础，包括：a.掌握流体力学的基本概念；b.熟练掌握分析流体力学的总流分析方法，熟悉量纲分析与实验相结合的方法，了解求解简单平面势流的方法；

c.掌握流体运动能量转化和水头损失的规律，对传统阻力有一定了解。2.具有对一般流动问题的分析和讨论能力，包括：a.水力荷载的计算；b.管道、渠道和堰过流能力的计算，井的渗流计算；c.水头损失的分析和计算。3.掌握测量水位、压强、流速、流量的常规方法。具有观察水流现象，分析实验数据和编写报告的能力。4.重点掌握：基础流体力学的基本概念、基本方程、基本应用。学习的难点与对策

1.新概念多、抽象、不易理解；主要概念汇表，多媒体辅助教学结合试验观察分析；2.推演繁难；

分析各种推导要领，掌握哦通用的推导方法，如控制体法，理解思路，不要求对各个过程死记硬背。3.偏微分方程（组）名目繁多。

仅要求部分掌握。重在理解物理意义，适用范围，条件，主要求解方法。发展

Archimedes（250BC）液体浮力与浮体定律B.Pascal（1650）液体压强的传递规律Newton(1686)内摩擦定律系统理论的建立DI.Bernowli（1738）：能量方程L.Ewler（1755）：理想液体的微分方程式组——Hydrodynamics（水动力学）即古典流体力学§1.2流体力学发展史及在相关工程中的应用一、发展史H.Pitot(1732)：Pitot管A.dechezy(1769)：谢才公式（计算均匀流动）H.Darcy(1856)Dany定律——hydraulics水力学19s中叶：纳维一斯托克斯：建适用于粘性流体的方程雷诺：Reynolds方程——近代粘性流动理论1904：L.prandtl建立边界层理论——使古典流体力学与水力学两种研究途径得到统一第一阶段（16世纪以前）：流体力学形成的萌芽阶段第二阶段（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、伯努利第四阶段（19世纪末以来）流体力学飞跃发展第一阶段（16世纪以前）：流体力学形成的萌芽阶段公元前2286年－公元前2278年大禹治水——疏壅导滞（洪水归于河）公元前300多年

李冰都江堰——深淘滩，低作堰公元584年－公元610年隋朝南北大运河、船闸应用埃及、巴比伦、罗马、希腊、印度等地水利、造船、航海产业发展系统研究古希腊哲学家阿基米德《论浮体》（公元前250年）奠定了流体静力学的基础第二阶段（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1769年谢才——谢才公式（计算流速、流量）1895年曼宁——曼宁公式（计算谢才系数）1732年比托——比托管（测流速）1797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）第四阶段（19世纪末以来）流体力学飞跃发展理论分析与试验研究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）1903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二、流体力学的在工程中的应用

1.确定水工建筑物所受的水力荷载实际工程中的流体力学问题水对水工建筑物的作用力问题水工建筑物的渗流问题河渠水面曲线问题水工建筑物下游的消能问题水工建筑物的过水能力问题水工建筑物的渗流问题FvvF2.确定水工建筑物过水能力3.分析水流流动形态4.确定水流能量消耗和利用农村小型自来水厂三峡大坝泄洪5.特殊的水力学问题某污水处理厂液体的主要物理性质惯性

压缩性与膨胀性

表面张力

§1.3流体的主要物理力学性质万有引力特性黏性1.惯性、质量与密度惯性力：当液体受外力作用使运动状态发生改变时，由于液体的惯性引起对外界抵抗的反作用力。单位：N密度：是指单位体积液体所含有的质量。国际单位：kg/m3

一个标准大气压下，温度为4℃，水密度为1000kg/m3。2.万有引力特性，重力与容重万有引力：是指任何物体之间相互具有吸引力的性质，其吸引力称为万有引力。

重力：地球对物体的引力称为重力，或称为重量。大小为：G＝Mg，g：重力加速度。

液体的容重：是指单位体积液体所具有的重量。国际单位：N／m33、粘性1）.粘性的定义流体内部各流体微团之间发生相对运动时，流体内部会产生摩擦力（即粘性力）的性质。(1)库仑实验(1784)库仑用液体内悬吊圆盘摆动实验证实流体存在内摩擦。

(2)流体粘性所产生的两种效应流体内部各流体微团之间会产生粘性力；流体降粘附于它所接触的固体表面。2）.牛顿内摩擦定律

(1)牛顿平板实验当h和u不是很大时，两平板间沿y方向的流速呈线性分布，(2)牛顿内摩擦定律实验表明，对于大多数流体，存在引入比例系数μ，得：⑴粘性切应力与速度梯度成正比；(2)粘性切应力与角变形速率成正比；(3)比例系数称动力粘度，简称粘度。牛顿内摩擦定律表明：CDBAdbadydudt流体粘性大小的度量,由流体流动的内聚力和分子的动量交换引起。(1)动力粘度(2)运动粘度3.粘度(3)粘度的影响因素温度对流体粘度的影响很大温度压力对流体粘度的影响不大，一般忽略不计液体：分子内聚力是产生粘度的主要因素。温度↑→分子间距↑→分子吸引力↓→内摩擦力↓→粘度↓气体：分子热运动引起的动量交换是产生粘度的主要因素。温度↑→分子热运动↑→动量交换↑→内摩擦力↑→粘度↑

压力对流体粘度的影响不大，一般忽略不计当温度升高时，液体的粘度减小，气体的粘度增大

液体：分子内聚力是产生粘度的主要因素。

温度↑→分子间距↑→分子吸引力↓→内摩擦力↓→粘度↓

气体：分子热运动引起的动量交换是产生粘度的主要因素。

温度↑→分子热运动↑→动量交换↑→内摩擦力↑→粘度↑

(4)粘度的测量管流法落球法旋转法工业粘度计例：汽缸内壁的直径D=12cm，活塞的直径d=11.96cm，活塞长度L=14cm，活塞往复运动的速度为1m/s，润滑油的μ=0.1Pa·s。求作用在活塞上的粘性力。解：注意：面积、速度梯度的取法dDL例：旋转圆筒粘度计，外筒固定，内筒转速n=10r/min。内外筒间充入实验液体。内筒r1=1.93cm，外筒r2=2cm，内筒高h=7cm，转轴上扭距M=0.0045N·m。求该实验液体的粘度。解：注意：1.面积A的取法；2.单位统一hnr1r2得1、压缩性流体体积随着压力的增大而缩小的性质。（1）.压缩系数

单位压力增加所引起的体积相对变化量（2）.体积模量

4、压缩性与膨胀性

K值越大，表示液体愈不容易压缩。对一般水利工程来说，可认为水不可压缩的。但在有压管道中水击计算时，则必须考虑水的压缩性。2）、膨胀性流体体积随着温度的增大而增大的性质。（1）.体胀系数

单位温度增加所引起的体积相对变化量3）、可压缩性流体和不可压缩性流体（1）.可压缩性流体体积随着压力和温度的改变而发生变化的性质。（2）.可压缩流体和不可压缩流体

可压缩流体：考虑可压缩性的流体

不可压缩流体：不考虑可压缩性的流体例：当压强增加5×104Pa时，某种液体的密度增长0.02%，求该液体的弹性系数。

解：5、表面张力1）.表面张力现象

水滴悬在水龙头出口而不滴落；

细管中的液体自动上升或下降一个高度（毛细管现象）；

铁针浮在液面上而不下沉。

(1)影响球液体分子吸引力的作用范围大约在以3~4倍平均分子距为半径的球形范围内，该球形范围称为“影响球”。

2）.表面张力

(2)表面层厚度小于“影响球”半径的液面下的薄层称为表面层。

(3)表面张力σ（N/m)液体表面由于分子引力大于斥力而在表层沿表面方向产生的拉力,单位长度上的这种拉力称为表面拉力。3）、毛细现象液体分子间相互制约，形成一体的吸引力称为内聚力。当液体同固体壁面接触时，液体分子和固体分子之间的吸引力称为附着力。

（1）.内聚力，附着力

（2）.毛细压强由表面张力引起的附加压强称为毛细压强（3）.毛细管中液体的上升或下降高度

表面张力示意图毛细管现象对20℃的水，玻璃管中的水面高出容器水面的高度h约为：

（mm）对水银，玻璃管中汞面低于容器汞面的高度h约为:

（mm）

上面二式中的d为玻璃管的内径，以毫米计。由于毛细管现象的影响，使测压管读数产生误差。h称为毛细影响高度(CapillaritySuctionHead)。因此，通常测压管的直径不小于1厘米。6.汽化压强

汽化压强是指液体汽化和凝结达到平衡时液面的压强。汽化压强随液体的种类和温度的不同而改变。水利工程中的空化现象与液体的汽化压强有关，需要注意。综上所述，液体的惯性、重力特性和粘滞性对液体运动有重要的影响，而液体的可压缩性、表面张力和汽化压强只有在特殊问题中才需要考虑，请注意区分。§1.4作用在流体上的力两类作用在流体上的力：表面力和质量力一、表面力1.应力

单位面积上的表面力。

分离体以外的流体通过流体分离体表面作用在流体上的力，其大小与作用面积成比2.法向应力和切向应力

二、质量力

作用在每个流体微团上的力，其大小与流体质量成正比。例如：重力、惯性力、磁力§1.5流体的力学模型

微观：流体是由大量做无规则热运动的分子所组成，

分子间存有空隙，在空间是不连续的。

宏观：一般工程中，所研究流体的空间尺度要比分子距离大得多。问题的引出：

定义：不考虑流体分子间的间隙，把流体视为由无

数连续分布的流体微团组成的连续介质。

流体微团必须具备的两个条件必须包含足够多的分子；体积必须很小。一、流体的连续介质假设避免了流体分子运动的复杂性，只需研究流体的宏观运动。2.可以利用数学工具来研究流体的平衡与运动规律。采用流体连续介质假设的优点二.理想液体

在水力学中液体分为理想液体和实际液体。理想液体：就是把水看作绝对不可压缩、不能膨胀、没有粘滞性、没有表面张力的连续介质。有没有考虑粘滞性：是理想液体和实际液体的最主要差别。粘性流体和理想流体1.粘性流体

具有粘性的流体（μ≠0）。2.理想流体

忽略粘性的流体（μ=0）。一种理想的流体模型。三、不可压缩流体1.可压缩性流体体积随着压力和温度的改变而发生变化的性质。2.可压缩流体和不可压缩流体可压缩流体：考虑可压缩性的流体不可压缩流体：不考虑可压缩性的流体1.牛顿流体

2.非牛顿流体

符合牛顿内摩擦定律的流体如水、空气、汽油和水银等不符合牛顿内摩擦定律的流体如泥浆、血浆、新拌水泥砂浆、新拌混凝土等。§1.6牛顿流体和非牛顿流体τdv/dz牛顿流体o牛顿流体——服从牛顿内摩擦定律的流体（水、大部分轻油、气体等）oττ0dv/dz塑性流体非牛顿流体塑性流体——克服初始应力τ0后，τ才与速度梯度成正比（牙膏、新拌水泥砂浆、中等浓度的悬浮液等）oτdv/dz拟塑性流体拟塑性流体——τ的增长率随dv/dz的增大而降低（高分子溶液、纸浆、血液等）τdv/dzo膨胀型流体膨胀型流体——τ的增长率随dv/dz的增大而增加（淀粉糊、挟沙水流）ττ0dv/dzo膨胀型流体牛顿流体拟塑性流体塑性流体牛顿内磨擦定律适用条件：只能适用于牛顿流体。实际流体（μ≠0）与理想流体（μ=0）本章小结

1.水力学的定义。2．水力学的任务：研究以水为代表的机械运动规律及其在工程中的应用。3．液体的基本特性：易流动性、不易压缩、均匀等向的连续介质。4．液体的主要物理特征：惯性.重力特性.均质液体的质量与密度.粘滞性.压缩性.表面张力特性.和汽化压强。

其中粘滞性是本章的重点，掌握牛顿内摩擦定律的物理意义，其适用条件是层流运动和牛顿液体。5．理想液体的概念：无粘性的液体。6．作用在液体上的力：质量力和表面力。（1）质量力：作用在液体内部每个质点上，并且与液体质量成正比。（2）表面力：作用在液体上，并且与表面积成正比。一、选择题1、按连续介质的概念，液体质点是指:（）A、流体的分子；B、液体内的固体颗粒；C、几何的点；D、几何尺寸同流动空间相比是极小量，又含有大量分子的微元体2、作用于液体的质量力包括：（）A、压力；B、摩擦力；C、重力；D、表面张力3、单位质量力的国际单位是：（）A、N；B、Pa；C、N/kg；D、m/s24、与牛顿内摩擦定律直接有关的因素是：（）A、剪切力何压强；B、剪应力和剪应变率；C、剪应力和剪应变；D、剪应变和流速5、水的动力粘度μ随温度的升高：（）Ａ、增大；Ｂ、减小；Ｃ、不变