01-绪论-山科课件

流体力学与流体机械

——流体力学主讲：somebody联系方式电话：电子信箱：办公室：J8-306教材

教材流体力学与流体机械之《流体力学》

，张景松编著，高等学校教学用书，中国矿业大学出版社，2010.12（第3版）主要参考书

黄卫星，陈文梅主编，《工程流体力学》，北京：化学工业出版社，2001

许贤良，陈庆光等编著.“十一五”高等学校（矿业）规划教材《流体力学》，北京：中国矿业大学出版社，2007

孔珑等主编，国家“九五”重点教材《流体力学》(I、II)，北京：高等教育出版社，2003.9

孔珑主编，普通高等教育“十一五”规划教材《工程流体力学》(第三版)，北京：中国电力出版社，2007.2

张兆顺，崔桂香编著，《流体力学》，北京：清华大学出版社，1999

景思睿，张鸣远编著，《流体力学》，西安：西安交通大学出版社，2001FrankM.White,FluidMechanics,5thed.,McGraw-Hill,NewYork,2003

主要参考书课时安排授课学时36周一下午5，6节（第9周-第17周）周四下午5，6节（第9周-第17周）注意：周一教室：14-519

周四教室：14-419

采矿11-1,2,3纪律要求这门课程的学习和其它各个学科一样，都需要大家认真上课、听讲。严禁上课聊天、听歌、打闹等与课程内容无关的活动。上课关闭手机或改为静音成绩考核

该门课程属于专业基础课，必修课。考试内容：（1）基础知识（填空、简答、判断）（2）知识运用（计算题）最终成绩=平时（30%）+卷面（70%）

第1章

流体及其物理性质第2章

流体静力学第3章

流体运动学第4章

流体动力学基础第5章粘性流体流动及阻力

第6章能量损失及管路计算

总目录EXITEXIT课程的主要内容和基本要求

理解流体的主要物理性质，特别是粘滞性和牛顿内摩擦定律；理解连续介质假设和流体质点的概念；理解理想流体和实际流体、可压缩流体和不可压缩流体的概念。1绪论流体静力学EXIT

掌握作用在流体上的质量力、表面力的概念和表示方法。掌握流体静压强的概念及其特性，掌握流体静压强的计测和表示方法；掌握流体平衡微分方程，计算重力场中静止流体压强分布掌握流体的绝对和相对平衡；2流体运动学EXIT

了解描述流体运动的两种方法，建立以流场的观点描述流体运动的概念；理解流线和迹线的概念，掌握它们的微分方程及求解方法；了解流体微团速度分解定理，会判断流动是否有旋；势函数和流函数。3

流体动力学基础EXIT

掌握理想流体运动方程（欧拉方程）的推导过程，了解不可压缩粘性流体运动方程（纳维—斯托克斯方程），理解方程的物理意义；掌握理想流体运动方程—

欧拉方程的伯努利积分及其成立的条件，并会应用伯努利积分。掌握流体运动的总流分析法，熟悉恒定总流条件下的连续方程、能量方程和动量方程，并能综合运用计算总流问题。4粘性流体流动及阻力EXIT

了解流动的两种流态（层流与紊流）及其判别，知道紊流的脉动特性与时间平均的概念；知道圆管层流和紊流的断面流速分布；牢固掌握确定圆管流动沿程水头损失系数和水头损失的途径和方法。5能量损失及管路计算EXIT

掌握短管、简单长管水力计算；了解局部阻力系数水力计算方法；掌握沿程阻力系数水力计算方法。6EXIT第一章流体及其物理性质EXIT§1—1课程概述

§1—2流体的概念§1—3流体的密度和重度§1—4流体的压缩性与膨胀性§1—5流体的粘性

EXIT§1—1课程概述

流体力学的学科性质流体力学的主要研究内容与流体力学相关的工程领域和学科流体力学的研究方法流体力学发展简史EXIT力学

一、流体力学的学科性质研究对象力学问题载体

宏观力学分支遵循三大守恒原理

流体力学水力学流体水力学强调水是主要研究对象EXIT

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。二、流体力学（水力学）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EXIT三、与流体力学相关的工程领域和学科海洋

土木水利航空航天交通运输

环境

气象

石油化工

机械冶金

生物

流体力学EXIT

供水系统：开拓水渠；取水口布置；水的净化与消毒；水泵选择；水塔修建；管道设计。

公路桥梁：路基沉陷、崩塌、滑坡、排水；桥梁、涵洞修建。

土建施工：修建围堰、基坑排水、污水排放。水力学问题举例EXIT四、流体力学（水力学）的研究方法

理论分析、实验研究和数值计算相结合。三个方面是互相补充和验证，但又不能互相取代的关系。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

换算到原型EXIT优势局限理论分析对流动机理解析表达，因果关系清晰。

受基本假设局限，少数情况下才有解析结果。

实验研究

（模型试验）

直接测量流动参数，找到经验性规律。

成本高，对量测技术要求高，不易改变工况，存在比尺效应。

数值计算扩大理论求解范围，成本低，易于改变工况，不受比尺限制。

受理论模型和数值模型局限，存在计算误差。

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）流体力学飞跃发展五、流体力学发展简史第一阶段（16世纪以前）：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世纪文艺复兴后-18世纪中叶）-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的积分——伯努利方程1775年欧拉——理想流体的运动微分方程——欧拉运动方程第三阶段(18世纪中叶-19世纪末工程技术快速发展，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年毕托——毕托管（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，形成了很多新的分支和交叉学科.六、单位制自然界物质存在的主要形态：固态、液态和气态、等离子态、玻色-爱因斯坦凝聚态、费米子凝聚态。一.流体的定义流体与固体的区别具有流动性的物体（即能够流动的物体）。流体包括气体和液体。

固体的变形与受力的大小成正比；

任何微小的剪切力都会使流体发生连续不断的变形——

流动。§1—2流体的概念液体与气体的区别二.流体的特征

液体的流动性小于气体；

液体具有固定的体积，并取决于容器的形状；而气体充满任何容器，无固定体积。流动性--在任意微小剪切力作用下都会发生连续变形的特性。只要有剪切力的作用，流体就不会静止下来，发生连续变形而流动。流体只有在运动状态下，当流体质点之间有相对运动时，才能抵抗剪切变形。EXIT流体在静止时不能承受剪切力，抵抗剪切变形。作用在流体上的剪切力不论多么微小，只要有足够的时间，便能产生任意大的变形。运动流体抵抗剪切变形的能力（产生剪切应力的大小）体现在变形的速率上，而不是变形的大小（与弹性体的不同之处）。EXIT二、流体质点概念和连续介质假设1mm3空气2.7×1016个分子(1个大气压，00C)流体质点概念

宏观（流体力学处理问题的尺度）上看，流体质点足够小，只占据一个空间几何点，体积趋于零。微观（分子自由程的尺度）上看，流体质点是一个足够大的分子团，包含了足够多的流体分子，以致于对这些分子行为的统计平均值将是稳定的，作为表征流体物理特性和运动要素的物理量定义在流体质点上。EXIT连续介质假设

连续介质假设是近似的、宏观的假设，它为数学工具的应用提供了依据，在其它力学学科也有广泛应用，使用

该假设的力学统称为“连续介质力学”。除了个别情形外，在

水力学中使用连续介质假设是合理的。

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。EXIT

以密度为例，考察物理量是怎样定义在流体质点上的。若流体微团的体积为ΔV，质量为Δm，则流体质点密度为

其中ΔV0

的含义应理解为流体微团趋于流体质点。

连续介质假设为建立流场的概念奠定了基础：设在t时刻，有某个流体质点占据了空间点(x,y,z)，将此流体质点所具有的某种物理量（数量或矢量）定义在该时刻和空间点上，根据连续介质假设，就可形成定义在连续时间和空间域上的数量或矢量场。§1—3

流体的密度和重度密度的定义：单位体积流体所具有的质量。密度的单位：kg/m3

。

几种常见流体的密度：

水——1000kg/m3

空气——1.23kg/m3

水银——136000kg/m3均匀流体的密度：重度的定义：重度的单位：

N/m3

2.流体的相对密度流体的密度与4oC时水的密度的比值。

式中，f

——流体的密度，kg/m3；

w——4oC时水的密度kg/m3。3.流体的比容单位质量流体所占有的体积，即流体密度的倒数。单位：m3/kgEXITVV-ΔVpp+Δp

流体能承受压力，在受外力压缩变形时，体积缩小，密度加大，并产生内力（弹性力）予以抵抗，在撤除外力后恢复原状，流体的这种性质称为压缩性。

压缩系数:单位压力增加所引起的体积相对变化量。

称为体积弹性系数。E越大，越不易被压缩压缩性§1—4流体的压缩性和膨胀性EXITTT+ΔTVV+ΔV

将相对体积膨胀值

dVV

与温度增量dT之比值称为体积膨胀系数。V

越大，越易膨胀。膨涨性

流体受热，体积膨胀，密度减小，当温度下降后能恢复原状，流体的这种性质称为膨胀性。EXIT

液体的压缩性和膨胀性都很小。例如，压强每升高一个大气压，水的密度约增加0.5/10000；常温下，温度每升高10C，水的密度约减小1.5/10000。气体具有显著的压缩性和膨胀性。液体和气体的压缩性和膨涨性通常情况下，气体的密度随压力和温度的变化很明显。对于实际气体，当压力不大于10Mpa时，遵循理想气体（idealgas）状态方程：式中：ρ—气体的密度

T—热力学温度

R—气体常数

p—绝对压力例1－1压缩性问题——压缩系数计算厚壁容器中盛有的水，初始压力为当压力增至时，问水的体积减小了多少？

。解：取水的弹性模数

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。流体层间发生相对滑移运动时产生切向力的性质。

理想流体分子间无引力，故没有黏性。

静止的流体因为没有相对运动而不表现出黏性。

流体粘性实验§1—5流体的粘性（viscosity）牛顿内摩擦定律牛顿平板剪切流动实验当h和u不是很大时，两平板间沿y方向的流速呈线性分布牛顿内摩擦定律实验表明，对于大多数流体（一维、层流、牛顿流体），存在引入比例系数μ，得两层流体间内摩擦应力（剪应力）：——速度梯度，1/s;——剪切变形率，rad/s;——单位面积上的内摩擦力，动力粘度，Pas。由牛顿内摩擦定律可得到如下结论:

粘性切应力与速度梯度成正比；

粘性切应力与角变形速率成正比；

比例系数μ表征了流体粘性的动力学特性，称为动力粘度。动力粘度（dynamicviscosity）:表示单位速度梯度下流体内摩擦应力的大小，它直接反映了流体粘性的大小。

运动粘度（kinematicviscosity）

粘性的表示方法及其单位

单位：（Ns/m2

或Pas）注：油液的牌号是以＝40℃时运动黏度的数学期望值命名的。如20号油液，在40℃时运动黏度的期望值为20mm2/s。

恩氏黏度（EnglerDegrees）

恩氏黏度是指200ml的某温度下的液体从恩氏黏度计（=2.8mm小孔）流出的时间，与200ml的20℃蒸馏水流出恩氏黏度计的时间的比值。

粘度的影响因素

温度对流体粘度的影响很大

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↑

EXIT液体以此为主气体以此为主

运动粘性系数

具有运动学量纲。

注意今后在谈及粘性系数时一定指明当时的温度。

形成牛顿内摩擦力物理机理①分子间的吸引力②分子运动引起流体层间的动量交换

随着温度升高，液体的粘性系数下降；气体的粘性系数上升。EXIT

满足牛顿内摩擦定律的流体称为牛顿流体，否则称为非牛顿流体。牛顿流体理想宾汉流体理想流体伪塑性流体膨胀性流体o

对于非牛顿流体，切应力

和剪切（角）变形速率之间的关系不是正比例关系。牛顿流体与非牛顿流体例2同心环形缝隙运动如图所示，直径为d的轴回转角速度为，轴套长度为L，间隙为，油液黏度为μ，研究轴表面上的摩擦力、轴的摩擦矩