第一章-流体力学绪论.ppt

1、流体力学，胡敏良，吴雪茹主编，第1章绪论，1.1流体力学的任务，发展概况和研究方法，1.1.1流体力学的应用流体力学是很多应用科学和工程技术的基础，有很多用途。 物质通常有固体、液体、气体三种存在形态。 流体是液体和气体的总称。 1、随着航空航天航海、空气力学的发展，飞机可以在蓝天上飞行。 人类开发了音速3倍的战斗机。 使重量超过300吨、面积达到半足球场的大型民用飞机，可以像空气支托象鸟一样飞翔，创造了人类技术史上的奇迹。 排水量在50万吨以上的超大型运输船，单价超过10亿美元，能抵抗大风浪的海上采油平台，海洋石油挖掘平台，2，用能量动力交通，多相流动理论设计制造的大型燃气轮机，水轮机，涡流

2、发动机等动力机械，人类达到100万千瓦建设大型水利枢纽工程、超高层建筑、大跨度桥梁等设计和热水力学与和风工程的理论知识。 长江三峡工程、流体力学在土木工程中的应用： (1)建筑工程的应用有风对高层建筑物的负荷作用、建筑物外壁风压、强风下建筑物摇晃等结构安全性问题，即解决风振问题的基坑排水、地下水渗透、水中和地下建筑物的受力分析库建设海洋平台对水中受力和干扰的稳定性等。 (2)桥链孔径设计在市政工程中的应用大范围桥梁抗风问题城市排水、管网计算、泵站和塔设计、取水工程、送水配水工程、水处理等。 (3)在城市防洪工程中应用河道过流能力、防洪堰过流能力、堤坝力和渗透问题等。 (4)在建筑环境和设备工程

3、中的应用供热、通风、空调设计和设备选定等。 (5)水利水电工程对水电工程流体力学的要求更广泛、更深入，需要水力学课程的知识，能满足工程设计的需求。 1.1.2流体力学发展史，第一阶段(16世纪以前):流体力学形成的萌芽阶段，公元前250年，流体力学第一部分着作，流体静力学，阿基米德：古希腊数学家、力学家、静力学和流体静力学的创始人，浮体，第二阶段(16世纪文艺复兴后-18世纪中叶)流体力学是独立学科的基础关于水力学的浮沉、孔流出、物体的运动阻力及管道、明渠中的水流等问题，实验方法了解了水流的形态，1612年，流体静力学、潜体的浮沉原理在流体静力学中应用了虚位移原理，首先，提出了运动物体的阻力随

4、着流体介质密度的增加和速度的提高而增大。 伽利略，1643年，孔流出式，1650年，液体中的压力传递规律，三切里，帕斯卡，1686年，流体粘性，自然哲学数学原理，牛顿内摩擦规律，牛顿：英国伟大的数学家，物理学家，天文学家和自然哲学家。 第三阶段(18世纪中叶19世纪末)流体力学沿着两个方向：欧拉(理论)、伯努利(实验)、1755年，理想流体平衡微分方程、流体静力学、理想流体运动微分方程、流体力学的基础，欧拉：瑞士数学家、力学家、天文学家、物理学家、变分法的创始人、复函数论的先驱、理论NS方程式、流体力学的基础、粘性流体运动微分方程、第四阶段(19世纪末以来)流体力学飞跃地发展，理论分析和实验研

5、究结合的维数分析和相似性原理发挥了重要的作用1883年雷诺实验(判断流动状态) 1903年普朗克边界层概念(回旋运动) 1903年1934年尼古拉斯尼古拉层流、湍流、粘性流体一维稳态流动、雷诺应力、雷诺：英国力学家、物理学家和工程师。优秀的实验科学家。1883年，1904年，普朗克，德国力学家。 现代流体力学的创始人之一。 在边界层理论、风洞实验技术、翼理论、湍流理论等方面作出了重要的贡献，被称为空气动力学之父。 1912年，卡门涡街，卡门：美国著名的空气力学家解释了机翼张线的线声、水中螺旋桨的嗡嗡声，流体力学在中国，真州船门北宋(960-1126 )时期，运河上建的真州船门比14世纪末荷兰的

6、同类船门早了约300多年潘季顺明代水利家潘季顺(1521-1595 )提出“堤坝溢出，水库减水，用堤坝捆水，用水攻沙”和“清洁刷黄”的治黄原则，两河管见、两河经略和河防融为一体。 在流量清朝雍正年间，何梦瑶在算迪书中提出了流量乘以过水截面积截面平均流速的计算方法。 都江堰(公元前302-235 )、李冰、钱学森、浙江省杭州市人，他在火箭、导弹、宇宙飞船整体、动力、引导、空气动力、结构、材料、计算机、质量管理和科技管理等领域拥有丰富的知识，对中国火箭导弹和宇宙事业的创造和发展作出了卓越的贡献。 1957年获得中国科学院自然科学一等奖，1979年获得加利福尼亚理工大学优秀毕业生奖，1985年获得国

7、家科学技术进步奖特等奖。 1989年获得洛克维尔奖牌和全球科学和工程名人称号，1991年被国务院、中央军委授予“国家优秀贡献科学家”荣誉称号和一级英模奖牌。 周培源(19021993 )。 1902年8月28日出生，江苏省宜兴人。 理论学家、流体力学家主要从事物理学基础理论中最难的两个方面，爱因斯坦的广义相对论引力论和流体力学湍流理论的研究和教育，取得了优异的成果。 吴仲华在1952年发表的轴流、流出式、混流式亚音速和超声波速叶轮机械中的三元流普遍理论、1975年发表的使用非正交曲线坐标的叶轮机械三元流的基本方程式及其解法两篇论文中确立的叶轮机械三元流理论，至今仍是国内外许多优秀叶轮机械设计计

8、计算的1.1.3流体力学的任务流体力学是力学的分支点。 研究流体的平衡和运动规则，以及这些规则在工程中的应用。 研究对象：液体和气体。 本课程主要对液体进行说明。 1、研究内容、流、固体相互作用、流动规律、平衡规律、流体动力学、流体运动学、流体静力学、2、流体力学研究方法、理论研究方法(严格的数学推理)解力学模型物理基本规律解数学方程的分析和流体运动的本质和规律。 实验方法建立类似理论物理模型的实验明确了流体的规律。 数值模拟方法(计算机现代分析手段)建立了数学物理方程的数值计算求解方程，得到了模拟区域内任意时刻的任意位置力和运动要素的值。 理论分析方法、实验方法和数值方法互补互补。 1.2作

9、用于流体的力、作用于流体的力，根据其力学性质分为惯性力、重力、弹性力、粘性力和表面张力。 为了便于分析流体的平衡和运动规律，力的作用方式可以分为质量力(或体积力)和表面力两种。 1.2.1质量力、质量力是作用于流体的各质量点，与作用的流体的质量成正比的力。 在均匀的流体中，质量与体积成比例，因此质量力与作用的流体的体积成比例，也称为体积力。 流体力学中的质量力：重力和惯性力。 重力是地球对流体质点的引力，惯性力是流体加速(或减速)运动时，流体质点因惯性而受到的力。 质量力的表现方法：质量力的大小通过作用于单位质量流体的质量力来测定。 每单位质量的流体所受到的质量力称为单位质量力。设流体的质量为

10、m，所受到的质量力为f，单位质量力为f的维数L/T2，l为基本维数，t为时间。 单位质量力的维度和加速度的维度相同。 另外，在空间正交坐标系中，当质量力f将Fx、Fy、Fz分别投影到各坐标轴上时，单位质量力f在各坐标轴上的成分分别为(1.2 )，单位质量力及其在各坐标轴上的成分的单位为m/s2，与加速度的单位相同。 在重力场中，作用于每单位质量的流体的重力与重力加速度g在数值上相等。 考虑到坐标轴z和垂直方向一致，向上为正，在重力场中作用于每单位质量的流体的重力在各坐标轴上的成分是1.2.2的表面力，表面力是作用于研究对象流体的表面，与作用的表面积成比例的力。两个分力、平行于作用面的切向力(切

11、向应力) t、垂直于作用面的压力(法向应力) p、表面力的表现方法：将作用于采集到的流体的表面积a的压力设为p、切向力设为t、将作用于单位面积的平均压力(平均压力)设为平均切向应力、作用于流体的表面力、法向应力p、压力(压力应力)。 此外，一般的流体张力小，可以忽略。 单位： p、t :牛顿(n) A:m2； p， N/m2，即Pa，作用于流体面积上的某点的点压(压力应力)和点切应力为：1.3流体的主要物理性质，物质通常有固体、液体和气体三种存在形态。 流体是液体和气体的总称。 物理性质上，流体和固体，液体和气体有很大差异： 1、流体和固体流体没有一定形状的固体有一定形状。 固体：既能承受压力

12、，拉伸力，又能承受剪切力，在一定范围内，固体的变形会随着外力的消失而消失。 流体：能承受压力，不能承受拉伸力，抗剪能力极弱。 易流动性由于极小的剪断力，流体在剪断力消失之前，会引起不断的(连续的)剪切变形(流动)。 2、液体和气体、液体有自由的表面，具有一定体积的气体没有一定的体积，无论多大的容积都能满足。 液体的压缩性极小，气体具有高压缩性和膨胀性。 气体具有比液体大得多的流动性。 流体运动的形态和运动规律除了与外界因素(包括边界条件、动力条件等)有关之外，更重要的是依赖于流体自身的物理性质。 流体的主要物理性质如下：1.3.1流体的质量和流体受到的重力、密度：单位体积流体具有的质量。 质量

13、是表示惯性大小的物理量，惯性是物体保持原来的运动状态的性质。 流体的质量越大惯性越大，流体的运动状态越难变化。 质量以密度表示：流体的主要物理性质：均质流体：非均质流体：密度维M/L3，单位： kg/m3，g/cm3。 重量：每单位体积流体受到的重力用表示，流体受到的重力是对地球流体的引力。 均质流体：非均质流体：重度维F/L3，单位： N/m3，kN/m3。 不同流体的密度和重度各不相同，同种流体的密度和重度随温度和压力而变化。 参照表1.1和表1.2。 实验表明，液体的密度和重度随温度和压力的变化很小，可以近似为常数。 常见液体密度：1.3.2粘性，粘性是流体抵抗剪切变形的属性。 从流体的

14、力学特征来看，静止流体不能承受剪切力，即在任何微小剪切力的持续作用下，流体必须连续变形。 但是，不同的流体在相同的剪切力下变形速度不同，反映了抵抗剪切变形的能力差异。 抵抗这种剪切变形的能力是流体的粘性。 牛顿(17世纪)的实验说明了流体的粘性：距离h的上下平行平板之间充满了均质的粘性流体。因为两平板的面积都为a足够大，所以可以省略平板周围的边界的影响。 在固定下板的状态下，用力f将上板拖动到与下板平行的等速直线运动上。 实验表明，(1)流速分布由于流体的粘性，在流体和平板之间有附着力，紧贴上板的薄层流体以速度u与上板一起向右移动，紧贴下板的薄层流体和下板一样静止速度为0。 两板之间的各薄层流

15、体随着上板，进行平行于平板的运动，其运动速度从上到下逐步减少，上板的u减少到下板的零。 在这种情况下，两板间的流体流动的速度呈直线性分布，即，与流动方向垂直的速度梯度不是两板间的流体流动的速度呈直线性变化，而是呈曲线性变化，如图中的虚线所示，与流动方向垂直的速度梯度为。 很明显，因为各流层的速度不同，流层间有相对运动，产生切向力，这称为内摩擦力。 作用于两个流层接触面的内摩擦力总是成对出现，即大小相等，方向相反，分别作用于相对运动的流层。 速度大的流体层作用于速度小的流体层的内摩擦力f，其方向与流体的流动方向相同，使下层的流体向前方移动。 另一方面，速度小的流体层作用于速度、大的流体层的内摩擦

16、力f，其方向与流体的流动方向相反，阻碍上层的流体运动。 (2)牛顿内摩擦定律从牛顿(Newton )实验研究结果发现，运动流体的内摩擦力(切向力) f的大小与垂直于流动方向的速度梯度du/dy成比例，与接触面的面积a成比例，与接触面上的压力p无关，与流体的种类有关。 内摩擦力的数学式可以写为：可以写为：两板间的流体流动速度呈线性分布时：有：式中为比例系数，称为动力粘性系数，简称粘度。 的物理意义：发生单位速度梯度，相邻流层作用于单位面积的内摩擦力(剪切应力)的大小。 流层间的每单位面积的内摩擦力F/A为切向应力，流速直线分布，f :流体层接触面上的内摩擦力，n； a :流体层间接触面积、m2；

17、 du/dy :垂直于流动方向的速度梯度，1/s :动力粘性系数是流体粘性大小的尺度，与流体的物理性质有关。 单位：牛顿秒/米2=Ns/m2=帕斯卡秒=Pas。 流速曲线分布在研究流体运动时。 也经常使用运动粘性系数(也称为运动粘度)，式中定义为流体密度，国际单位制中定义为米2/秒(m2/s )。 所谓运动粘度的原因，是因为其单位包含了运动学的量，即长度量和时间量。 实验表明，流体的粘度主要与温度有关，而与压力无关。 一般液体之和随着温度的增加而减少的气体之和随着温度的增加而变大。 两者的变化倾向相反。 指出对于气体和大部分纯液体，水、汽油、煤油、酒精等遵循牛顿的摩擦规律，称为牛顿流体。 泥浆、有机胶体、油漆等不遵守牛顿内摩擦规律，被称为非牛顿流体。 牛顿流体：任意点的剪切应力与剪切变形速度呈线性函数关系的流体，即遵循牛顿内摩擦定律的流体称为牛顿流体。 非牛顿流体：不满足上述条件的称为非牛顿流体。 【例1.1】一块平板距另一块固定平板h=0.5mm，两块板被水平放置，其间充满了流体，上板以每单位面积=2N/m2的力以U=0.25m/s的速度移动。 求出该流体的动力粘性系数。 【解】由于两平板的间隙小，可以认为速度分布是线性分布、速度梯度，根据牛顿内摩擦的规律，(Pas )、【例1.2】一缸内壁的直径D=12