流体力学(1)新.ppt

1、,第一章 流体及其物理性质,1-1 流体的概念,1-2 流体的密度和重度,1-3 流体的压缩性和膨胀性,1-4 流体的粘性,绪论,机电工程学院 王柏华,流 体 力 学,流 体 力 学, 流体机械：包括原动机和工作机。, 工作机：水泵、风机、空气压缩机。, 原动机：水轮机、汽轮机、风力机、气动工具；,以水、汽、风、气为动力，将流体能量（包括位能、压力能和动能）转为原动机的机械能。,将工作机的机械能转为流体的能量（压力能和动能）。,绪 论,提高液体（气体）机械能的机械称为泵（风机）。,绪 论,通过分析流体的运动规律，以减少流体流动的阻力损失，从而提高流体机械运行的稳定性和效率。,流体力学与流体机械

2、,绪 论,0-拦河大坝：提高了上游 水位，增大了水的势能。,5-进水道阀门。,3-水轮：水沿进水道冲泄 下来，势能变动能，并 传递给水轮。,4-发电机：水轮带动组转动，并使发电机发电。,（5）,1-泄洪口：防洪及调节水位。,小知识：船闸,（0）,2-拦河大坝断面。,（1）,（2）,（5）,（3）,水的位能转变成水轮机 的机械能。,绪 论,蒸汽压力能转变汽轮机的机械能。蒸汽在喷嘴4中发生膨胀，压力降低，速度增加，热能转变为动能；,高速汽流冲击动叶片3，推动叶轮2旋转做功，并将蒸汽的动能变成轴1旋转的机械能。,整套转子的叶轮,风的动能转变成风力机的机械能,压气的压力能转变成气动工具机械能,汽(叶)

3、轮,绪 论, 流体机械的应用：是国民经济各部门使用的通用机械。广泛应用在煤炭、石油、钢铁、化工、造船、水利、 轻工、电力等国民经济的各个领域中。, 农业灌溉与排涝： 离心泵、轴流泵。, 城市给排水工程：抽水、一级泵站、水厂、增压泵站、 用户提压设备等要使用大量的水泵。, 电力工业：主要是水轮机发电和汽轮机发电。 全国发电量的约1/3用来驱动工作机。 泵与风机在发电厂中有非常重要性的地位。, 采矿工业：水、尘、有害气体。用泵、风机、压缩机。,绪 论, 钢铁工业：冶炼需要空气和氧气来提高温度，同时对 物件要进行冷却。要使用大量的泵、风机。, 化学工业：参与化学反映的原料大多为气体和液体， 泵和压缩

4、机称为化工厂心脏。, 采暖、通风（制热）、通风（制冷）、降尘、消防、污水处理：大量的泵（泵2）和风机。, 石油工业：石油开采、输送用大量的潜油泵、注水泵、 管道泵。,绪 论,有“亚洲第一斜轴泵”之称的河 套灌区红圪卜扬水站的斜轴泵。,曾经是黄河流域超量用水大户的内蒙古自治区八百里河套灌区，近年来在农业开发中注重发展节水灌溉，增粮不增水，初步建成优质、高产、高效、低耗的节水灌溉农业示范区 。,绪 论,城市给水流程,进出水口,供水管路,供水管路,烟道 （）,锅炉给水泵,除氧器（减少汽泡）,冷凝泵 （能排水、汽）,凝汽器 （汽冷凝成水）,发电机,汽轮机,烟囱,引风机,鼓风机,锅炉,立管,锅炉汽包,省

5、煤器,第五章 给排水系统,图5-1 热力发电厂系统简图,空气,绪 论,灰渣泵,冲灰水泵,排粉风机,升压泵,凝结泵,给水泵,循环水泵,射水泵,疏水泵,送风机,引风机,蒸汽,水,绪 论,锅炉供水给水泵突然发生故障或给水管道破裂发生严重泄漏，会使锅炉缺水，甚至发生烧干锅炉而被迫停止发电的重大事故。,泵与风机运行状况以及流体在系统内的流动正常与否都直接影响着发电厂生产的安全性和经济性。,当流体在泵与风机内流动的阻力损失增大，或是泵与风机运行工况的调节不当时，又会使泵与风机的效率降低，耗电量增加。,绪 论, 流体力学研究对象,以流体为研究对象，研究其,静止 的力学规律。 运动,流体静力学：研究静止流体内

6、部的压力及分布规律。,流体动力学：研究运动流体的压力及分布、速度分 布、与固体之间摩擦力和流动损失等。,绪 论,因此，本课程是机械、冶金、化工、石油、电力、水 利、采矿、航天等专业必不可少专业基础和专业课。,流体力学是学习流体机械原理及工程应用必不可少 的专业基础课程。,（应用：如测压管测压力原理）,（应用：如流量计测流量原理）,流体力学与流体机械的发展,绪 论,古代：人类为了生存，在向洪水作斗争、向 自 然要动力的过程中，积累了丰富的实用水力学 知识和简单流体机械的知识。, 公元前两千多年前的大禹治水；, 春秋战国和秦朝时修建了都江堰、郑国堰和灵 渠三大古老水利工程；, 隋朝时开通的闻名中外

7、、全长为 1782km 的京 杭大运河；,1623-1662年：帕斯卡证明了平衡流体中压力传递规 律的“帕斯卡定律”和“连通器原理”。,1643-1727年：牛顿建立了流体作层流运动时反映内 摩擦力关系的“牛顿内摩擦定律”。,绪 论,近代：帕斯卡、牛顿、伯努利、欧拉、谢才、 纳维尔-斯托克斯、雷诺、普朗特等科学家建 立了古典理论流体力学等。, 公元前287-212年：阿基米德论述“浮力定律”。,在生产和生活中使用了序斗、吊杆、辘轳、水 车、风箱等简单流体机械；,19世纪初：纳维尔和斯托克斯导出了粘性流体运动 力、质量力、粘性力和加速度之间关系 的 “纳-斯微分方程”（N-S 方程），用 来推导

8、“圆管中流体层流运动速度分布 规律”、“缝隙流速度分布规律”等）。,绪 论,1707-1783年：欧拉导出了“理想流体平衡和运动微 分方程”和“连续性性程”。,1700-1782年：伯努利通过实验建立了运动流体的 位能、压力能和动能相互转换的“伯 努力方程”（可求工程中运动流体的 速度、压力、位置）。, 1718-1798年：谢才导出了明渠均匀流流速公式。, 19世纪未： 雷诺导出了判别流体运动状态的“雷诺公式” （用来判别流体的运动状态）； 尼古拉茨研究出了“沿程阻力系数实验”方法 （用来计算或查出沿程阻力系数）。 瑞莱夫导出了“量纲分析”式；,绪 论, 由于采矿、钢铁工业的需要，出现了一种

9、比较完善 的以蒸汽机为动力的往复式泵与风机。 欧拉和儒可夫斯基分别研究出叶片式泵与风机的基 本方程式和升力公式，,20世纪60年代：由于技术问题的专业化，流体力学分 离出了空气动力学、电磁流体力学等，更加确 定了流体力学一门重要的技术基础课程。,绪 论,现代：流体力学与流体机械在航空航天、电力、石 化、水利工程、高速列车等领域内得到了广 泛的应用和高速发展。,国外轴流式送引风机：电动机功率已达 11000kw ； 已有轮毂直径为 2240mm的超大型轴流风机。,世界最大长江三峡水电站：总装机容量达 18200MW, 单机容量为 700MW 。,国外锅炉给水泵：驱动功率高达55MW，转速7500

10、r/min。,绪 论,世界上迄今为止最大的“南水北调”水利工程：惠及 中国长江、黄河、淮河和海河四大流域。,X-43A飞机：是目前世 界上飞行速度最快的 飞行器，高达9.8倍音 速（11265千米/小时）,后由其独子禹主持治水大任。 他确立了一条与他父亲的“堵” 相反的方针，叫作“导”，就是 疏通河道，拓宽峡口，让洪水 能更快的通过。禹采用了“治水 须顺水性，水性就下，导之入海。高处就凿通，低处就 疏导”的治水思想。禹治水13年，三过家门末进，耗尽 心血与体力，终于完成了这一件名垂青史的大业。,绪 论,大禹治水,大约在4000多年前，我国的黄 河流域洪水为患，尧命鲧负责 领导与组织治水工作。鲧

11、采取 “水来土挡”的策略治水而失败。,大禹治水,世界上历史 最悠久的水利工程 李冰（公元前302-235） 是我国科学治水的典范， 伟大的水利学家。他领 导创建了都江堰。在水 利史上立下了千古奇功， 名扬世界，造福百姓， 功垂千秋，恩泽万世。,绪 论,李冰,大禹导江，开明拓峡， 蜀地疏渠；李冰筑堰，,其科学合理的设计 方案，仍令当今科 学界赞叹不已。,鱼嘴分水堤、宝瓶 口、飞沙堰溢洪道 三大主体工程相互 依存，相互制约， 形成布局合理的系 统工程，联合发挥 分流分沙、泄洪排 沙、引水输沙的重 要作用。,绪 论,都江堰,绪 论,世界上最长人工河流 也是最古老的运河之一。它和万里长城并称为我国古代

12、的两项伟大工程，闻名于全世界。,2400多年前，吴国为北伐 齐国，在江苏扬州附近开 凿了一条引长江水入淮的运河 （称邗沟），以后在这基础上 不断向北向南延长，尤其经隋 朝和元朝二次大规模扩展和整 治，基本完成了今日的规模。,京杭大运河,全长1800千米 经京、津、冀、鲁、 苏、浙，沟通海河、 黄河、淮河、长江、钱塘江五大水系。,绪 论,宝贵历史遗产 古人在流体力学、 泵与风机学科中留 下的宝贵历史遗产。,辘轳,绪 论,水车,宝贵历史遗产 古人在流体力学、 泵与风机学科中留 下的宝贵历史遗产。,将机械能转换成水 的位能相当于泵,泄水点,将水位能转换成机械能相当水轮机,绪 论,风箱,宝贵历史遗产

13、古人在流体力学、泵与风机 学科中留下的宝贵历史遗产。,绪 论,流体静力学的奠基人 阿基米德是古希腊数学家、力 学家，没有一个古代的科学家 象阿基米德那样将熟练的计算 技巧和严格证明融为一体，将 抽象的理论和工程技术的具体 应用紧密结合起来。,阿基米德,力学杠杆定律 曾发出豪言壮语： “给我一个立点， 我将移动地球！,论浮体 “阿基米德原理”：浮力大小等 于它排开的液体受到的重力。,绪 论,帕斯卡,压强单位“帕” 帕斯卡是法国数学家、物理 学家、哲学家。后人为纪念 帕斯卡，用他的名字来命名 压强的单位，简称“帕”。,大气压随高度变化规律 帕斯卡不仅重复了托里拆 利实 验，而且验证了他自 己的推论

14、：既然大气压力 是由空气重量产生的，那 么在海拔越高的地方，玻 璃管中的液柱就应该越短。,水压机的最初设想,帕斯卡定律,连通器原理,绪 论,牛顿,万有引力定律 牛顿由于发明了万有引力定律 而创立了科学的天文学，由于进行了光的分解而创立了科学的光学，由于创立了二项式定理和无限理论而创立了科学的数学，由于认识了力的本性而创立了科学的力学。,牛顿内摩擦定律 建立了流体作层流运动时反映内摩擦力关系的“牛顿内摩擦定律”,绪 论,理论流体力学的创始人 伯努力是瑞士科学家，曾在俄国彼得堡科学院任教，他在流体力学、气体动力学、微分方程和概率论等方面都有重大贡献，是理论流体力学的创始人。,伯努利,流体动力学 伯

15、努力于1738年出版流体动力学一书著称于世。书中提出理想流体中能量守恒定律。这个定理和相应的公式称为伯努利定理和伯努利公式。,绪 论,流体力学的奠基者 欧拉是瑞士数学家、力学家、天文 学家、物理学家。复变函数论的先 驱者，理论流体力学奠基人。,流体平衡与运动微分方程 反映平衡流体质量力 和表面力之间的关系。 而运动时反映质量力、 表面力和加速度关系。,欧拉描述流体运动 根据空间固定点和根据某一流 体质点分别描述流体速度场方 法。称为欧拉法和拉格朗日法。,连续方程 流体质量守恒定律。即流入与 流出 R质量其差值等于由密度 引起的R内质量的变化量。,欧拉,绪 论,明渠均匀流 管道均匀流 他在水力学

16、上的主要贡献是提出了明渠均匀流和管道均匀流流速公式。该公式至今仍是水力学中最重要内容之一，有些水力学教材称该公式为谢才公式。今天我们在设计渠道或排水河道用的就是谢才公式 。,谢才,谢才 （A-Chezyap） 17181798 法国水力工程师,绪 论,纳维尔和斯托克斯（N-S）方程 纳维和斯托克斯作为连续介质力学的先驱者，在流体力学方面的最重要的贡献是建立了粘性流体运动方程，即NS方程。,纳维,斯托克斯,纳维尔 （L.Navier） 17851836，法国,斯托克斯 （G.Stokes） 18191903，英国,绪 论,层流与紊流两种形态 他是一位杰出的实验科学家。 他于1883年发表了一篇经

17、典 性论文决定水流为直线 或曲线运动的条件以及在平 行水槽中的阻力定律探讨。 这篇文章以实验结果说明水 流分为层流与紊流两种形态， 并提出以无量纲数Re（后称 为雷诺数）作为判别两种流 态的标准。,雷诺 （O.Reynolds） 18421912，爱尔兰 英国力学家 物理学家和工程师,雷诺,绪 论,普朗特,空气动力学之父 普朗特（L.Prandtl，18751953，德国）。德国力学家。现代流体力学的创始人之一。 他在边界层理论、风洞实验技术、机翼理论、紊流理论等方面都作出了重要的贡献，被称作空气动力学之父。,中国两弹一星创建人 钱学森（1911）浙江省杭州人，空 气动力学家，中国科学院院士，

18、中国 工程院院士。为中国火箭、导弹和航 天事业创建与发展作出了杰出的贡献。,钱学森,第一章 流体及其物理性质 研究流体运动前，必须了解其物理性质及影响因素。,11 流体力学模型 建立流体力学模型，主要是简化流体的物质结构和物理性质，便于求出流体运动规律的数学方程式。,一、“连续介质”模型 对流体物质结构的简化。, 认为：流体是无空隙、充满其空间的连续体。,第一章 流体及其物理性质, 意义:（1）可不考虑流体复杂微观分子运动， 只考虑在外力作用下流体的宏观机械运动；,（2）流体是连续体，其物理量（ ）是连续的，则 其物理量可看作时间和空间（ ）连续函数，可 用数学工具解决问题。,二、“无粘性(

19、理想 )流体”模型 对物理性质简化, 认为：理想流体无内摩擦力（则与管壁亦无摩擦力）。, 意义：简化问题分析，得出结论再扩展到粘性流体中。,三、“不可压缩流体”模型 对流体物理性质的简化, 认为：不可压缩流体的密度为常数。, 意义： （1）液体压缩性非常小，视为不可压缩，则密度不变；,第一章 流体及其物理性质,（2）气体具有压缩性，但一般通风（ 且压力 和温度变化不大）视为不可压缩流体，则密度不变。,12 流体的密度和重度 这是代表流体物理性质的两个最基本的概念。,一、流体密度, 均质流体： 非均质流体某点：,二、流体重度, 均质流体：, 与 的关系：,第一章 流体及其物理性质,流体密度见表1

20、-1。,第一章 流体及其物理性质,流体温度一定，每 增加一个单位压力时体积变化率。,13 流体的压缩性和膨胀性 流体密度和重度随温度和压力变化（分子间有间隙）。,压力增大，分子间距减小，体积被压缩。,温度升高，分子间距增大，体积则膨胀。, 定义：流体受压，其体积减小， 密度增大的性质。,一、流体压缩性, 表示：用压缩系数表示。, 压缩系数 :,图a 流体压缩性,第一章 流体及其物理性质,推导2：,推导1：,则：,第一章 流体及其物理性质, 弹性模量（数） ：,因为：物体受压越大，则 ，其向外膨胀力越大， 。,二、流体膨胀性,物体受压，产生向外的膨胀力，即弹性力（或流体反 抗其压缩变形的能力）。

21、用弹性模量表示。, 定义：流体受热，其体积膨 胀，密度减少的性质。, 表示：用膨胀系数表示。,图b 流体膨胀性,第一章 流体及其物理性质, 水的压缩性：表1-2：20 水，,膨胀系数 :,流体压强一定，每增加一个单位温度 时的体积变化率。,当：压强升高1个大气压时（即 ）。,根据：,则：,三、水的压缩性和膨胀性,第一章 流体及其物理性质, 水的膨胀性：20 水， 。,认为：液体不可压缩，即 。,即：当水压升高 时，其密度增加了二万分之一倍。,当：温度升高1 时，即 。,则：,即：当水的温度升高 1 时，其密度减少了万分之 一点五倍（或其体积增加了万分之一点五倍）。,认为：液体膨胀性很小（ 除外

22、），即 。,第一章 流体及其物理性质,或：,工程中：当气体速度 ，且压力 和温度 变化不大时，认为密度 。,例1-1：, 注意 ：气体具有压缩性和膨胀性。,根据气体状态方程 ：当压力 （ ）和 温度 （ ）发生变化时，密度 （ ）也 随之变化，即 。,第一章 流体及其物理性质,2层带3层 转动,3层带 盘转动（ ）。,1层与2层紧紧吸附 在一起并带2层转动,粘附到盘 上的第1层液体转动,14 流体的粘性 各种流体的流动性有大有小，当外界条件相同时，比 较粘的流体流动较缓，能承受较大剪切力，流体的这 种能力表示流体的另外一种物理性质，即流体的粘性。,一、粘性及其表现,1、粘性的表现： 与 盘之间

23、充满液体，当 盘转 时， 盘也随之转动，为什么?,盘转动,图1-1a 粘性及表现,第一章 流体及其物理性质,流体作层状运动时 （工程上两相对运 动的平板之间有缝 隙，则认为粘附到 两平板上的润滑油 作层流运动），其层与层间产生内摩擦力计算(见上图)？,则：流层之间有内摩力产生，从而产生相对运动， 快层带动慢层，慢层阻滞快层运动。,2、粘（滞）性：流层作相对运动时，层与层之间产生 内摩擦力（即粘滞力），以反抗其相对运动的性质。,二、牛顿内摩擦定律,图1-1b 圆管中的层流运动,第一章 流体及其物理性质,1、圆管中层流运动及内摩擦力,2、两平板层流运动及内摩擦力,（慢层）,（快层）,则微团发生角变

24、形（剪切变形），称角变形速度 。,图1-3 速度分布与流体微团变形,条件：两板间充满液体，下板固定，上 作用以 平移。,流层速度分布：附着在上板流层速度为 ，下板流层 不动，中间层在接触面上产生内摩擦力并相互作用， 其速度按线性（ 较慢）或非线性（ 较快）分布。,第一章 流体及其物理性质,微团变形：取微团 ，经 移动到 。,与液体性质有关的粘度系数， ；,式中： 两流层接触面积， ；,沿 方向的变化率，称速度梯 度， ；,内摩擦切应力 :,内摩擦力 :,第一章 流体及其物理性质, 牛顿内摩擦定律：,也称角（或剪 切）变形速度；,第一章 流体及其物理性质,：流体质点无相对运动，粘性不呈 现出来，

25、则无内摩擦力， ；,使 或 为正值而设定。,：取“+”；,：取“-”；,注：,例1-2： 已知：两固定平板 ， 速度分 布 。 求：(1) 上板 ，若 使上板不动则 (2) 和 处内摩擦应力 ?,解：(1) 思路：首先找出任两层(相距 )之间内摩力 分布，即 。则当 时的 即要求的 。,则：当,例题图,第一章 流体及其物理性质,注意：,则： 处的内摩力：,则：,即： 使上板不动的力 ： （与 的方向相反）,由已知条件：,则：,注意：若使下板保持不动，求作用在下板上的力,第一章 流体及其物理性质,则：,则：,则： 处：,即： 使下板不动的力 ： （与 的方向相反）,则：,（2）求 处两层内摩擦应

26、力：,第一章 流体及其物理性质,（3）同理： 处两层内摩擦应力：,愈大，流体流动的阻力愈大。,三、粘性的度量 粘性的大小用粘度来表示。在液压系统中使用的油 液，主要根据粘度来选择的。粘度有以下度量方法:,1、动力粘度 ：,是反映流体粘滞性大小的系数，表示单位递度下内摩擦切应力的大小。,第一章 流体及其物理性质,又称绝对粘度、动力粘度系数、粘度。,因含动力要素：力、时间，表征流体动力特性，故称动力粘度（见表1-3、1-4）。, 动力粘度的测量：,第一章 流体及其物理性质,将读数乘上特定的系数即为该液体的粘度。,转子放到被测液体中，通过转轴、游丝、刻度圆盘和电机连接并稳定旋转；,如果转子未受到液体的阻力，则游丝、指针与刻度圆盘同速旋转，指针在刻度上指出的读数为“0”。,如果转子受到液体粘滞阻力，则游丝产生扭矩，与粘滞阻力抗衡最后达到平衡，与游丝连接的指针指示一定的读数