流体力学第一章.ppt

1、流体力学,第一章 绪论 第二章 流体静力学 第三章 一元流体静力学基础 第四章 流动阻力和能量损失 第五章 孔口管嘴管路流动 第六章 气体射流 第七章 不可压缩流体动力学基础 第八章 绕流运动 第九章 一元气体动力学基础 第十章 相似性原理和因次分析,教学计划,课堂讲解与课上思考题相结合 课后作业 成绩评定 平时:30% 考试:70%,48学时(6学时实验课),第一章 绪论,流体力学： 宏观力学。 Fluid Mechanics, Hydrodynamics,研究对象：流体(Fluid)。包括液体、气体、软物质。 液体无形状，有一定的体积；不易压缩，存在自由（液）面。 气体既无形状，也无体积，

2、易于压缩。,研究任务： 研究流体所遵循的宏观运动规律以及流体和周围物体之间的相互作用。,什么是流体？,流体的一般定义：液体和气体的统称，它们没有一定的形状，容易流动。（现代汉语词典） 流体的力学定义：流体不能抵抗任何剪切力作用下的剪切变形趋势(体积保持不变)。 当剪切力停止作用后，固体变形能恢复或部分恢复，流体则不作任何恢复。,自然界的流体力学,自然界的流体力学,工程运用航空航天,工程运用建筑水利,工程运用汽车,流体力学发展简史,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

3、）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 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

4、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

5、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,流体力学,空气动力学、超高速气体动力学 物理化学流体力学 稀薄气体动力学 水动力学、船舶流体力学 环境流体力学 生物流体力学 多相流体力学 微流体力学 ,学习流体力学的重要性,流体力学是建筑环境与设备工程专业的一门主干专业基础课，它的任务是通过各种教学环节，使大家掌握流体力学的基本理论，计算方法和实验的基本技能，为学习专业课程，从事专业工作和科学研究打下基础。 学好流体力学，才能对专业范围内的流体力学现象作出合

6、乎实际的定性判断，进行足够的定量估计，正确地解决专业范围内的流体力学的设计和计算问题.,1.1 作用在流体上的力 一、质量力 质量力指某种力场作用在流体的每一个质点上，大小与受作用的流体质量成正比的力。如重力、惯性力等。 单位质量力：单位质量的流体所受的质量力。,设在流体中M点附近取质量为m的微团，其体积为V，作用于该微团的质量力为FB，则称极限 为作用于M点的单位质量的质量力。,单位质量力,流体力学中碰到的普遍情况是流体所受的质量力只有重力。 重力场中单位质量力,质量力特点：作用在流体体积上，随空间位置和时间变化。,二.表面力 表面力是指作用于流体表面上，大小与作用表面积成正 比的力。如：流

7、体压力，流动阻力。尽管流体内部任意一对相互接触的表面上，两部分流体之间的表面力是大小相等，方向相反，相互抵消的。但在流体力学分析问题时，常常从流体内部取出一个分离体，研究其受力状态，这时与分离体相接触的周围流体对分离体的作用的内力变成了作用在分离体表面的外力。 表面力是就所研究的流体系统而言的，它可能是周围同种流体对分离体的作用，也可能是另一种相邻流体对其作用，或是相邻固体壁面的作用。,二.表面力 单位面积上作用的表面力称做表面应力，一般分解为法 向应力和切向应力。,1.2 流体的主要物理性质 流体的基本特性： 易流动性：流体在静止状态下，一旦受到剪切力或拉力的作 用，无论受力多么小，其静止状

8、态即会发生改变， 呈现流动状态。 连续性：流体可以被无限分割为具有均布质量的宏观微元体， 这个微元体在宏观上无限小，微观上无限大，满足数 学统计平均量，具有宏观属性。,一、流体的惯性 质量m(kg)：表征惯性的物理量。 密度(kg/m3)：描述流体质量在空间分布程度的物理量。 均质流体： 非均质流体：,计算中常用流体的密度 水：=1000 kg/m3 汞： Hg=13595 kg/m3 干空气在温度为290K，压强为760mmHg时密度： a=1.2kg/m3,流体的粘性：流体流动时产生内摩擦力的性质称为流体的黏性。流体内摩擦的概念最早由牛顿（I.Newton,1687）提出。,二.流体的粘性

9、,把一块薄圆板用细金属丝平吊在液体中，将圆板绕中心转过一角度后放开，靠金属丝的扭转作用，圆板开始往返摆动，由于液体的粘性作用，圆板摆动幅度逐渐衰减，直至静止。分别测量了普通板、涂腊板和细沙板，三种圆板的衰减时间。,库仑实验,三种圆板的衰减时间均相等。 衰减的原因，不是圆板与液体之间的相互摩擦 ，而是液体内部的摩擦 。,流体粘性成因,流体内摩擦是两层流体间分子间吸引力和分子动量交换的宏观表现。,当两层液体作相对运动时，两层液体分子的平均距离加大，吸引力随之增大，这就是分子间吸引力。,流体粘性的成因,气体分子的随机运动范围大，流层之间的分子交换频繁。,两层之间的分子动量交换表现为力的作用，称为表观

10、切应力。气体内摩擦力即以表观切应力为主。,一般认为：液体粘性主要取决于分子间的引力，气体的黏性主要取决于分子的热运动。,与两流层间的速度差du及流层的接触面积A成正比,和流层间距dy成反比。 与流体种类有关。 与流体的压力大小无关。,或,牛顿内摩擦定律,或,单位速度梯度作用下的切应力对单位体积质量作用产生的阻力加速度，由于在 的因次中没有力的因次，并具有运动学要素，称为运动黏滞系数。 流体的流动性是运动学的概念，所以衡量流体的流动性应用 运动黏滞系数。,2、牛顿流体与非牛顿流体 凡遵守牛顿内摩擦定律的流体称为牛顿流体，反之称为非牛顿流体。常见的牛顿流体有水、空气、酒精、汽油等，非牛顿流体有泥浆

11、、油漆、油墨等。,牛顿流体: 剪应力和速度梯度满足线性关系。图中A所示。 非牛顿流体：剪切应力和速度梯度之间不满足线性关系的流体。 图中B、C、D均属非牛顿流体。,黏度测量仪由内外两同心圆筒构成，空隙间充满油液，外桶转速为n(r/min),内桶 固定悬挂于一金属丝下，金属丝所受扭矩可以通过扭转的角度测定。内外桶半径 分别为r1和r2，间隙b=r2-r1，底面间隙为a，内桶高H，求油液动力黏度的计算式。,r1,r2,a,M,n,H,内桶侧面由黏性切应力产生的对转轴的力矩,内桶底面所受的力矩,内桶所受的总的力矩,动力黏度计算公式,式中a，H，r1，r2 为几何参数，总力矩M测量可得，转数n给定。则

12、,三、流体的压缩性和热胀性 流体受压，体积缩小，密度增大的性质称为流体的压缩性。流体受热体积膨胀密度减小的性质称为流体的热胀性。,液体的压缩系数,液体的热胀性,气体的压缩性极热胀性,温度不变,压强不变,已知压强为98.07kPa,0时的烟气的密度为1.34kg/m3，求200时的烟气密度。,初始状态,表面张力,水滴成球形以使其表面积最小,汞在玻璃表面的形状. 小汞滴成几乎完美的球形, 而大的汞滴成扁平状,1.表面张力：由分子的内聚力引起单位：N/m,发生在液气接触的周界、液固接触的周界、不同液体接触的周界,四、表面张力特性,2.毛细现象：液固接触,液固间附着力大于液体的内聚力,液固间附着力小于

13、液体的内聚力 由于重力与表面张力产生的附加压力的铅直分力相平衡，所以：,凹上升,凸下降,h,h,接触角概念： 当液体与固体壁面接触时，在液体，固体壁面作液体表面的切面 此切面与固体壁在液体内部所夹部分的角度称为接触角，当为 锐角时液体湿润固体，当为钝角时液体不湿润固体。,1.3 流体的力学模型 一、连续介质模型 流体力学中将流体假设为由连续分布的流体质点组成的连续介质。 不考虑复杂的微观分子运动。 表征流体性质和运动特性的物理量和力学量为时间和空间的连续函数，可用数学中连续函数这一有力手段来分析和解决流体力学问题。 二、理想流体 实际流体都具有粘性。当粘性力对流动影响很小时，假设流体没有粘度，

14、这种无粘度的假想的流体模型称为理想流体。引入理想流体模型后，大大简化了流体力学问题的分析和计算。 三、不可压缩流体 不计压缩性和热胀性（ =c ）而对流体物理性质的简化，液体的压缩性和热涨性均很小，密度可视为常数，通常用不可压缩流体模型。气体在大多数情况下，也可采用不可压缩流体模型，只有在某些情况下，例如速度接近或超过声速时，在流动过程中密度变化很大时，才必须用可压缩流体模型。,按力的作用方式,可将作用在液体上的力分为表面力和 A 重力 B 摩擦力 C 质量力 D 阻力 作用在流体上的质量力包括 A 压力 B 摩擦力 C 重力 D 惯性力 流体力学中，单位质量力是指作用在 A 单位面积液体上的

15、质量力 B 单位体积液体上的质量力 C 单位质量液体上的质量力 D 单位重量液体上的质量力 封闭容器盛水，在地面上静止时水所受单位质量力为 多少？ A 0 B -g C mg D -mg 一列火车在水平直道上匀速行驶时，车内的流体所受 的单位质量力为多少？ A 0 B -g C mg D mg 封闭容器从空中自由下落时，其单位质量力又为多少？ A 0 B -g C mg D -mg,与牛顿内摩擦定律直接有关的因素是 A 压强，速度和黏度 B 流体的黏度，切应力与角变形律 C 切应力，温度，黏度和速度 D 压强，黏度和角变形率 水的黏性随温度的升高而 A 增大B 减小 C 不变D 不能确定 气体

16、的黏性随温度的升高而 A 增大B 减小 C 不变D 不能确定 流体的运动黏度的国际单位制单位是 A m2/sB N/m2 C kg/mD Ns/m2,11.从力学的角度分析，一般流体和固体的区别在于流体 A 能承受拉力，平衡时不能承受切应力。 B 不能承受拉力，平衡时能承受切应力。 C 不能承受拉力，平衡时不能承受切应力。 D 能承受拉力，平衡时也能承受切应力。 12.理想流体的特征是 A 黏度是常数 B 不可压缩 C 无粘性 D 符合pV=RT 13.流体力学中，通常采用三种流体力学模型进行简化分析推理，不属于这 三种液体力学模型的是 A 牛顿液体模型 B 理想液体模型 C 不可压缩液体模型 D 连续介质模型 14.下列哪几种流体为牛顿流体 A 空气 B 水 C 血液 D 汽油 E 泥浆 F 纸浆 G 沥青 H 酒精 15.液体（如水）加热后，黏度减小主要是因为( )，气体（如空气） 加热后，年度增大主要是因为( )。 A 分子运动加剧 分子运动加剧 B 分子运动加剧 分子平均距离增大 C 分子平均距离增大 分子运动加剧 D 分子平均距离增大 分子平均距离增大,16.用不可压缩流体的模型分析流动的范围