流体力学课件-ch1

1、流体力学,主讲：孟祥铠,第一章 绪论,第二章 流体静力学,第三章 流体动力学,第四章 相似和量纲分析,第五章 管中流动,第六章 孔口和缝隙流动,第七章 气体的一元流动,配套教材：流体力学（张也影） 内容包括：,第一章 绪论,1-1 流体力学的研究对象、任务和方法,1-2 流体质点与连续介质概念,1-3 流体的密度、比体积和相对密度,1-4 流体的压缩性和膨胀性,1-5 流体的粘性,1-1 流体力学的研究对象、任务和方法,流体力学是以流体(包括液体和气体)为对象，研究其平衡和运动基本规律的科学。主要研究流体在平衡和运动时的压力分布、速度分布、与固体之间的相互作用以及流动过程中的能量损失等。,一、

2、流体力学的研究对象,1-1 流体力学的研究对象、任务和方法,一、流体力学的研究对象,流体力学在许多领域有着广泛的应用，如矿井生产中的通风、排水、压气以及煤和其他矿物的分选，机械工业中的润滑、冷却、液压传动及控制，水利工程、采暖通风、石油化工、航空航天等，都会涉及到流体的平衡和运动。 因此，流体力学是一门重要的技术基础课程。,理论分析方法、实验方法、数值方法 理论研究方法 力学模型物理基本定律求解数学方程 分析和揭示本质和规律 实验方法 相似理论模型实验装置 数值方法 计算机数值方法是现代分析手段中发展最快的方法之一,1-1 流体力学的研究对象、任务和方法,一、流体力学的研究对象,航空航天航海,

3、船舶运动,地效翼艇 （WIG）,浮标,海洋平台,潜器,1-1 流体力学的研究对象、任务和方法,三、流体力学的工程应用,能源动力,飞机发动机,汽车的发展,蒸汽机车,1-1 流体力学的研究对象、任务和方法,三、流体力学的工程应用,建筑与环境,杨浦大桥,节能型建筑,1-1 流体力学的研究对象、任务和方法,三、流体力学的工程应用,气象科学,气象云图,龙 卷 风,龙吸水,1-1 流体力学的研究对象、任务和方法,三、流体力学的工程应用,环境控制,污水净化设备模型,电厂冷却塔,1-1 流体力学的研究对象、任务和方法,三、流体力学的工程应用,1-2 流体质点与连续介质概念,一、流体的物理属性,固体：有一定体积

4、和形状，不易变形,流体：可承受压力，几乎不可承受拉力，承受剪切力的能力极弱。 固体：既可承受压力，又可承受拉力和剪切力,液体和气体 气体远比液体具有更大的流动性。 气体在外力作用下表现出很大的可压缩性。,1-2 流体质点与连续介质概念,一、流体的物理属性,易流动性 在极小剪切力的作用下，流体就将产生无休止的（连续的）剪切变形（流动），直到剪切力消失为止。,流体区别于固体的根本标志,1-2 流体质点与连续介质概念,二、流体质点的概念,流体质点 流体中由大量流体分子组成的，宏观尺度非常小，而微观尺度又足够大的物理实体。 （具有宏观物理量 、T、p、v 等）,1-2 流体质点与连续介质概念,三、连续

5、介质的概念,连续介质模型 假设流体是由无穷多个，无穷小的，彼此紧密毗邻、连续不断的流体质点所组成的一种绝无间隙的连续介质。,流体连续介质物理量连续,连续介质假设后物理量在流体中连续分布 可将流体的各物理量看作是空间坐标和时间的连续函数 解析方法等数学工具来研究流体的平衡和运动规律,lim M V0 V 流体密度是空间位置和时间的函数。,1-3 流体的密度、比体积和相对密度,一、密度和比体积,kg/m3,对于均质流体， 流体密度 流体比体积,P =,kg/m3,P点上流体密度为,m3/kg,1-3 流体的密度、比体积和相对密度,二、相对密度,相对密度 物体质量与同样体积4 蒸馏水质量之比,流体的

6、相对密度为,式中，下角标w代表4 蒸馏水的相应物理量,流体密度、比体积的数值与相对密度的关系为,1-3 流体的密度、比体积和相对密度,二、相对密度,式中，p是气体绝对压强，单位符号是Pa； v是气体比体积，单位符号是 T是气体的热力学温度，T的单位符号是K。 是因气体种类而异的气体常数，它的单位可由 的单位导出，它的数值可根据气体的摩尔质量M由下式确定：,1-4 流体的压缩性和膨胀性,一、气体压缩性和膨胀性的方程表示法,全面反映气体压缩性和膨胀性的关系式,1-4 流体的压缩性和膨胀性,二、流体压缩性和膨胀性的系数表示法,定义： 体积相对变化量 比值的极限,1. 流体的体膨胀系数,用 表示，单位

7、符号为K-1,物理意义： 当压强不变时，每增加单位温度所产生的流体体积相对变化率。,1-4 流体的压缩性和膨胀性,二、流体压缩性和膨胀性的系数表示法,气体体膨胀系数可由气体状态方程式(令p=C)求得,盖吕萨克(Gay-Lussac)定律： 当压强不变时，温度每升高1摄氏度，一定质量气体的体积，增加它在0时的体积的1273。这个定律对理想气体才能严格成立。,1-4 流体的压缩性和膨胀性,二、流体压缩性和膨胀性的系数表示法,定义： 体积相对变化量 比值的极限,1-4 流体的压缩性和膨胀性,二、流体压缩性和膨胀性的系数表示法,2. 流体的体积压缩率,物理意义：当温度不变时，每增加单位压强所产生的流体

8、体积相对变化率 。,用 表示，单位符号为Pa-1,1-4 流体的压缩性和膨胀性,二、流体压缩性和膨胀性的系数表示法,气体 体积压缩率可由气体状态方程式(令T=C)求得,在气体状态方程式适用的范围内，压强越高，气体的等温压缩率越小，压缩越困难；反之，压强较低时，气体比较容易压缩。,1-4 流体的压缩性和膨胀性,二、流体压缩性和膨胀性的系数表示法,体积压缩率的倒数,1-4 流体的压缩性和膨胀性,二、流体压缩性和膨胀性的系数表示法,3. 流体的体积模量,物理意义：当温度不变时，每产生一个单位体积相对变化率所需要的压强变化量。,用K表示，单位符号为Pa,K值，流体越不容易压缩。,从公式及列举的数表可见

9、， 的数值是随温度、压强变化的。 可是对于液体来说，常选取这些系数的实验平均值，将定义中的微分变化量写成有限增量的形式，即,1-4 流体的压缩性和膨胀性,二、流体压缩性和膨胀性的系数表示法,1-4 流体的压缩性和膨胀性,三、不可压缩流体的概念,定义：等温压缩率和体膨胀系数完全为零的流体,可压缩性 流体随其所受压强的变化而发生体积（密度）变化的性质,一般认为： 液体是不可压缩的 （在 p、T、v 变化不大的“静态”情况下） 气体是可压缩的,【例题1-1】,1-5 流体的粘性,流体分子间的内聚力 流体分子与固体壁面间的附着力。 内摩擦力 相邻流层间，平行于流层表面的相互作用力。,定义：流体在运动时

10、，其内部相邻流层间要产生抵抗相对滑动（抵抗变形）的内摩擦力的性质称为流体的粘性。,y,一、粘性概念,内摩擦力： 以切应力表示： 式中： 与流体的种类及其温度有关的比例常数； 速度梯度（流体流速在其法线方向上的变化率）。,实验研究发现，推动上板的外力F与上板运动速度v0及摩擦面积A成正比，与两板之间的微小距离成反比，比例常数与充入两板之间的流体种类及其温度、压强状况有关。,1-5 流体的粘性,二、牛顿内摩擦定律,牛顿内摩擦定律,1-5 流体的粘性,二、牛顿内摩擦定律,牛顿流体：凡是符合切应力与速度梯度成正比，可以用一条通过原点而非坐标轴的直线所表示的流体 非牛顿流体：不适合牛顿内摩擦定律的流体,

11、1-5 流体的粘性,二、牛顿内摩擦定律, 塑性流体，如凝胶、牙膏等，只有克服初始应力后，其切应力才与速度梯度成正比，即,非牛顿流体有三种不同类型, 假塑性流体，如泥浆、纸浆、高分子溶液等，当 较小时， 对 的变化率较大，当 较大时，对 的变化率逐渐降低, 胀塑性流体，如乳化液、油漆、油墨等，对 的变化率与假塑性流体相反,1-5 流体的粘性,三、流体的粘度,粘度 代表了粘性的大小 的物理意义 产生单位速度梯度，相邻流层在单位面积上所作用的内摩擦力（切应力）的大小。,常用粘度表示方法有三种： 动力粘度 单位 ： Pa s （帕 秒） 1 Pa s = 1 N/m2 s,1. 粘度的定义及单位,1-

12、5 流体的粘性,三、流体的粘度, 相对粘度 其它流体相对于水的粘度 恩氏粘度：E 中、俄、德使用 赛氏粘度 : SSU 美国使用 等 用不同的粘度计测定,油液的牌号：摄氏 40C 时油液运动粘度的平均厘斯( mm2 /s )值。, 运动粘度： 单位：m2 / s 工程上常用：10 6 m2 / s (厘斯) mm2 / s,1-5 流体的粘性,三、流体的粘度,2. 粘度的测定, 直接测定法：借助于粘性流动理论中的某一基本公式，测量该公式中除粘度外的所有参数，从而直接求出粘度。 如 转筒式、毛细管式、落球式等, 间接测定法：首先利用仪器测定经过某一标族孔口流出一定量流体所需的时间，然后再利用仪器所特有的经验公式间接地算出流体的粘度。 如 恩氏粘度计,1-5 流体的粘性,三、流体的粘度,3. 粘度的变化规律, 粘压关系 压强