《流体力学》课件.ppt

1、大学物理,Physics,湖南农业大学物理教研室 林智群,一. 什么是物理学,物理学是研究物质世界最基本形态的科学,物理学研究的范围 物质世界的层次和数量级,物理学 (Physics),质子 10-15 m,空间尺度：,微观粒子 Microscopic,介观物质 mesoscopic,宏观物质 macroscopic,宇观物质 cosmological,类星体 10 26 m,时间尺度：,基本粒子寿命 10-25 s,宇宙寿命 1018 s,绪 论, 物理学的分支及近年来发展的总趋势,物理学是一切自然科学的基础,物理学派生出来的分支及交叉学科,物理学构成了化学、生物学、材料科学、地球物理学等学

2、科的基础，物理学的基本概念和技术被应用到所有自然科学之中。,物理学与数学之间有着深刻的内在联系,粒 子 物 理 学,原 子 核 物 理 学,原 子 分 子 物 理 学,固 体 物 理 学,凝 聚 态 物 理 学,激 光 物 理 学,等 离 子 体 物 理 学,地 球 物 理 学,生 物 物 理 学,天 体 物 理 学,宇 宙 射 线 物 理 学,三. 物理学是构成自然科学的理论基础,四. 物理学与技术,20世纪，物理学被公认为科学技术发展中最重要的带头学科, 热机的发明和使用，提供了第一种模式：, 电气化的进程，提供了第二种模式：,核能的利用,激光器的产生,层析成像技术(CT),超导电子技术,

3、 粒子散射实验,X 射线的发现,受激辐射理论,低温超导微观理论,五. 物理学的方法和科学态度,提 出 命 题,推 测 答 案,理 论 预 言,实 验 验 证,修 改 理 论,现代物理学是一门理论和实验高度结合的精确科学,从新的观测事实或实验事实中提炼出来，或从已有原理中推演出来,建立模型；用已知原理对现象作定性解释，进行逻辑推理和数学演算,新的理论必须提出能够为实验所证伪的预言,一切物理理论最终都要以观测或实验事实为准则,当一个理论与实验事实不符时，它就面临着被修改或被推翻,六. 怎样学习物理学,著名物理学家费曼说：,著名物理学家爱因斯坦说：, 学习的观点：从整体上逻辑地、协调地学习物理学，了

4、解 物理学中各个分支之间的相互联系。, 学习的重点：, 物理模型 数学表述 研究方法与适用条件,七. 教学计划,物理学 周静娴 主编 中国农业出版社 普通物理学 陈德万 主编 中国农业出版社 大学物理学习指导 张孝林 主编 科学出版社,教 材：大学基础物理学习岗 主编 高等教育出版社, 参考书：,教学计划 (总学时36),实验总学时24, 共10个实验,第一章 流体力学基础,一、本章的基本内容及研究思路 本章主要研究液体力学即液体平衡和运动的规律的科学。 液体最鲜明的特征是它的流动性，这是区别于固体的一个根本性质，其次，液体还具有粘滞性、不可压缩性（与气体相比，液体的可压缩性是很小的）。 由于

5、液体力学研究的是流体的机械运动，因此，反映机械运动共同本质的质点、质点组力学规律，对液体也同样适用。另一方面，液体还具有本身所特有的规律，如连续性原理、伯努利方程等。,1-1 理想流体的定常流动,一、理想流体的概念,实际流体都是可压缩的。就液体来说，压缩一般都很小，因此在研究气体流动的许多问题中，压缩性是可以忽略的。 实际流体流动中，流体各层有相对滑动时，相邻两层之间存在摩擦力，这种力阻碍流体各部分间的相对滑动，流体的这种性质，称为粘滞性，在很多情况下，粘滞性可以忽略不计。 我们研究的问题中，压缩性和粘滞性是影响流体运动的次要因素，只有流动性才是决定运动的主要因素。 完全不可压缩又无粘性的流体

6、叫做理想流体。,二、定常流动、流线和流管,1.定常流动,流速场,定常流动,2.流线和流管,定常流动的理想流体，空间任一点的流速具有唯一值。,（1）流线 流线上每一点的切线方向代表流经该点的流体元的速度方向。实际上每条流线都表示流体元经过的路线。流线不能有交点。 （2）流管 所有通过其上的流线所围成的细管称为流管。不会有任何一个流体元穿入或穿出流管,三、连续性原理,如果流体不可压缩,常量,质量流量,连续性方程,在物理实质上它体现了流体在流动中质量守恒,伯努利方程是流体动力学的基本定律，它说明了理想流体在管道中作稳定流动时，流体中某点的压强p、流速v和高度h三个量之间的关系为,式中是流体的密度，g

7、是重力加速度。运用功能原理导出伯努利方程。,我们研究管道中一段流体的运动。设在某一时刻，这段流体在a1a2位置，经过极短时间t后，这段流体达到b1b2位置,四、伯努利方程,现在计算在流动过程中，外力对这段流体所作的功。假设流体没有粘性，管壁对它没有摩擦力，那么，管壁对这段流体的作用力垂直于它的流动方向，因而不作功。所以流动过程中，除了重力之外，只有在它前后的流体对它作功。在它后面的流体推它前进，这个作用力作正功；在它前面的流体阻碍它前进，这个作用力作负功。,因为时间t极短，所以a1b1和a2b2是两段极短的位移，在每段极短的位移中，压强p、截面积S和流速v都可看作不变。设p1、S1、v1和p2

8、、S2、v2分别是a1b1与a2b2处流体的压强、截面积和流速，则后面流体的作用力是p1S1，位移是v1 t，所作的正功是p1S1v1 t ，而前面流体作用力作的负功是-p2S2v2 t ，由此，外力的总功是,其次，计算这段流体在流动中能量的变化对于稳定流动来说，在b1a2间的流体的动能和势能是不改变的。由此，就能量的变化来说，可以看成是原先在a1b1处的流体，在时间t内移到了a2b2处，由此而引起的能量增量是,因为流体被认为不可压缩。所以a1b1和a2b2两小段流体的体积S1v1t和S2v2t必然相等，用V表示，则上式可写成,外力的总功是,从功能原理得,整理后得,它表明在同一管道中任何一点处

9、，流体每单位体积的动能和势能以及该处压强之和是个常量。在工程上，上式常写成,伯努利方程,三项都相当于长度，分别叫做压力头、速度头、水头。,所以伯努利方程表明在同一管道的任一处，压力头、速度头、水头之和是一常量，对作稳定流动的理想流体，用这个方程对确定流体内部压力和流速有很大的实际意义，在水利、造船、航空等工程部门有广泛的应用。,方程的应用举例,1.小孔流速,由伯努力方程,得小孔流速,流量,S为小孔的截面积,从虹吸管管口吸出的液体速度为：,2.皮托(pitot)管原理,是一种用来测量流体速度的装置,测液体,液体流速为,测气体,气体流速为,为液体密度,为气体密度,3.文丘里流量计原理,4.空吸作用

10、,水流抽气机原理,喷雾器原理,1.3 粘性流体的流动 现在讨论实际的流体，而不再是“理想流体”，我们知道，静止流体中是不存在剪切应力的，但当各层流体之间有相对滑动时，在它们之间有切向的摩擦力粘滞力。 一、牛顿粘滞定律,1.层流 实际流体流速不大时，流速是分层有规律变化的，流层之间仅有相对滑动，而不混合，称为层流。 层流特点：只有切向速度，没有径向速度。,2.速度梯度 粘滞流体沿x方向作层流，其速度沿y 正方向增大, 称速度梯度。,速度梯度,粘滞定律,粘滞系数,与流体本身性质有关,温度,液体,气体,单位:,SI制:帕.秒,2.粘滞系数,v s r,二、泊肃叶公式及应用,压力差：,粘滞阻力,定常流动,可见，流速随 r 的分布是：在圆管中心处最大，由此向管壁沿抛物线减小，到管壁为零。,测量粘滞系数,可得,若测出流量Qv、管径R,用,得,达西定理,圆管中的流量为：,例 血液流过一条长为1mm ，半径为2m 的毛细血管时，如果最大流速为0.66mms-1 ,血液的粘滞系数为4.010-3 Pas ，