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1、緒論n 一、流體力學(xué)是研究什么的(what)n 二、我們?yōu)槭裁匆獙W(xué)這門(mén)課程(why)n 三、我們?nèi)绾螌W(xué)這門(mén)課程(how)n 四、流體力學(xué)與工程技術(shù)一、流體力學(xué)的內(nèi)容n 工程流體力學(xué)是研究流體平衡和運(yùn)動(dòng)時(shí)的基本規(guī)律及其在工程實(shí)踐中應(yīng)用的一門(mén)技術(shù)學(xué)科。二、為什么學(xué)(重要性)n 1、在火電廠中的應(yīng)用n 2、在給排水工程中的應(yīng)用n 3、在航天領(lǐng)域的應(yīng)用n 4、在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用火力發(fā)電廠生產(chǎn)過(guò)程示意圖n 電 廠 工 藝 流 程 示 意 圖.doc三、如何學(xué)u 1、上課認(rèn)真聽(tīng)講,記好筆記。u 2、要注重基本理論、基本概念、基本方法的理解掌握;要善于總結(jié)。 中心詞哪些內(nèi)容應(yīng)用公式,得出結(jié)論u 3、要獨(dú)立完成
2、作業(yè)u 4、要有扎實(shí)的計(jì)算能力四、流體力學(xué)與工程技術(shù)從以下圖片可以看出:Ø 1、沒(méi)有流體力學(xué)的發(fā)展,現(xiàn)代工業(yè)和高新技術(shù)的發(fā)展是不可能的。Ø 2、流體力學(xué)在推動(dòng)社會(huì)發(fā)展方面作出過(guò)重大貢獻(xiàn),今后將在科學(xué)技術(shù)各領(lǐng)域發(fā)揮更大作用。第一節(jié) 流體的概念n 一、流體n 二、流體的特性n 三、流體的分類(lèi)一、流體 1、顧名思義:能流動(dòng)的物質(zhì)稱流體。 2、力學(xué)角度:受任何微小剪切力作用都會(huì)連續(xù)變形的物質(zhì)。 * 流體不能抵抗剪切變形,只能抵抗變形速度,即對(duì)變形速度呈現(xiàn)一定的阻力。 二、流體的特性n 變形;流體微團(tuán)之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)n 變形的宏觀體現(xiàn):流體的流動(dòng)n 流體的特性:流動(dòng)性流體的極易流動(dòng)的特
3、性三、流體的種類(lèi)n 固體:具有一定的體積,并且有一定的形狀;u 液體:有一定的體積,但沒(méi)有一定的形狀,很容易流動(dòng),其形狀隨容器形狀而異,存在自由表面u 氣體:沒(méi)有固定的體積,也沒(méi)有一定的形狀,總是充滿整個(gè)容器,不存在自由表面第二節(jié) 流體的物理性質(zhì)n 一、密度和比體積n 二、壓縮性和膨脹性n 三、流體的粘性一、密度和比體積1. 密度:?jiǎn)挝惑w積流體所具有的質(zhì)量。n 平均密度: n 點(diǎn)的密度:2、比體積n 比體積:又稱比容,指單位質(zhì)量的流體所占有的體積,用v表示 。n 密度與比容之間的關(guān)系:3、影響流體密度的因素n 1.流體的種類(lèi)n 2.溫度和壓力二、壓縮性和膨脹性n 流體的體積隨流體所承受的壓力和
4、溫度的大小不同而改變。n 壓縮性:流體體積隨壓力增大而縮小的性質(zhì)。n 膨脹性:流體體積隨溫度升高而增大的性質(zhì)。即常說(shuō)的熱脹冷縮的性質(zhì)。 (一)液體的壓縮性和膨脹性n 1液體的壓縮性 液體壓縮性的大小,用壓縮系數(shù)來(lái)表示。n 壓縮系數(shù);溫度不變時(shí),單位壓力變化所引起的液體體積相對(duì)變化量,即 n 用點(diǎn)來(lái)表示:n 2液體的膨脹性n 液體膨脹性的大小用膨脹系數(shù)來(lái)表示。n 膨脹系數(shù);壓力不變時(shí),單位溫度變化所引起的液體體積相對(duì)變化量,即 n 結(jié)論:液體的壓縮性和膨脹性都較弱,就二者比較,液體的壓縮性弱于膨脹性。(二)氣體的壓縮性與膨脹性 n 溫度和壓力的改變,對(duì)氣體的體積影響很大。其壓縮系數(shù)和膨脹系數(shù)都較
5、大。n 結(jié)論:1、氣體的壓縮性強(qiáng)于膨脹性。 2、氣體壓縮性和膨脹性均強(qiáng)于液體的壓縮性和膨脹性。 3、液體的密度和比容一般情況下可看作常數(shù),液體??梢哉J(rèn)為是不可壓縮流體。 4、氣體??梢哉J(rèn)為是可壓縮流體。三、粘性n (一)粘性的概念:n 定義:當(dāng)流體流動(dòng)時(shí),在流體層與層之間產(chǎn)生內(nèi)摩擦力抵抗其相對(duì)運(yùn)動(dòng)的特性,稱為流體的粘性。n 原因:分子之間的作用力n 結(jié)果:流動(dòng)時(shí)粘性產(chǎn)生內(nèi)摩擦,消耗能量,造成流動(dòng)阻力損失n 粘性是流體在流動(dòng)時(shí)呈現(xiàn)的阻礙流動(dòng)的性質(zhì)。 流體的內(nèi)摩擦(二)牛頓內(nèi)摩擦定律n 1.表達(dá)式2.速度梯度n 表示與流速相垂直的y方向上速度的變化率,速度梯度的物理意義代表流體微團(tuán)的角變形速度 (
6、三)流體的粘度 n 二者之間的關(guān)系:(四)粘性的影響因素 n 1流體的種類(lèi) n 2流體的溫度 液體的粘性隨溫度升高而降低 ; 氣體的粘性隨溫度升高而升高。n 3、流體的壓力五、流體的分類(lèi)1、理想流體與實(shí)際流體2、牛頓流體與非牛頓流體 3、可壓縮流體與不可壓縮流體n 思考:流體在靜止和均勻運(yùn)動(dòng)時(shí),速度梯度為零,是不是流體就沒(méi)有粘性?第三節(jié) 流體的表面性質(zhì) n 一、表面張力 在液體自由表面存在著的試圖使其表面積縮小至最小的力,稱為表面張力。毛細(xì)管現(xiàn)象二、毛細(xì)現(xiàn)象 n 毛細(xì)現(xiàn)象 :把兩端開(kāi)口的細(xì)管立于液體中,表面張力可以引起相當(dāng)顯著的液面上升或下降,形成上凸或下凹的曲面。n 1、附著力大于內(nèi)聚力 :
7、液面上升,浸潤(rùn)液體n 2、附著力小于內(nèi)聚力 :液面下降,不浸潤(rùn)液體n 大多數(shù)場(chǎng)合由于固體邊界足夠大,同液體所受其他作用力相比,表面張力可忽略不計(jì)。但在液滴或氣泡的形成,液體的霧化和液體射流的破碎,汽液兩相流動(dòng)的傳熱等問(wèn)題上,就必須考慮表面張力的作用,否則將得到與事實(shí)不符的錯(cuò)誤結(jié)果。 第四節(jié) 流場(chǎng) 連續(xù)性假定 一、連續(xù)性假定1、定義:流體是由數(shù)流體質(zhì)點(diǎn)(微團(tuán))組成,在流體質(zhì)點(diǎn)之間沒(méi)有任何空隙存在,也就是流場(chǎng)內(nèi)的流體是由無(wú)數(shù)流體質(zhì)點(diǎn)組成的連續(xù)介質(zhì)。 流體力學(xué)常應(yīng)用這種連續(xù)介質(zhì)模型作為研究的物理模型。二、水力要素 1有效截面:液流中與所有流線相垂直的截面稱為有效截面(過(guò)流斷面),用A表示。 二、水力
8、要素n 2濕周 有效截面上液體與固體壁接觸線的長(zhǎng)度叫做濕周。用字母表示 n 3水力半徑 水力半徑是有效截面面積與該斷面濕周的比值。水力半徑用R表示,即 二、水力要素n 當(dāng)量直徑:在非圓形的有效截面中,水力半徑的四倍,用de表示。思考:n 計(jì)算下面管道的當(dāng)量直徑三、運(yùn)動(dòng)要素 1.動(dòng)壓力2.流速、流量、平均速度:流量:?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)通過(guò)有效截面的流體的數(shù)量體積流量:?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)通過(guò)有效截面的流體體積,用qv來(lái)表示,單位m3/s。質(zhì)量流量:?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)通過(guò)有效截面的流體質(zhì)量,用qm來(lái)表示,單位kg/s。平均速度:假想速度 第二章 流體靜力學(xué)n 靜力學(xué):研究流體(液體)在平衡時(shí)的基本規(guī)律。n 本章研究的中心問(wèn)
9、題是靜壓力的分布規(guī)律。n 熱力發(fā)電廠中廣泛使用的液柱式測(cè)壓計(jì)、水位計(jì)以及承壓容器的計(jì)算等,都必須確定平衡流體靜壓力或總壓力。 第一節(jié) 作用在流體上的力單位面積流體受到的表面力稱為應(yīng)力。表面力可以是外力,也可以是內(nèi)力 。切向應(yīng)力:二、質(zhì)量力G=mg F=ma F=mr2Ø 注意區(qū)分:?jiǎn)挝毁|(zhì)量力的單位為N/kg,加速度的單位m/s2,表面不同,本質(zhì)是一樣的,但前者屬“力”的概念,后者屬“運(yùn)動(dòng)” 概念 。n 流場(chǎng)中流體的壓力p、切應(yīng)力、密度、質(zhì)量力f等是隨地點(diǎn)和時(shí)間變化的連續(xù)函數(shù) 。第二節(jié) 靜壓力的概念和表示方法n 一、靜壓力的概念n 壓力(壓強(qiáng)):在流體內(nèi)部或流體與固體壁面間存在的單位面
10、積上的法向作用力。n 靜壓力:流體處于靜止?fàn)顟B(tài)或相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)時(shí),流體的壓力。二、靜壓力的特性n 1流體靜壓力的方向和作用面垂直,并指向作用面。 三、壓力的表示方法n 1絕對(duì)壓力(真實(shí)壓力):以絕對(duì)真空(完全真空)為基準(zhǔn)點(diǎn)計(jì)算的壓強(qiáng)值稱為絕對(duì)壓力,以字母p表示。n 在熱力發(fā)電廠中處于正壓狀態(tài)下工作的管道有:主蒸汽管道系統(tǒng)、給水管道系統(tǒng)、高壓加熱器等。四、壓力的單位表示u 1、用帕斯卡表示, Pa 、 KPa、 MPa 、 bar 1Pa =10-3 KPa =10-6 MPa =10-5 bar 平衡微分方程式u 以上表達(dá)式表明: 平衡的必要條件:是微元體上的表面力和質(zhì)量力的合力為零,或者表面力
11、和質(zhì)量力的分力在三個(gè)方向上的合力均為零。 二、不可壓縮流體平衡微分方程 三、等壓面n 等壓面的特征:n (1)等壓面上的每一個(gè)點(diǎn)上的單位質(zhì)量力,必與過(guò)該點(diǎn)的等壓面垂直。靜止流體中等壓面為水平面。n (2)流場(chǎng)中的等壓面互不相交且等壓面是不能突然轉(zhuǎn)折的光滑曲面。n (3)對(duì)應(yīng)于不同的壓力值,在流體中就應(yīng)有不同的等壓面。因此在流體中存在著若干個(gè)(確切說(shuō)是無(wú)數(shù)多個(gè))等壓面。n (4)靜止?fàn)顟B(tài)下互不相溶的兩種流體的分界面必為等壓面。自由表面必為等壓面。第四節(jié) 流體靜力學(xué)基本方程式 n 一、流體靜力學(xué)基本方程式 n 分別以A和B為上下限積分:(1)在重力作用下同種連通靜止的液體中各點(diǎn)的z+p/g之和都相
12、等,為一個(gè)常數(shù)。 此式表明:壓力的變化與液體數(shù)量多少無(wú)關(guān),只與淹深大小有關(guān)比較圖示容器底部液體壓力的大小:3、第三表達(dá)式 用高度差表示n 深度較大的2點(diǎn)的靜壓力等于深度較小的1點(diǎn)的靜壓力再加上兩點(diǎn)的位置高度差、液體密度、重力加速度三者的乘積。反之,深度較小的1點(diǎn)的靜壓力等于深度較大的2點(diǎn)的靜壓力再減去兩點(diǎn)的位置高度差、液體密度、重力加速度三者的乘積。 二、流體靜力學(xué)基本方程式的意義 n 1物理意義 n 2幾何意義3流體力學(xué)意義n 在重力作用下,同種、連通、靜止的液體中,各點(diǎn)的位置能頭和壓力能頭之間可以互相轉(zhuǎn)換,但是液體的靜力能頭面S-S和測(cè)壓管能頭面P-P一定是同一水平面。 第五節(jié) 流體靜力學(xué)
13、基本方程式的應(yīng)用n 一、連通器n 鍋爐汽包水位計(jì)觀測(cè)的水位比實(shí)際水位低。二、液柱式測(cè)壓計(jì)1測(cè)壓管(單管測(cè)壓計(jì))n 例題2-6 如圖2-21所示,一密閉容器,內(nèi)部盛裝水,兩側(cè)各裝一直管測(cè)壓計(jì),右管上端封閉,其中液高 ,液面絕對(duì)壓力 ,左管液面為大氣壓, 問(wèn)容器內(nèi)自由液面上外壓力 是多少?左面測(cè)壓管高度 又是多少? 解:閉口管A-A為等壓面,則 又因?yàn)椋?所以 n 例題2-7 用于測(cè)量凝汽器真空的水銀測(cè)壓計(jì)如圖2-22所示,已知一汽輪機(jī)組的凝汽器水銀真空高度 ,當(dāng)?shù)卮笃麎毫?,求凝汽器內(nèi)的絕對(duì)壓力、相對(duì)壓力和真空值。單位用帕斯卡表示。解:選取大氣壓力面為等壓面2水銀測(cè)壓管3水銀差壓計(jì)4高壓差測(cè)量多
14、U形管式測(cè)壓計(jì)5微壓測(cè)量微壓計(jì)三、應(yīng)用靜力學(xué)基本方程式的步驟 1選擇正確的等壓面第六節(jié) 流體的相對(duì)平衡 n 相對(duì)平衡:是指盛有流體(以液體為例)的容器相對(duì)于地球來(lái)說(shuō)是運(yùn)動(dòng)的,但流體相對(duì)于容器來(lái)說(shuō)是靜止的,流體質(zhì)點(diǎn)之間沒(méi)有相對(duì)運(yùn)動(dòng)。 一、勻加速直線運(yùn)動(dòng)容器中流體的相對(duì)平衡 二、以等角速度繞垂直軸旋轉(zhuǎn)容器中液體的相對(duì)平衡例題2-13 如圖所示,一個(gè)油箱長(zhǎng) ,高 ,盛油的深度 。油可經(jīng)底部中心流出。問(wèn)油箱作勻加速直線運(yùn)動(dòng)的加速度a為多大時(shí)將中斷供油?并求出此時(shí)油箱底部距中心處K點(diǎn)的靜壓力。油的密度 。第七節(jié) 靜止流體對(duì)壁面的作用力1、工程 背景:壓力容器,水壩,潛艇,活塞等;結(jié)構(gòu)強(qiáng)度,安全性能,運(yùn)動(dòng)
15、規(guī)律計(jì)算等。第三章 理想流體流動(dòng)的基本規(guī)律l 第一節(jié) 描述流體流動(dòng)的方法l 第二節(jié) 跡線與流線l 第四節(jié) 流體流動(dòng)的類(lèi)型第一節(jié) 描述流體流動(dòng)的方法l 流體流動(dòng)的特點(diǎn)l 流體流動(dòng)的研究方法 1.拉格朗日法 2.歐拉法l 歐拉法的速度和加速度二 描述流體運(yùn)動(dòng)的方法 拉格朗日法 歐拉法加速度l 根據(jù)速度場(chǎng)的數(shù)學(xué)表達(dá)式和加速度的定義式,可以寫(xiě)出加速度分量的表達(dá)式:l 流體質(zhì)點(diǎn)在一段時(shí)間內(nèi)的運(yùn)動(dòng)軌跡,稱為跡線。l 許多流體質(zhì)點(diǎn)的集合,稱為系統(tǒng)。第五節(jié) 流體流動(dòng)的連續(xù)性方程式 質(zhì)量守恒定律一、連續(xù)性方程式的微分形式 二、一元管流的連續(xù)方程式第六節(jié) 流體流動(dòng)的伯努里方程式 能量守恒定律l 物理意義:伯努里方
16、程式表明理想流體流動(dòng)過(guò)程中總能量是守恒的,流過(guò)不同斷面單位重量流體所具有的動(dòng)能、壓力勢(shì)能、位置勢(shì)能的份額不同,可以相互轉(zhuǎn)化,但總和是相等的。 【例】消防救火用水龍帶,直徑 d1=75mm,水帶末端裝有消防噴頭,其出口直徑d2=20mm,若l=1.5m ,消防栓接頭處的相對(duì)壓力P1=240kPa ,不計(jì)損失,求消防噴頭噴出的水流能到達(dá)的高度H。 第七節(jié) 流體的動(dòng)量方程式- 動(dòng)量守恒定律 l 當(dāng)流體運(yùn)動(dòng)的速度不論是大小還是方向改變時(shí),即流體的動(dòng)量發(fā)生變化時(shí),就會(huì)對(duì)接觸的固體壁面產(chǎn)生作用力,比如流體流過(guò)彎管時(shí)對(duì)管道的作用力,流體繞流葉片時(shí)對(duì)葉片的作用力,射流的沖力和反推力,都要用到動(dòng)量方程。 l 噴
17、嘴對(duì)水流的作用力的方向與x軸正方向相反,向左。其反作用力即水流對(duì)噴管的作用力也是噴管作用在螺栓上的拉力,方向向右。第六章 氣體動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ) 工程上常常將壓縮性比較小的液體當(dāng)作是不可壓縮流體。氣體的可壓縮性程度比液體要大得多,但常溫下低速氣體的密度變化也很小,所以也常被當(dāng)作不可壓縮流體來(lái)處理。 高速氣流若受擾動(dòng),必然會(huì)引起很大的壓力變化,以致密度和溫度也會(huì)發(fā)生顯著的變化,此時(shí)必須考慮壓縮性的影響。 第一節(jié) 微弱擾動(dòng)波的傳播及音速 一、音速第二節(jié) 微弱擾動(dòng)波在流場(chǎng)中的傳播 馬赫數(shù)馬赫數(shù):氣體的流動(dòng)速度與當(dāng)?shù)匾羲僦?,用Ma表示: 第三節(jié) 可壓縮一元定常管流基本方程式 l 不管是可壓縮流體還是不可壓縮流體,在本質(zhì)上它們均
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