流體力學(xué)1第一章緒論

1、1流流 體體 力力 學(xué)學(xué)江蘇理工學(xué)院江蘇理工學(xué)院材料工程學(xué)院材料工程學(xué)院2第一章第一章 緒緒 論論1-1 工程流體力學(xué)的研究對象、任務(wù)和方法工程流體力學(xué)的研究對象、任務(wù)和方法1-2 流體質(zhì)點與連續(xù)介質(zhì)概念流體質(zhì)點與連續(xù)介質(zhì)概念1-3 流體的密度、比體積和相對密度流體的密度、比體積和相對密度1-4 流體的壓縮性和膨脹比流體的壓縮性和膨脹比1-5 流體的粘性流體的粘性1-6 流體的表面張力與汽化壓強流體的表面張力與汽化壓強 3空氣動力學(xué)：航空航天?？諝鈩恿W(xué)：航空航天。水利類流體力學(xué)：面向水工、水動、海洋等；水利類流體力學(xué)：面向水工、水動、海洋等；機械類流體力學(xué)：面向機械、冶金、化工、電力、水機等

2、；機械類流體力學(xué)：面向機械、冶金、化工、電力、水機等；土木類流體力學(xué)：面向市政、工民建、道橋、城市防洪等；土木類流體力學(xué)：面向市政、工民建、道橋、城市防洪等；生物。生物。流體力學(xué)流體力學(xué)是研究流體平衡、運動規(guī)律和是研究流體平衡、運動規(guī)律和應(yīng)用的科學(xué)，流體力學(xué)是眾多應(yīng)用科學(xué)應(yīng)用的科學(xué)，流體力學(xué)是眾多應(yīng)用科學(xué)和工程技術(shù)的基礎(chǔ)。和工程技術(shù)的基礎(chǔ)。1-1 工程流體力學(xué)的研究對象、任務(wù)和方法工程流體力學(xué)的研究對象、任務(wù)和方法4航空航天5使重量超過使重量超過3百噸，面積達半個足球場的大型民航客機，靠空百噸，面積達半個足球場的大型民航客機，靠空氣的支托象鳥一樣飛行成為可能，創(chuàng)造了人類技術(shù)史上的奇跡。氣的支托

3、象鳥一樣飛行成為可能，創(chuàng)造了人類技術(shù)史上的奇跡。6船舶：排水量達船舶：排水量達5050萬噸以上的超大型運輸船；萬噸以上的超大型運輸船；7航速達航速達30節(jié)，深潛達數(shù)百米的核動力潛艇；節(jié)，深潛達數(shù)百米的核動力潛艇；8汽車、賽車汽車、賽車問題：尾翼什么用？風(fēng)阻系數(shù)？問題：尾翼什么用？風(fēng)阻系數(shù)？9動力機械：用翼柵及高溫，化學(xué)，多相流動理論設(shè)計制造成動力機械：用翼柵及高溫，化學(xué)，多相流動理論設(shè)計制造成功大型氣輪機，水輪機，渦噴發(fā)動機等動力機械，為人類提功大型氣輪機，水輪機，渦噴發(fā)動機等動力機械，為人類提供單機達百萬千瓦的強大動力。供單機達百萬千瓦的強大動力。汽輪機葉片10楊浦大橋建筑：大型水利樞紐工程

4、，超高層建筑，大跨度橋梁等建筑：大型水利樞紐工程，超高層建筑，大跨度橋梁等的設(shè)計和建造離不開水力學(xué)和風(fēng)工程。的設(shè)計和建造離不開水力學(xué)和風(fēng)工程。11衛(wèi)星云圖衛(wèi)星云圖氣象氣象12“卡特里娜卡特里娜”颶風(fēng)衛(wèi)星云圖颶風(fēng)衛(wèi)星云圖氣象氣象13龍卷風(fēng)龍卷風(fēng)氣象氣象14生命：流體力學(xué)需要與其他學(xué)科交叉，如工程學(xué)，地學(xué)，生命：流體力學(xué)需要與其他學(xué)科交叉，如工程學(xué)，地學(xué)，天文學(xué)，物理學(xué)，材料科學(xué)，生命科學(xué)等，在學(xué)科交叉中天文學(xué)，物理學(xué)，材料科學(xué)，生命科學(xué)等，在學(xué)科交叉中開拓新領(lǐng)域，建立新理論，創(chuàng)造新方法。開拓新領(lǐng)域，建立新理論，創(chuàng)造新方法。15流體力學(xué)的內(nèi)容和發(fā)展流體力學(xué)的內(nèi)容和發(fā)展1. 1. 流體力學(xué)的內(nèi)容流體

5、力學(xué)的內(nèi)容流體靜力學(xué)：流體靜力學(xué)：流體內(nèi)壓力分布、壓力測量、作用在平面和曲面流體內(nèi)壓力分布、壓力測量、作用在平面和曲面上的靜壓力。上的靜壓力。流體運動學(xué)：流體運動學(xué)：流場、流線、速度分布、有旋與無旋流動、流函流場、流線、速度分布、有旋與無旋流動、流函數(shù)、勢函數(shù)、流網(wǎng)。數(shù)、勢函數(shù)、流網(wǎng)。流體動力學(xué)：流體動力學(xué)：流體的質(zhì)量、動量和能量守恒定律，流動阻力等。流體的質(zhì)量、動量和能量守恒定律，流動阻力等。162. 2. 流體力學(xué)發(fā)展簡史流體力學(xué)發(fā)展簡史 第一階段第一階段（16世紀以前）：流體力學(xué)形成的萌芽階段世紀以前）：流體力學(xué)形成的萌芽階段 第二階段第二階段（16世紀文藝復(fù)興以后世紀文藝復(fù)興以后-18

6、世紀中葉）流體力學(xué)世紀中葉）流體力學(xué)成為一門獨立學(xué)科的基礎(chǔ)階段成為一門獨立學(xué)科的基礎(chǔ)階段 第三階段第三階段（18世紀中葉世紀中葉-19世紀末）流體力學(xué)沿著兩個方世紀末）流體力學(xué)沿著兩個方向發(fā)展向發(fā)展歐拉、伯努利歐拉、伯努利 第四階段第四階段（19世紀末以來）流體力學(xué)飛躍發(fā)展世紀末以來）流體力學(xué)飛躍發(fā)展17第一階段（第一階段（1616世紀以前）：流體力學(xué)形成的萌芽階段世紀以前）：流體力學(xué)形成的萌芽階段 公元前公元前2286年公元前年公元前2278年年大禹治水疏壅導(dǎo)滯（洪水歸于河） 公元前公元前300多年多年李冰都江堰深淘灘，低作堰 公元公元584年公元年公元610年年隋朝南北大運河、船閘應(yīng)用埃及

7、、巴比倫、羅馬、希臘、印度等地水利、造船、航海產(chǎn)業(yè)發(fā)展 系統(tǒng)研究系統(tǒng)研究古希臘哲學(xué)家阿基米德論浮體（公元前250年）奠定了流體靜力學(xué)的基礎(chǔ)18返回19第二階段（第二階段（16世紀文藝復(fù)興以后世紀文藝復(fù)興以后-18世紀中葉）流體力學(xué)世紀中葉）流體力學(xué)成為一門獨立學(xué)科的基礎(chǔ)階段成為一門獨立學(xué)科的基礎(chǔ)階段 1586年斯蒂芬水靜力學(xué)原理 1650年帕斯卡“帕斯卡原理” 1612年伽利略物體沉浮的基本原理 1686年牛頓牛頓內(nèi)摩擦定律 1738年伯努利理想流體的運動方程即伯努利方程 1775年歐拉理想流體的運動方程即歐拉運動微分方程20第三階段（第三階段（18世紀中葉世紀中葉-19世紀末）流體力學(xué)沿著兩

8、個方世紀末）流體力學(xué)沿著兩個方向發(fā)展向發(fā)展歐拉（理論）、伯努利（實驗）歐拉（理論）、伯努利（實驗）工程技術(shù)快速發(fā)展，提出很多經(jīng)驗公式工程技術(shù)快速發(fā)展，提出很多經(jīng)驗公式1769年謝才年謝才謝才公式（計算流速、流量）謝才公式（計算流速、流量）1895年曼寧年曼寧曼寧公式（計算謝才系數(shù)）曼寧公式（計算謝才系數(shù)）1732年畢托年畢托畢托管（測流速）畢托管（測流速）1797年文丘里年文丘里文丘里管（測流量）文丘里管（測流量）理理 論論1823年納維，年納維，1845年斯托克斯分別提出粘性流體運動方程組年斯托克斯分別提出粘性流體運動方程組（N-S方程）方程）（光滑解的存在性，還沒有得到證明，克萊數(shù)學(xué)促進會

9、懸賞（光滑解的存在性，還沒有得到證明，克萊數(shù)學(xué)促進會懸賞100萬美萬美元元21第四階段（第四階段（19世紀末以來）流體力學(xué)飛躍發(fā)展世紀末以來）流體力學(xué)飛躍發(fā)展理論分析與試驗研究相結(jié)合理論分析與試驗研究相結(jié)合量綱分析和相似性原理起重要作用量綱分析和相似性原理起重要作用1883年年雷諾雷諾雷諾實驗雷諾實驗（判斷流態(tài)）1903年普朗特年普朗特邊界層概念邊界層概念（繞流運動）1933-1934年尼古拉茲年尼古拉茲尼古拉茲實驗?zāi)峁爬潓嶒灒ù_定阻力系數(shù)）馮馮. .卡門卡門 (1929)(1929) 加州理工學(xué)院航天實驗室加州理工學(xué)院航天實驗室 2020世紀初人類進入航空時代世紀初人類進入航空時代 40-

10、50 40-50年代年代 跨聲障、越熱障跨聲障、越熱障 60 60年代年代 載人宇宙航行載人宇宙航行流體力學(xué)與相關(guān)的鄰近學(xué)科相互滲透，形成很多新流體力學(xué)與相關(guān)的鄰近學(xué)科相互滲透，形成很多新分支和交叉學(xué)科分支和交叉學(xué)科22流體力學(xué)研究方法：流體力學(xué)研究方法：理論分析法理論分析法實驗方法實驗方法 ( (如風(fēng)洞實驗）如風(fēng)洞實驗） 直接解決生產(chǎn)問題，檢驗和建立理論；直接解決生產(chǎn)問題，檢驗和建立理論； 發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象；發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象； 普適性較差，受到費用和環(huán)境限制。普適性較差，受到費用和環(huán)境限制。 明確給出各物理量與流動參數(shù)的函數(shù)關(guān)系；明確給出各物理量與流動參數(shù)的函數(shù)關(guān)系； 建立簡化的數(shù)學(xué)模型時需要一定的假設(shè)

11、，必須證實簡化模建立簡化的數(shù)學(xué)模型時需要一定的假設(shè)，必須證實簡化模型的合理性；型的合理性； 由于數(shù)學(xué)上的困難，能獲得分析解的問題的數(shù)量有限。由于數(shù)學(xué)上的困難，能獲得分析解的問題的數(shù)量有限。23數(shù)值方法數(shù)值方法: : 計算機性能提高，計算方法改進，作用越來越大；計算機性能提高，計算方法改進，作用越來越大； 數(shù)值計算是近似方法，需要用實驗和分析的結(jié)果驗證方法的可靠數(shù)值計算是近似方法，需要用實驗和分析的結(jié)果驗證方法的可靠性；性； 數(shù)值方法對復(fù)雜而又缺乏完善數(shù)學(xué)模型的問題是無能為力的。數(shù)值方法對復(fù)雜而又缺乏完善數(shù)學(xué)模型的問題是無能為力的。24NASA, Langley Lab. 25建筑風(fēng)洞建筑風(fēng)洞2

12、61-2 流體質(zhì)點與連續(xù)介質(zhì)概念流體質(zhì)點與連續(xù)介質(zhì)概念1. 1. 流體的流體的易變形性易變形性 流體不能抵抗任何剪切力作用下的剪切變形趨勢，不能承受拉力，這是流體不能抵抗任何剪切力作用下的剪切變形趨勢，不能承受拉力，這是流體與固體在宏觀力學(xué)行為方面的主要差異；微觀上，流體分子間吸引力小；流體與固體在宏觀力學(xué)行為方面的主要差異；微觀上，流體分子間吸引力?。?. 2. 流體質(zhì)點流體質(zhì)點 為了符合數(shù)學(xué)分析的需要，引入為了符合數(shù)學(xué)分析的需要，引入流體質(zhì)點流體質(zhì)點模型模型: :流體中宏觀尺寸流體中宏觀尺寸非常小，微觀尺寸又足夠大的任意物理實體。包含有足夠多分子，非常小，微觀尺寸又足夠大的任意物理實體。包

13、含有足夠多分子，其形狀可以任意劃定。其形狀可以任意劃定。27 (1) (1)流體質(zhì)點流體質(zhì)點無線尺度，無熱運動，只在外力作用下作宏觀平無線尺度，無熱運動，只在外力作用下作宏觀平 移運動移運動; ; (2) (2) 具有宏觀物理特性具有宏觀物理特性-溫度、壓強、密度。溫度、壓強、密度。 1mm3 體積體積 水水: 3.3 1019 個分子個分子 空氣空氣: 2.7 1016個分子個分子 10-10mm3 體積體積 (相當于一?；覊m體積相當于一?；覊m體積)空氣空氣: 2.7 106個分子個分子283. 3. 連續(xù)介質(zhì)連續(xù)介質(zhì)模型：假設(shè)流體是由連續(xù)分布的模型：假設(shè)流體是由連續(xù)分布的流體質(zhì)點組成的介質(zhì)

14、。流體質(zhì)點組成的介質(zhì)。(1)(1)可用連續(xù)性可用連續(xù)性函數(shù)函數(shù)u(x,y,z,t)描述流體質(zhì)點物理量的空間分布和時描述流體質(zhì)點物理量的空間分布和時間變化；間變化；(2)(2)由物理學(xué)基本定律建立流體運動微分或積分方程，并用連續(xù)由物理學(xué)基本定律建立流體運動微分或積分方程，并用連續(xù)函數(shù)理論求解方程。函數(shù)理論求解方程。 * 除了稀薄氣體與激波的絕大多數(shù)工程問題，均可用連除了稀薄氣體與激波的絕大多數(shù)工程問題，均可用連續(xù)介質(zhì)模型作理論分析。續(xù)介質(zhì)模型作理論分析。291、流體的密度、流體的密度VmVmzyxVddlim,0常溫下取常溫下取 水水 =1000 kg / m3 空氣空氣= 1.2 kg/m3

15、2 2、相對密度：、相對密度：1-3 流體的密度、比體積和相對密度流體的密度、比體積和相對密度均勻流體：均勻流體：一般流體：一般流體：Vm1Vmv3 3、比體積（比容）：、比體積（比容）：mwmmd1 1個大氣壓，個大氣壓，4 4o oC C 水水(kg/m3)(m3/kg)301-4 流體的壓縮性和膨脹性流體的壓縮性和膨脹性理想氣體的狀態(tài)方程：理想氣體的狀態(tài)方程：TmRpVgTRpvgTRpgKkgJMMRRg./8314氣體的摩爾質(zhì)量摩爾氣體常數(shù)31（1 1）流體的體積壓縮系數(shù)：）流體的體積壓縮系數(shù)：（3）體積模量）體積模量（2 2）流體的體積膨脹系數(shù)：）流體的體積膨脹系數(shù)：dVdpVKT

16、1dpdVVpVVpVVT11lim/limdtdVVdTdVVVTVTVVTTV11/limlim00ppTmRdpdVgT11TpTmRdTdVdtdVVgV111物理意義：在溫度不變時，每產(chǎn)生一個單位體積相對變化率物理意義：在溫度不變時，每產(chǎn)生一個單位體積相對變化率所需要的壓強變化量。所需要的壓強變化量。32（4 4）不可壓縮流體）不可壓縮流體 液體以及低速運動的氣體的壓縮性對運動和平衡問液體以及低速運動的氣體的壓縮性對運動和平衡問題并無太大影響，可以忽略其壓縮性。題并無太大影響，可以忽略其壓縮性。 液體在研究水擊現(xiàn)象、液壓沖擊、水中爆炸波的傳播液體在研究水擊現(xiàn)象、液壓沖擊、水中爆炸波的

17、傳播等問題必須考慮壓縮性。等問題必須考慮壓縮性。 氣體對于低速壓氣機、通風(fēng)機、內(nèi)燃機進氣系統(tǒng)、低氣體對于低速壓氣機、通風(fēng)機、內(nèi)燃機進氣系統(tǒng)、低壓氣體輸送、低溫?zé)煹赖瓤梢圆豢紤]氣體的壓縮性。壓氣體輸送、低溫?zé)煹赖瓤梢圆豢紤]氣體的壓縮性。331. 1. 流體內(nèi)摩擦概念流體內(nèi)摩擦概念 牛頓在牛頓在自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理(1687)(1687)中指出：中指出： 相鄰兩層流體作相對運動時存在相鄰兩層流體作相對運動時存在內(nèi)摩擦內(nèi)摩擦作用作用, ,稱為粘性力。稱為粘性力。 庫侖實驗庫侖實驗(1784)(1784)1-5 流體的粘性流體的粘性 (viscosity)34 流體粘性形成原因流體粘性

18、形成原因: :(1)(1)兩層液體之間的粘性力主要由分子內(nèi)聚力形成兩層液體之間的粘性力主要由分子內(nèi)聚力形成(2)(2)兩層氣體之間的粘性力主要由分子動量交換形成兩層氣體之間的粘性力主要由分子動量交換形成35牛頓內(nèi)摩擦定律牛頓內(nèi)摩擦定律/粘性定律粘性定律:yudd表明：表明：粘性切應(yīng)力與速度梯度成正比；粘性切應(yīng)力與速度梯度成正比；YXU0dyFu+duuHydduAF36a.速度梯度的物理意義角變形速度（剪切變形速度）ydduyddudttgdddtddduyudt(u+du)dtdudtdyd流體與固體在摩擦規(guī)律上完全不同正比于du/dy正比于正壓力，與速度無關(guān)37b.動力粘度（系數(shù)）：與流體

19、性質(zhì)有關(guān)Pas運動粘度（系數(shù)）：m/s)T(f)p,T(f38du/dy牛頓流體o 牛頓流體服從牛頓內(nèi)摩擦定律的流體（水、大部分輕油、氣體等）c.牛頓流體與非牛頓流體牛頓流體與非牛頓流體390dv/dyo塑性流體 非牛頓流體非牛頓流體 塑性流體塑性流體克服初始應(yīng)力0后，才與速度梯度成正比（牙膏、新拌水泥砂漿、中等濃度的懸浮液等）40dv/dyo擬塑性流體 擬塑性流體擬塑性流體的增長率隨dv/dy的增大而降低（高分子溶液、紙漿、血液等）41dv/dyo膨脹型流體 膨脹型流體膨脹型流體的增長率隨dv/dy的增大而增加（淀粉糊、挾沙水流）420du/dyo膨脹型流體牛頓流體擬塑性流體塑性流體43(2

20、)(2)運動粘度運動粘度(kinematic(kinematic viscosity) viscosity) s)/(m2(3)(3)粘度測定和恩氏粘度粘度測定和恩氏粘度(1)(1)動力粘度動力粘度(viscosity)(viscosity) yudd/ (Pas)2.粘性：在外力作用下，流體微元間出現(xiàn)相對運動時，隨之產(chǎn)生阻抗相對運動的內(nèi)摩擦力rTT21經(jīng)驗公式經(jīng)驗公式smmrr/31. 631. 72sdParr31031. 631. 744（4 4）粘度的變化規(guī)律）粘度的變化規(guī)律 溫度升高，液體的動力粘度明顯下降；溫度升高，液體的動力粘度明顯下降； 氣體動力粘度與運動粘度增大，當壓強提高時

21、，氣體動力氣體動力粘度與運動粘度增大，當壓強提高時，氣體動力粘度與運動粘度減小。粘度與運動粘度減小。453 理想流體流體內(nèi)部不存在摩擦力流體內(nèi)部不存在摩擦力流體與固體接觸的邊界上也不存在摩擦力流體與固體接觸的邊界上也不存在摩擦力46例例1-1：汽缸內(nèi)壁的直徑：汽缸內(nèi)壁的直徑D=12cm，活塞的直徑，活塞的直徑d= =11.96cm，活塞長度活塞長度L= =14cm，活塞往復(fù)運動的速度為，活塞往復(fù)運動的速度為1m/s，潤滑油的，潤滑油的=0.1Pas。求作用在活塞上的粘性力。求作用在活塞上的粘性力。解：解：drduAF2053014011960m.dLAdrduNF5 .261051 . 0053. 03注意：面積、速度梯度的取法注意：面積、速度梯度的取法dDL131052/ )1196. 012. 0(012/ )(0sdDv同心環(huán)形縫隙中的直線運動同心環(huán)形縫隙中的直線運動47例例1-2：旋轉(zhuǎn)圓筒粘度計，外筒固定，內(nèi)筒轉(zhuǎn)速：旋轉(zhuǎn)圓筒粘度計，外筒固定，內(nèi)筒轉(zhuǎn)速n=10r/min。內(nèi)。內(nèi)外筒間充入實驗液體。內(nèi)筒外筒間充