流體力學(xué)一流體力學(xué)緒論

1、第一章緒論§1-1流體力學(xué)及其任務(wù)1、流體力學(xué)地任務(wù)：研究流體地宏觀平衡、宏觀機(jī)械運(yùn)動(dòng)規(guī)律及其在工程實(shí)際中地應(yīng)用地一門學(xué)科.研究對(duì)象: 流體 , 包括液體和氣體.2、流體力學(xué)定義：研究流體平衡和運(yùn)動(dòng)地力學(xué)規(guī)律、流體與固體之間地相互作用及其在工程技術(shù)中地應(yīng)用.3、研究對(duì)象：流體<包括氣體和液體）.4、特性 ：? 流動(dòng) （flow> 性 , 流體在一個(gè)微小地剪切力作用下能夠連續(xù)不斷地變形, 只有在外力停止作用后, 變形才能停止. b5E2RGbCAP? 液 體 具 有 自 由 （free surface> 表 面 , 不 能 承 受 拉 力 承 受 剪 切 力 <

2、 shear stress ） . p1EanqFDPw? 氣體不能承受拉力, 靜止時(shí)不能承受剪切力, 具有明顯地壓縮性, 不具有一定地體積,可充滿整個(gè)容器.流體作為物質(zhì)地一種基本形態(tài), 必須遵循自然界一切物質(zhì)運(yùn)動(dòng)地普遍, 如牛頓地力學(xué)定律、質(zhì)量守恒定律和能量守恒定律等.5、易流動(dòng)性：處于靜止?fàn)顟B(tài)地流體不能承受剪切力, 即使在很小地剪切力地作用下也將發(fā)生連續(xù)不斷地變形, 直到剪切力消失為止. 這也是它便于用管道進(jìn)行輸送, 適宜于做供熱、制冷等工作介質(zhì)地主要原因. 流體也不能承受拉力, 它只能承受壓力. 利用蒸汽壓力推動(dòng)氣輪機(jī)來發(fā)電, 利用液壓、氣壓傳動(dòng)各種機(jī)械等, 都是流體抗壓能力和易流動(dòng)性地

3、應(yīng)用 . DXDiTa9E3d沒有固定地形狀, 取決于約束邊界形狀, 不同地邊界必將產(chǎn)生不同地流動(dòng).6、流體地連續(xù)介質(zhì)模型流體微團(tuán)是使流體具有宏觀特性地允許地最小體積.這樣地微團(tuán),稱為流體質(zhì)點(diǎn).流體微團(tuán)：宏觀上足夠大,微觀上足夠小.流體地連續(xù)介質(zhì)模型為：流體是由連續(xù)分布地流體質(zhì)點(diǎn)所組成,每一空間點(diǎn)都被確定地流體質(zhì)點(diǎn)所占據(jù),其中沒有間隙,流體地任一物理量可以表達(dá)成空間坐標(biāo)及時(shí)間地連續(xù)函數(shù),而且是單值連續(xù)可微函數(shù).RTCrpUDGiT7 流體力學(xué)應(yīng)用：航空、造船、機(jī)械、冶金、建筑、水利、化工、石油輸送、環(huán)境保護(hù)、交通運(yùn)輸?shù)鹊纫捕加龅讲簧倭黧w力學(xué)問題. 例如 , 結(jié)構(gòu)工程：鋼結(jié)構(gòu), 鋼混結(jié)構(gòu)等. 船

4、舶結(jié)構(gòu)；梁結(jié)構(gòu)等要考慮風(fēng)致振動(dòng)以及水動(dòng)力問題；海洋工程如石油鉆井平臺(tái)防波堤受到地外力除了風(fēng)地作用力還有波浪、潮夕地作用力等, 高層建筑地設(shè)計(jì)要考慮抗風(fēng)能力；船閘地設(shè)計(jì)直接與水動(dòng)力有關(guān)等等.5PCzVD7HxA二、流體力學(xué)發(fā)展簡(jiǎn)史公元前20世紀(jì)流體力學(xué)開端18世紀(jì)是流體力學(xué)地創(chuàng)建階段.19世紀(jì)是流體動(dòng)力學(xué)地基礎(chǔ)理論全面發(fā)展階段，形成了兩個(gè)重要分支：粘性流體動(dòng)力學(xué)和空氣-氣體動(dòng)力學(xué).20世紀(jì)創(chuàng)建了空氣動(dòng)力學(xué)完整地科學(xué)體系，并取得了蓬勃地發(fā)展.19世紀(jì)后半葉地工業(yè)革命，蒸汽機(jī)地出現(xiàn)和工業(yè)葉輪機(jī)地產(chǎn)生，使人們萌發(fā)了建造飛機(jī)地想法1906年，儒可夫斯基Joukowski ）發(fā)表了著名地升力公式，奠定了二

5、維機(jī)翼理論地基礎(chǔ),并提出以他地名字命名地翼型.jLBHrnAILg與無粘流體動(dòng)力學(xué)發(fā)展地同時(shí)，粘性流體力學(xué)也得到了迅猛地發(fā)展.普朗特與1904年首先提出劃時(shí)代地附面層理論，從而使流體流動(dòng)地?zé)o粘流動(dòng)和粘性流動(dòng)科學(xué)地協(xié)調(diào)起來，在數(shù)學(xué)和工程之間架起了橋梁.XHAQX74J0X1946年出現(xiàn)了第一臺(tái)計(jì)算機(jī)以后，研究流體力學(xué)-空氣動(dòng)力學(xué)地?cái)?shù)值計(jì)算方法蓬勃 發(fā)展起來，形成了計(jì)算流體 -空氣動(dòng)力學(xué)這門嶄新地學(xué)科，并推進(jìn)到一個(gè)新地階段.LDAYtRyKfE§ 1-2作用在流體上地力1、質(zhì)量力質(zhì)量力G）：質(zhì)量T , G 長(zhǎng)程力.質(zhì)量力包括重力和慣性力.在流體力學(xué)中常用單位質(zhì)量力來衡量質(zhì)量力地大小.X、

6、 Y、 Z分別代表單位質(zhì)量力在直角坐標(biāo)G.GyG,軸x、y、z萬向地分量，則X =,Y ='Z =*1.4.1） 單位與加速度mmm地單位相同，均是m/S2 .Zzz6ZB2Ltk2、表面力表面力近程力 .表面切向力為摩擦力）：一切應(yīng)力或摩擦應(yīng)力 表面法向力 壓力）.；一壓應(yīng)力簡(jiǎn)稱為壓強(qiáng).2由流體粘性所引起地內(nèi)摩擦力是表面切向力，平衡流體或理想流體，不存在表面切向力，只有表面法向力.本次課小結(jié)：1、工程流體力學(xué)研究地是實(shí)際流體；2 、研究方法是將實(shí)際流體假想為理想流體；3 、符合牛頓內(nèi)摩擦定律；4 、各物理性質(zhì)及之間地?fù)Q算關(guān)系 .§ 1-3流體地主要物理性質(zhì)一、教案目地與任務(wù)

7、1、本草地學(xué)習(xí)目地1）使學(xué)生明確流體力學(xué)這門課地性質(zhì)、任務(wù)及研究對(duì)象.2）使學(xué)生掌握流體地主要物理性質(zhì).3）初步建立起有關(guān)流體地基本概念.2、學(xué)生學(xué)完本章能夠1）掌握流體地慣性、黏性、壓縮性、膨脹性等主要物理性質(zhì).2）理解流體微團(tuán)及質(zhì)點(diǎn)地概念、連續(xù)介質(zhì)模型及建立地條件.3） 了解作用在流體上地力 質(zhì)量力和表面力）.二、重點(diǎn)、難點(diǎn)1、重點(diǎn)黏性、牛頓內(nèi)摩擦定律、質(zhì)量力、表面力、連續(xù)介質(zhì)概念.2、難點(diǎn)牛頓內(nèi)摩擦定律具體應(yīng)用三、教案方法本章內(nèi)容是學(xué)生學(xué)習(xí)流體力學(xué)這門課地基礎(chǔ)，是流體力學(xué)地“門檻”.因此， 必須聯(lián)系生產(chǎn)及生活實(shí)際，使學(xué)生首先在思想上明確認(rèn)識(shí)，對(duì)這門課產(chǎn)生興趣，使 學(xué)生認(rèn)識(shí)到流體力學(xué)理論在

8、生產(chǎn)和生活實(shí)際中地應(yīng)用是無所不在地 .dvzfvkwMI1第2次課年 月日章題目第1章緒論方式課堂模塊預(yù)備知識(shí)模塊方法重點(diǎn)內(nèi)容學(xué)習(xí)法單元緒論手段多媒體基本要求掌握流體地主要物理性質(zhì)，弄清流體質(zhì)點(diǎn)地概念，理解連續(xù)介質(zhì)模型，知道 作用在流體上地力重點(diǎn)流體地主要物理性質(zhì)難點(diǎn)牛頓內(nèi)摩擦定律應(yīng)用內(nèi)容拓展工程應(yīng)用實(shí)例、科研成就笏巧教材1、張也影，流體力學(xué) 第二版），高等教育出版社.1999.2、徐文娟，工程流體力學(xué)，哈爾濱工程大學(xué)出版社，2002.3、莫乃榕，工程流體力學(xué)，華中科技大學(xué)出版社，20004、禹華謙，工程流體力學(xué)，西南交通大學(xué)出版社,1999作業(yè)習(xí)題：12、1 5思考題：1 1、12、13、1

9、4、15、1 6是決定流體平衡和運(yùn)動(dòng)規(guī)律地內(nèi)因.1、慣性慣性是物體反抗外力作用而維持其原有運(yùn)動(dòng)狀態(tài)地性質(zhì).慣性地大小取決于物體地質(zhì)量，質(zhì)量T ,慣性T .舉例：汽車減速.rqyn14ZNXI2、密度工程中常用體積來表示流體地量地多少，如：煤氣表、水表地示數(shù)都是體積.單位體積流體地質(zhì)量流體地密度，用P來表示.EmxvxOtOco對(duì)于均質(zhì)流體P = m <kg/m 3)3、重度單位體積流體地重量一一流體地重度，用¥來表示.對(duì)于均質(zhì)流體,其重度Formula)為G = <N/m 3)V在地球重力場(chǎng)地條件下，流體地密度和重度地關(guān)系為¥ = Pg常溫下水地密度和重度一般采

10、用：Pw =1000kg/m3, Yw =9800N/m3.注意：密度和重度地本質(zhì)區(qū)別.4、粘性粘性單一流體阻止發(fā)生剪切變形地一種特性.粘性是流體地固有屬性.當(dāng)流體運(yùn)動(dòng)時(shí)，流體內(nèi)部各質(zhì)點(diǎn)間或流體層間會(huì)因相對(duì)運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生內(nèi)摩擦力<剪切力)以抵抗其相對(duì)運(yùn)動(dòng) ，流體地這種性質(zhì)稱為粘性.此內(nèi)摩擦力稱為粘滯力 <粘性切應(yīng)力).SixE2yXPq5(1) 牛頓內(nèi)摩擦定律圖1.2.1為平行平板實(shí)驗(yàn)地示意圖.假定在兩板之間流體是分層運(yùn)動(dòng)，沒有不規(guī)則地流體運(yùn)動(dòng)及脈動(dòng)加入其中，則由下板到上板之間有許多流體層.各層流體由于質(zhì)點(diǎn)間地內(nèi)摩擦 力作用，其速度沿y方向地變化規(guī)律如圖 1.2.1所示.6ewMyir

11、QFL設(shè)：F單一各流體層間產(chǎn)生地內(nèi)摩擦力，大量實(shí)驗(yàn)證明，內(nèi)摩擦力F與接觸面積 A、相對(duì)速度差du成正比，而與垂直距離dy成反比，即F s Adu dy若 乘 以 比 例 系 數(shù) N , 則 有kavU42VRUsF =±皿血 1 dyF . du一=±N 2A dy式中 F內(nèi)摩擦力，N ;圖1.2.1平行平板實(shí)驗(yàn)2 單位面積上地內(nèi)摩擦力或切應(yīng)力，N/m ；2A單一流體層地接觸面積,m ；du單一速度梯度，即速度在垂直于該速度方向上地變化率,sdyR單一與流體性質(zhì)有關(guān)地比例系數(shù)，稱為動(dòng)力粘性系數(shù)，或稱動(dòng)力粘度 1、 2式稱為牛頓內(nèi)摩擦定律或粘性定律 .牛頓內(nèi)摩擦定律只能應(yīng)用于

12、層流運(yùn)動(dòng).而非層流流場(chǎng)中地切應(yīng)力規(guī)律將在第4章紊流理論中討論.牛頓流體：符合牛頓內(nèi)摩擦定律.如水、酒精、汽油和一般氣體等分子結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單地流體都是牛頓流體.非牛頓流體：不符合牛頓內(nèi)摩擦定律.如泥漿、有機(jī)膠體、油漆、高分子溶液等.<2)粘性系數(shù)動(dòng)力粘性系數(shù)dynamic viscosity ) R：反應(yīng)流體地粘性，具有動(dòng)力學(xué)問題地量綱.Rdu dyN值由實(shí)3測(cè)定.N值表示速度才I1度等于 1時(shí)地接觸面上地切應(yīng)力動(dòng)力粘性系數(shù) N國(guó)際單位為Pas<Ns/m2),物理單位為泊<P或dn s/cm 2)它們地?fù)Q算關(guān)系為1N s/m 2 =10dn s/cm 2 =10P運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù)或運(yùn)動(dòng)粘

13、度：.=-PU地單位及各種單位之間地見換算關(guān)系F5 .液壓油地牌號(hào)多用運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù)表示.一種機(jī)械油地號(hào)數(shù)就是以這種油在50。C時(shí)地運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù)平均值標(biāo)注地 ，號(hào)數(shù)越大，粘性就越大.例如30號(hào)機(jī)械油，就是指這種油在50° C時(shí)地運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù)平均值為30 10 6 m2 /s. y6V3ALoS89思考？ ？ ？ T = 0時(shí)，流體沒有粘性，這種說法對(duì)否? 例題11軸置于軸套中，如圖1.2.2所示.以P=90N 地力由左端推軸向右移動(dòng)，軸移動(dòng)地速度為 V=0.122m/s,軸地直徑為 d = 75mm其它尺寸見圖中. 一 求軸與軸套間流體地動(dòng)力粘性系數(shù)N . M2ub6vSTnP解因軸與

14、軸套間地徑向間隙很小，故設(shè)間隙內(nèi)流體 地速度為線性分布，由式N =A圖1.2.2軸與軸套上式中 F = P , A = dlFh PhA二 dl=1.174 Pas90 0.0000753.1416 0.075 0.2 0.122<3)溫度、壓力對(duì)粘性系數(shù)地影響液體：溫度T ,粘性J ；氣體：溫度T ,粘性T液體、氣體：壓力T ，粘性T .<4)理想流體與實(shí)際流體自然界中存在地流體都具有粘性一一粘性流體或?qū)嶋H流體.理想流體：是一種假想地?zé)o粘性地流體，N=0 .流體力學(xué)地研究方法：將實(shí)際流體假想為理想流體，找出它地運(yùn)動(dòng)規(guī)律后，再考慮粘性地影響，修正后再用于實(shí)際流體.0YujCfmUCw§ 1-4流體地其他屬性1、壓縮性和膨脹性(1 ) 壓縮性當(dāng)作用在流體上地壓力T時(shí) ，流體地體積J ，密度T ,流體地壓縮性流體可壓縮性地大小通常用體積壓縮系數(shù)p p表示.在實(shí)際工程中，一般認(rèn)為：液體是如通風(fēng)系統(tǒng)),可按不可壓不可壓縮地；氣體，當(dāng)壓力和溫度在整個(gè)流動(dòng)過程中變化很小時(shí) 縮流體處理.如礦井通風(fēng)系統(tǒng).eUts8ZQVRd如研究液體地振動(dòng)、沖擊時(shí)，則要考慮液體地壓縮性.(2) 膨脹性當(dāng)溫度T時(shí)，體積T流體地膨脹性.大小用體積膨脹系數(shù)Pt表示.Pt很大，當(dāng)壓力和溫度變化在工程上：液體地 Pt很小，一般不考慮其膨脹