(工程流體力學(xué))Char01緒論

1、( (工程流體力學(xué)工程流體力學(xué))Char01)Char01緒論緒論工程流體力學(xué)的任務(wù)流體的連續(xù)介質(zhì)模型流體的主要物理性質(zhì):慣性、粘性、壓縮性和表面張力特性作用在流體上的力：表面力和質(zhì)量力 流體的主要物理性質(zhì)作用在流體上的力 自然界物質(zhì)存在的主要形式有:固體、流體(包括液體和氣體）.(1).從表觀看，固體具有固定的形狀，不易流動(dòng)；流體則隨盛器而方圓，且易流動(dòng).(2).從力學(xué)分析的角度看，在于兩者對(duì)外力抵抗的能力不同.固體固體：可以承受拉力、壓力和剪力.流體流體：幾乎不能承受拉力；靜止流體還不能承受剪力. 氣體易于壓縮；液體難于壓縮.液體具有一定的體積，并可形成自由表面；氣體可充滿任何容器，但無一

2、定體積，也不能形成自由表面.理論流體力學(xué)理論流體力學(xué)：側(cè)重于理論方面的研究，主要采用數(shù)學(xué)推理方法，力求嚴(yán)密性和準(zhǔn)確性.工程流體力學(xué)工程流體力學(xué)：側(cè)重于解決工程實(shí)際中出現(xiàn)的問題，不追求數(shù)學(xué)上的嚴(yán)密性.古典流體力學(xué)古典流體力學(xué)：在古典力學(xué)的基礎(chǔ)上，運(yùn)用嚴(yán)密的數(shù)學(xué)分析方法，建立有關(guān)流體的基本方程，但理論中有些假設(shè)與實(shí)際不盡相符.實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)：依靠實(shí)驗(yàn)方法制定一些經(jīng)驗(yàn)公式，以滿足工程需要，但有些公式缺乏理論基礎(chǔ).現(xiàn)代流體力學(xué)現(xiàn)代流體力學(xué)：理論分析與實(shí)驗(yàn)方法相結(jié)合，理論與實(shí)驗(yàn)并重.學(xué)科屬性學(xué)科屬性：工程流體力學(xué)為工程力學(xué)的分支學(xué)科.課程性質(zhì)課程性質(zhì)：工程流體力學(xué)是土建類各專業(yè)的一門重要技術(shù)基

3、礎(chǔ)課.研究任務(wù)研究任務(wù)：研究流體平衡和機(jī)械運(yùn)動(dòng)規(guī)律及其實(shí)際應(yīng)用.研究?jī)?nèi)容：包括基礎(chǔ)理論和實(shí)際應(yīng)用的研究.其中: 流體靜力學(xué)理論流體動(dòng)力學(xué)理論 流體實(shí)驗(yàn)分析理論 流體阻力與水頭損失理論 有壓管道水力計(jì)算 明渠水力計(jì)算 堰、閘（孔）、橋、涵水力計(jì)算 工程滲流計(jì)算 一般有理論分析、實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值模擬三種.理論分析理論分析：通過運(yùn)用數(shù)學(xué)方法求解理論模型來揭示流體運(yùn)動(dòng)的規(guī)律.但許多實(shí)際問題尚難以從數(shù)學(xué)上精確求解.實(shí)驗(yàn)研究實(shí)驗(yàn)研究：通過對(duì)具體流動(dòng)的觀測(cè)來認(rèn)識(shí)流體運(yùn)動(dòng)的規(guī)律.實(shí)驗(yàn)樓實(shí)驗(yàn)樓(146m)及其周圍環(huán)境及其周圍環(huán)境臺(tái)風(fēng)臺(tái)風(fēng)“凡亞比凡亞比”路徑路徑 風(fēng)壓傳感器風(fēng)壓傳感器粘貼于建筑表面的前端壓力傳感器粘

4、貼于建筑表面的前端壓力傳感器 數(shù)據(jù)采集現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集現(xiàn)場(chǎng) 數(shù)值模擬（或稱數(shù)值實(shí)驗(yàn)）數(shù)值模擬（或稱數(shù)值實(shí)驗(yàn)）：通過運(yùn)用數(shù)值方法將理論模型離散成數(shù)值模型，用計(jì)算機(jī)求解數(shù)值模型來揭示流體運(yùn)動(dòng)的規(guī)律.流體力學(xué)在土木工程中有著廣泛的應(yīng)用.市政工程市政工程：城市給排水管網(wǎng)設(shè)計(jì)；城市防洪工程設(shè)計(jì)；取水工程、凈水工程設(shè)計(jì)等.F F F供熱通風(fēng)設(shè)計(jì)供熱通風(fēng)設(shè)計(jì)u熱的效應(yīng)u空氣的調(diào)節(jié)u燃?xì)獾妮斉鋟排毒排濕u除塵降溫的計(jì)算等鳥瞰北京鳥瞰北京-城市熱島效應(yīng)城市熱島效應(yīng)交通土建工程：交通土建工程：路基、站場(chǎng)排水設(shè)計(jì)；橋涵孔徑水力設(shè)計(jì)；隧道及地下工程通風(fēng)及排水設(shè)計(jì)；高速鐵(公)路隧道洞形設(shè)計(jì)等.建筑工程：室內(nèi)給排水設(shè)計(jì)；地

5、基降水及抗?jié)B設(shè)計(jì)等.其他方面：艦艇、船舶、飛機(jī)、汽車等微觀微觀：流體是由大量做無規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)的分子所組成，分子間存有空隙，物理量在空間和時(shí)間上都是不連續(xù)的.但在標(biāo)準(zhǔn)狀況下，1cm3液體含有3.31022個(gè)分子，分子間距離為3.110-8cm；1cm3氣體含有2.71019個(gè)分子.分子間距離為3.210-7cm. 宏觀宏觀：一般工程中，所研究流體的空間尺度和時(shí)間尺度要比分子距離和分子碰撞時(shí)間大得多.連續(xù)介質(zhì)連續(xù)介質(zhì)：質(zhì)點(diǎn)連續(xù)地充滿所占空間的流體和固體.流體的連續(xù)介質(zhì)模型流體的連續(xù)介質(zhì)模型：把流體視為沒有間隙地充滿其所占空間的連續(xù)介質(zhì)，且其所有物理量都是空間坐標(biāo)和時(shí)間變量的連續(xù)函數(shù)的一種假設(shè)模型.避

6、免了流體分子運(yùn)動(dòng)的復(fù)雜性.物理量作為時(shí)空連續(xù)函數(shù)，則可利用高等數(shù)學(xué)中連續(xù)函數(shù)分析方法研究流體流動(dòng)問題.流體與固體一樣，也具有慣性.質(zhì)量是慣性大小的度量.水的密度常用值：=1000kg/m3.水銀的密度常用值：=13600kg/m3.密度密度:單位體積流體的質(zhì)量.SI單位為kg/m3. )(等流體種類，壓強(qiáng)，溫度fVm粘性粘性：流體在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下抵抗剪切變形的性質(zhì).yhUyhUuddu 或當(dāng)h和u不是很大時(shí)，兩平板間沿y方向的流速呈線性分布，即yuAhUAFdd實(shí)驗(yàn)表明，對(duì)于大多數(shù)流體，存在引入比例系數(shù)，則得著名的牛頓內(nèi)摩擦定律：yuAFdd粘性的大小由粘度來度量.流體的粘度是由流體流動(dòng)的內(nèi)聚力和

7、分子的動(dòng)量交換引起的.動(dòng)力粘度動(dòng)力粘度：SI單位為Ns/m2或Pas 運(yùn)動(dòng)粘度運(yùn)動(dòng)粘度（nu nju ）：SI單位為m2/s.其計(jì)算式： )(,等流體種類，壓強(qiáng)，溫度f流體的種類：主要影響因素.一般在相同條件下，液體的粘度大于氣體的粘度.壓強(qiáng)：對(duì)常見流體，如水、氣體等，影響不大，一般可忽略不計(jì).液體：內(nèi)聚力是產(chǎn)生粘度的主要因素. 溫度分子間距分子吸引力內(nèi)摩擦力粘度氣體：分子熱運(yùn)動(dòng)引起的動(dòng)量交換是產(chǎn)生粘度的主要因素. 溫度分子熱運(yùn)動(dòng)動(dòng)量交換內(nèi)摩擦力粘度數(shù)學(xué)上： 為沿流體運(yùn)動(dòng)法線方向的流速梯度.yudd物理上： 為運(yùn)動(dòng)流體相鄰兩流層的剪切變形速率.yuddyuddd ddtgddu ty故牛頓內(nèi)摩

8、擦定律又可以寫成：dddduyt證明證明：如圖所示dddduyt牛頓流體牛頓流體：符合牛頓內(nèi)摩擦定律的流體.如水、空氣、汽油和水銀等.非牛頓流體非牛頓流體：不符合牛頓內(nèi)摩擦定律的流體.如泥漿、血漿、新拌水泥砂漿、新拌混凝土等.實(shí)際流體實(shí)際流體：具有粘性的流體（0）.粘性是流體的固有屬性.理想流體理想流體：忽略粘性的流體（=0），為研究方便引入的假想流體.平衡流體（ ）或理想流體（=0）均不產(chǎn)生切應(yīng)力，即=0.0d/dyu壓縮性壓縮性：流體的宏觀體積隨著作用壓強(qiáng)的增大而減小的性質(zhì)./N)(m d/dd/d2ppVV)(N/m /dd/dd12pVVpE實(shí)際流體都是可壓縮的. 當(dāng)藥水從瓶口滴出時(shí)，

9、先在瓶口處形成一個(gè)小水珠，當(dāng)你再用力按一下時(shí)，藥水就滴出來了。這個(gè)小水珠是因?yàn)樗砻鎻埩Φ淖饔枚纬傻摹Ｏ旅孢@個(gè)小實(shí)驗(yàn)也能演示給你看，什么是水的表面張力。 橡皮吸管1支、透明塑料紙1張、報(bào)紙1張、凈水1瓶。 3現(xiàn)在觀察一下，滴在塑料紙上的水滴形成一個(gè)小小的水珠。為什么會(huì)形成小水珠，你能說出其中的道理嗎？4透過這個(gè)小水珠往報(bào)紙上看，你將會(huì)看到報(bào)紙上的小字被放大了，這又是為什么呢？ 實(shí)驗(yàn)方法1把報(bào)紙平攤在桌面上，把透明塑料紙放在報(bào)紙的上面。要求塑料紙要平整，能清楚地看到報(bào)紙上的字。2用橡皮吸管在裝有凈水的瓶?jī)?nèi)吸一點(diǎn)水，再小心地在塑料紙上滴一滴水，要水滴越小越好。雨后水滴在枝頭懸而不滴落； 細(xì)管中的

10、液體自動(dòng)上升或下降一個(gè)高度（）； Bug-water水面漫步而不下沉. 液體表面由于分子引力大于斥力而在表層沿表面方向產(chǎn)生的拉力.自由表面內(nèi)單位長(zhǎng)度上所受的表面張力，SI單位為N/m.在工程流體力學(xué)中，一般將作用在流體上的力分為表面力和質(zhì)量力兩類.作用在流體隔離體表面上，其大小與作用面積成正比.)( )( limlim00切向應(yīng)力法向應(yīng)力AFAFpTApA作用在流體隔離體內(nèi)每個(gè)流體微團(tuán)上，其大小與流體質(zhì)量成正比.如重力、慣性力等.kjikjifFfzyxzyxfffmFmFmFm )m/s( 2或如圖所示，若作用在流體上的質(zhì)量力只有重力，試求相應(yīng)的單位質(zhì)量力.質(zhì)量力在各坐標(biāo)軸上的分量為：mgF

11、FFzyx, 0, 0 單位質(zhì)量力在各坐標(biāo)軸上的分量為：gmmgfffzyx, 0, 0A A、流體的分子；、流體的分子； B B、流體內(nèi)的固體顆粒；、流體內(nèi)的固體顆粒； C C、幾何的點(diǎn)；、幾何的點(diǎn)； D D、幾何尺寸同流動(dòng)空間相比是極小量、幾何尺寸同流動(dòng)空間相比是極小量, ,又含有大量分子的又含有大量分子的微元體。微元體。按連續(xù)介質(zhì)的概念，流體質(zhì)點(diǎn)是指？理想流體的特征是？ A A、 粘度是常數(shù)；粘度是常數(shù)； B B、不可壓縮；、不可壓縮； C C、無粘性；、無粘性； D、符合符合pV=RT。 下面關(guān)于流體粘性的說法中，不正確的是？A A、粘性是流體的固有屬性；、粘性是流體的固有屬性； B

12、B、粘性是運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下，流體有抵抗剪切變形速率能力、粘性是運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下，流體有抵抗剪切變形速率能力的量度；的量度； C C、流體的粘性具有傳遞運(yùn)動(dòng)和阻滯運(yùn)動(dòng)的雙重性；、流體的粘性具有傳遞運(yùn)動(dòng)和阻滯運(yùn)動(dòng)的雙重性； D、流體的粘度隨溫度的升高而增大。、流體的粘度隨溫度的升高而增大。 _是非牛頓流體。 (a). 水 (b).空氣 (c).血液 (d).瀝青課堂練習(xí)【例6】流體的密度與（ ）有關(guān)？ A、流體種類、溫度、體積等 B、流體種類、溫度、壓力等 C、流體種類、壓力、體積等 D、溫度、壓力、體積等因?yàn)樗腅v=2109Pa ，水的體積變化很小，可忽略不計(jì)，所以通?？砂阉暈椴豢蓧嚎s流體。為可壓縮流體。因?yàn)榇藭r(shí)引起水龍頭附近處的壓強(qiáng)變化，且變幅較大。 課后習(xí)題：課后習(xí)題：16；