工程流體力學(xué) 第一章

1、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、黏性、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 1-1 概述固體（如土建結(jié)構(gòu)固體（如土建結(jié)構(gòu)固體力學(xué)）固體力學(xué)） 具有固定的形狀，具有固定的形狀，可承受拉、壓、彎可承受拉、壓、彎、剪、扭、剪、扭自然界的物質(zhì)自然界的物質(zhì)流體（如液體、氣流體（如液體、氣體體流體力學(xué)）流體力學(xué)）易流動，隨容器而易流動，隨容器而方圓，主要承受壓方圓，主要承受壓力力固體和流體的主要區(qū)別在于變形性固體和流體的主要區(qū)別在于變形性 氣氣 體體 容易壓縮容易壓縮 不能形成不能形成自由表面自由表面液液 體體 難以壓縮難以壓縮 可以形成自可以形成自由表面由表

2、面流流 體體流流 體體理論流體力學(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)：側(cè)重于解決工程實際中出現(xiàn)的問題，不追求數(shù)學(xué)上的嚴(yán)密性。 1-1 概述概述古典流體力學(xué)：建立在古典力學(xué)的基礎(chǔ)上，運用嚴(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)與實際不盡相符。實驗流體力學(xué)：依靠實驗方法制定一些經(jīng)驗公式，以滿足工程需要，但有些公式缺乏理論基礎(chǔ)?，F(xiàn)代流體力學(xué)：理論分析與實驗方法相結(jié)合，理論與實驗并重。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)：工程流體力學(xué)是土建類各專業(yè)的一門重要技術(shù)基 礎(chǔ)課。研究任務(wù)：研究流體的平衡和機(jī)械運動規(guī)律及其實際應(yīng)用。

3、技術(shù)基礎(chǔ)課技術(shù)基礎(chǔ)課基礎(chǔ)課基礎(chǔ)課專業(yè)課專業(yè)課技術(shù)基礎(chǔ)課技術(shù)基礎(chǔ)課 課程的學(xué)習(xí)將有利于數(shù)理、力學(xué)基礎(chǔ)知識的鞏固和提高，培養(yǎng)分析、解決實際工程問題的能力，為專業(yè)課程的學(xué)習(xí)打下堅實的基礎(chǔ)。 研究內(nèi)容研究內(nèi)容 流體平衡流體平衡 的的 力學(xué)規(guī)律力學(xué)規(guī)律基本工程應(yīng)用基本工程應(yīng)用流體機(jī)械運動流體機(jī)械運動 的的 力學(xué)規(guī)律力學(xué)規(guī)律 目前流體力學(xué)在以上三個方面相互配合、互為補充、互相促進(jìn)，并且與其他相關(guān)學(xué)科結(jié)合形成了一些交叉學(xué)科。理論分析：分析問題的主次因素提出適當(dāng)?shù)募俣?，抽象出理論模型，通過運用數(shù)學(xué)方法求解理論模型來揭示流體運動的規(guī)律。但許多實際問題尚難以從數(shù)學(xué)上精確求解。流體力學(xué)的研究方法實驗研究理論分析數(shù)值

4、計算實驗研究：將實際流動問題概括為相似的實驗?zāi)Ｐ停趯嶒炛杏^察現(xiàn)象、測定數(shù)據(jù)并進(jìn)而按照一定的方法推測實際結(jié)果?；蛲ㄟ^對具體流動的觀測來認(rèn)識流體運動的規(guī)律。1、原型觀測 在野外或水工建筑物現(xiàn)場，對水流運動進(jìn)行觀測，收集第一性在野外或水工建筑物現(xiàn)場，對水流運動進(jìn)行觀測，收集第一性資料，為檢驗理論分析成果或總結(jié)某些基本規(guī)律提供依據(jù)。資料，為檢驗理論分析成果或總結(jié)某些基本規(guī)律提供依據(jù)。2、 模型試驗 當(dāng)實際流體運動復(fù)雜，而理論分析困難，無法解決時采用。當(dāng)實際流體運動復(fù)雜，而理論分析困難，無法解決時采用。 指在實指在實驗室內(nèi)，以流體相似理論為指導(dǎo)，把實際工程縮小為模型，在模型上預(yù)演驗室內(nèi)，以流體相似理論

5、為指導(dǎo)，把實際工程縮小為模型，在模型上預(yù)演相應(yīng)的流體運動，得出模型流的規(guī)律性，再把模型試驗成果按照相似關(guān)系相應(yīng)的流體運動，得出模型流的規(guī)律性，再把模型試驗成果按照相似關(guān)系換算為原型的成果以滿足工程設(shè)計的需要。換算為原型的成果以滿足工程設(shè)計的需要。3、系統(tǒng)試驗 在實驗室內(nèi)，小規(guī)模的造成某種流體的運動，用以進(jìn)行系統(tǒng)的在實驗室內(nèi)，小規(guī)模的造成某種流體的運動，用以進(jìn)行系統(tǒng)的實驗觀測，從中找到規(guī)律。實驗觀測，從中找到規(guī)律。數(shù)值模擬（或稱數(shù)值實驗）：通過運用數(shù)值方法將理論模型離散成數(shù)值模型，用計算機(jī)求解數(shù)值模型來揭示流體運動的規(guī)律。先進(jìn)性：采用計算機(jī)、流體計算軟件等高新技術(shù)。經(jīng)濟(jì)性：可給定不同的邊界條件，

6、進(jìn)行大量的模擬，給出足夠多的力和運動要素值以進(jìn)行分析。流體力學(xué)在土木工程中有著廣泛的應(yīng)用。市政工程：城市給排水管網(wǎng)設(shè)計；城市防洪工程設(shè)計等。交通土建工程：路基、站場排水設(shè)計；橋涵孔徑水力設(shè)計；隧道及地下工程通風(fēng)及排水設(shè)計；高速鐵(公)路隧道洞形設(shè)計等。水利水電工程：輸運工程（輸油、輸氣、真空管道運輸）建筑工程：室內(nèi)給排水設(shè)計；地基降水及抗?jié)B設(shè)計等。 微觀上流體是由大量做無規(guī)則熱運動的分子所組成，分子間存有空隙，導(dǎo)致描述流體運動的物理量在空間和時間上都是不連續(xù)的。連續(xù)介質(zhì)模型提出的必要性和可能性必要性為了簡化分析計算；可能性宏觀上，一般工程中所研究流體問題的空間尺度和時間尺度要比分子距離和分子碰

7、撞時間大得多。連續(xù)介質(zhì)：質(zhì)點連續(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 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)和時間變量的連續(xù)函數(shù)的一種假設(shè)模型。 一般用努生數(shù)即分子平均自由程與物體特征尺寸之比來判斷流體是否滿足連續(xù)介質(zhì)假設(shè) ： l / L 1 對于常規(guī)尺寸的物體只有到了外層大氣中， l / L 才可能等于甚至大于1避免了流體分子運動的復(fù)雜性；物理量作為時空連續(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問題；定義某點的物理量。例.定義一點的密度。流體與固體一樣，也具有慣性。質(zhì)量是慣性大小的度量。密度:單位體積流體所具有的質(zhì)量。SI單位為kg/

8、m3。)(等流體種類，壓強(qiáng)，溫度fVm水的密度常用值：=1000kg/m3。水銀的密度常用值：=13600kg/m3。重度:單位體積流體所具有的重量。SI單位為kN/m3。)(等流體種類，壓強(qiáng)，溫度fgVmg流體與固體一樣，也具有萬有引力特性。重量是萬有引力特性大小的度量。yhUyhUuddu 或當(dāng)h或U不是很大時，兩平板間沿y方向的流速呈線性分布，即黏性黏性：流體在運動狀態(tài)下抵抗剪切變形速率的性質(zhì)?；虍?dāng)流體處于運動狀態(tài)時，若流體質(zhì)點之間存在著相對運動，則質(zhì)點間要產(chǎn)生內(nèi)摩擦力抵抗其相對運動（剪切變形），這種性質(zhì)稱為流體的黏滯性。yuAhUATdd實驗表明，對于大多數(shù)流體，存在引入比例系數(shù)，則得

9、著名的牛頓內(nèi)摩擦定律：yuATdd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)黏性的大小由黏度來度量。流體的黏度是由流體流動的內(nèi)聚力和分子的隨機(jī)熱運動導(dǎo)致的動量交換引起的。動力黏度：SI單位為Ns/m2或Pas 運動黏度：SI單位為m2/s，其計算式： )(,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，液體的黏度大于氣體的黏度。壓強(qiáng)：對常見流體，如水、氣體等，影響不大，一般可忽略不計。溫度：溫度：主要影響因素。當(dāng)溫度升高時，液體的黏度減小，氣體的黏度增大。液體：液體：內(nèi)聚力是產(chǎn)生黏度的主要因素內(nèi)聚力是產(chǎn)生黏度的主要因素. .溫度溫度分子間距分子

10、間距分子引力分子引力內(nèi)聚力內(nèi)聚力黏度黏度氣體：氣體：分子熱運動引起的動量交換是產(chǎn)生黏度的主要因素分子熱運動引起的動量交換是產(chǎn)生黏度的主要因素. . 溫度溫度分子熱運動分子熱運動動量交換動量交換黏度黏度數(shù)學(xué)上： 為沿流體運動法線方向的流速梯度。yudd物理上： 為運動流體相鄰兩流層的剪切變形速率。yuddyuddytuddddtgd故牛頓內(nèi)摩擦定律又可以寫成：tyudddd證明：如圖所示tyudddd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：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。實際流體：具有黏性的流體（0）。黏性是流體的固有屬性。

11、理想流體：忽略黏性的流體（=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例1 一底面積為4550cm2，高為1cm的木塊，質(zhì)量為5kg，沿涂有潤滑油的斜面向下作等速運動，木塊運動速度u=1m/s，油層厚1cm，斜坡角22.620 （見圖示），求油的黏度。uyuATmgddsin001. 0145. 04 . 062.22sin8 . 95sinuAmgsPa1047. 0解 木塊重量沿斜坡分力F與切力T平衡時，木塊等速下滑則壓縮性：在溫度不變的條件下，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/

12、m /dd/dd12pVVpK實際流體都是可壓縮的。液體的壓縮性很小，如水的相對壓縮值約1/20000。故一般工程設(shè)計中，認(rèn)為水的壓縮可以忽略，其密度可視為常數(shù)。 在壓強(qiáng)不變的條件下，流體體積隨溫度增加而增加的性質(zhì)。 d/dVTV雨后水滴在枝頭懸而不滴落； 液固間附著力大于液體的內(nèi)聚力液固間附著力小于液體的內(nèi)聚力細(xì)管中的液體自動上升或下降一個高度（毛細(xì)管現(xiàn)象）； 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，由分子的內(nèi)聚力引起。自由表面內(nèi)單位長度上所受的表面張力，SI單位為N/m。發(fā)生在液氣接觸的周界、液固接觸的周界、不同液體接觸的周界。 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)