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(dòng)，隨容器而易流動(dòng)，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(shí)際中出現(xiàn)的問(wèn)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(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)：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)：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：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(yùn)動(dòng)規(guī)律及其實(shí)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(shí)的鞏固和提高，培養(yǎng)分析、解決實(shí)際工程問(wèn)題的能力，為專業(yè)課程的學(xué)習(xí)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。 研究?jī)?nèi)容研究?jī)?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(yùn)動(dòng)流體機(jī)械運(yùn)動(dòng) 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(gè)方面相互配合、互為補(bǔ)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(wèn)題的主次因素提出適當(dāng)?shù)募俣?，抽象出理論模型，通過(guò)運(yùn)用數(shù)學(xué)方法求解理論模型來(lái)揭示流體運(yùn)動(dòng)的規(guī)律。但許多實(shí)際問(wèn)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(shí)驗(yàn)研究理論分析數(shù)值

4、計(jì)算實(shí)驗(yàn)研究：將實(shí)際流動(dòng)問(wèn)題概括為相似的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，在?shí)驗(yàn)中觀察現(xiàn)象、測(cè)定數(shù)據(jù)并進(jìn)而按照一定的方法推測(cè)實(shí)際結(jié)果?；蛲ㄟ^(guò)對(duì)具體流動(dòng)的觀測(cè)來(lái)認(rèn)識(shí)流體運(yùn)動(dòng)的規(guī)律。1、原型觀測(cè) 在野外或水工建筑物現(xiàn)場(chǎng)，對(duì)水流運(yùn)動(dòng)進(jìn)行觀測(cè)，收集第一性在野外或水工建筑物現(xiàn)場(chǎng)，對(duì)水流運(yùn)動(dòng)進(jìn)行觀測(cè)，收集第一性資料，為檢驗(yàn)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(yàn)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(yàn) 當(dāng)實(shí)際流體運(yùn)動(dòng)復(fù)雜，而理論分析困難，無(wú)法解決時(shí)采用。當(dāng)實(shí)際流體運(yùn)動(dòng)復(fù)雜，而理論分析困難，無(wú)法解決時(shí)采用。 指在實(shí)指在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，以流體相似理論為指導(dǎo)，把實(shí)際工程縮小為模型，在模型上預(yù)演驗(yàn)室內(nèi)，以流體相似理論

5、為指導(dǎo)，把實(shí)際工程縮小為模型，在模型上預(yù)演相應(yīng)的流體運(yùn)動(dòng)，得出模型流的規(guī)律性，再把模型試驗(yàn)成果按照相似關(guān)系相應(yīng)的流體運(yùn)動(dòng)，得出模型流的規(guī)律性，再把模型試驗(yàn)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(jì)的需要。換算為原型的成果以滿足工程設(shè)計(jì)的需要。3、系統(tǒng)試驗(yàn) 在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，小規(guī)模的造成某種流體的運(yùn)動(dòng)，用以進(jìn)行系統(tǒng)的在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，小規(guī)模的造成某種流體的運(yùn)動(dòng)，用以進(jìn)行系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)觀測(cè)，從中找到規(guī)律。實(shí)驗(yàn)觀測(cè)，從中找到規(guī)律。數(shù)值模擬（或稱數(shù)值實(shí)驗(yàn)）：通過(guò)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(lái)揭示流體運(yùn)動(dòng)的規(guī)律。先進(jìn)性：采用計(jì)算機(jī)、流體計(jì)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(yùn)動(dòng)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(jì)；城市防洪工程設(shè)計(jì)等。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。水利水電工程：輸運(yùn)工程（輸油、輸氣、真空管道運(yùn)輸）建筑工程：室內(nèi)給排水設(shè)計(jì)；地基降水及抗?jié)B設(shè)計(jì)等。 微觀上流體是由大量做無(wú)規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)的分子所組成，分子間存有空隙，導(dǎo)致描述流體運(yùn)動(dòng)的物理量在空間和時(shí)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(jiǎn)化分析計(jì)算；可能性宏觀上，一般工程中所研究流體問(wèn)題的空間尺度和時(shí)間尺度要比分子距離和分子碰

7、撞時(shí)間大得多。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 把流體視為沒(méi)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。 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(lái)判斷流體是否滿足連續(xù)介質(zhì)假設(shè) ： l / L 1 對(duì)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(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(wèn)題；定義某點(diǎn)的物理量。例.定義一點(diǎn)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f(wàn)Vm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f(wàn)gVmg流體與固體一樣，也具有萬(wàn)有引力特性。重量是萬(wàn)有引力特性大小的度量。yhUyhUuddu 或當(dāng)h或U不是很大時(shí)，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(yùn)動(dòng)狀態(tài)下抵抗剪切變形速率的性質(zhì)?；虍?dāng)流體處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)，若流體質(zhì)點(diǎn)之間存在著相對(duì)運(yùn)動(dòng)，則質(zhì)點(diǎn)間要產(chǎn)生內(nèi)摩擦力抵抗其相對(duì)運(yùn)動(dòng)（剪切變形），這種性質(zhì)稱為流體的黏滯性。yuAhUATdd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

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(wú)關(guān)黏性的大小由黏度來(lái)度量。流體的黏度是由流體流動(dòng)的內(nèi)聚力和分子的隨機(jī)熱運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的動(dòng)量交換引起的。動(dòng)力黏度：SI單位為Ns/m2或Pas 運(yùn)動(dòng)黏度：SI單位為m2/s，其計(jì)算式： )(,等流體種類，壓強(qiáng)，溫度f(wàn)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(duì)常見(jiàn)流體，如水、氣體等，影響不大，一般可忽略不計(jì)。溫度：溫度：主要影響因素。當(dāng)溫度升高時(shí)，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(yùn)動(dòng)引起的動(dòng)量交換是產(chǎn)生黏度的主要因素分子熱運(yùn)動(dòng)引起的動(dòng)量交換是產(chǎn)生黏度的主要因素. . 溫度溫度分子熱運(yùn)動(dòng)分子熱運(yùn)動(dòng)動(dòng)量交換動(dòng)量交換黏度黏度數(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。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(shí)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(rùn)滑油的斜面向下作等速運(yùn)動(dòng)，木塊運(yùn)動(dòng)速度u=1m/s，油層厚1cm，斜坡角22.620 （見(jiàn)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(shí)，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(shí)際流體都是可壓縮的。液體的壓縮性很小，如水的相對(duì)壓縮值約1/20000。故一般工程設(shè)計(jì)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(dòng)上升或下降一個(gè)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(zhǎng)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)