第01章 流體力學(xué)緒論

1、2022-4-221工程流體力學(xué)授課人：劉建英聯(lián)系電話：18980067199郵箱：2022-4-222 第一章第一章 緒緒 論論2022-4-2232022-4-2242022-4-225主主 要要 內(nèi)內(nèi) 容容11 11 概述概述12 12 流體的特征和連續(xù)介質(zhì)假設(shè)流體的特征和連續(xù)介質(zhì)假設(shè)14 14 作用在流體上的力作用在流體上的力13 13 流體的主要物理性質(zhì)流體的主要物理性質(zhì)2022-4-226教學(xué)要求教學(xué)要求v1、了解工程流體力學(xué)課程的性質(zhì)和任務(wù)；v2、熟悉工程流體力學(xué)在環(huán)境工程領(lǐng)域中的地位和作用；v3、了解流體的基本特征，理解連續(xù)介質(zhì)和理想流體的概念和在工程

2、流體力學(xué)研究中的作用；v4、理解流體5個(gè)主要物理性質(zhì)和度量方法，重點(diǎn)掌握流體慣性、粘滯性，包括牛頓內(nèi)摩擦定律及其適用條件；v5、了解質(zhì)量力、表面力的定義，理解單位面積表面力（壓強(qiáng)、切應(yīng)力）和單位質(zhì)量力的物理意義。2022-4-227v1、連續(xù)介質(zhì)和理想流體的概念；v2、流體的粘性和牛頓內(nèi)摩擦定律及其應(yīng)用條件；v3、作用在流體上的兩種力。學(xué)習(xí)重點(diǎn)學(xué)習(xí)重點(diǎn)2022-4-228 第一節(jié)第一節(jié) 概述概述 指具有流動(dòng)性且自身不能保持一指具有流動(dòng)性且自身不能保持一定形狀的物體，如氣體和液體定形狀的物體，如氣體和液體。一、流體一、流體流流 動(dòng)動(dòng)即流體受切應(yīng)即流體受切應(yīng)力時(shí)產(chǎn)生的變形力時(shí)產(chǎn)生的變形2022-4

3、-229 流體具有以下特征流體具有以下特征流體只能承受壓力，不能承受拉力，在即使是很小剪切力的流體只能承受壓力，不能承受拉力，在即使是很小剪切力的作用下也將流動(dòng)（變形）不止，直到剪切力消失為止。作用下也將流動(dòng)（變形）不止，直到剪切力消失為止。沒有固定的形狀，沒有固定的形狀，液體液體的形狀取決于盛裝它的容器；的形狀取決于盛裝它的容器；氣體氣體完完全充滿容器。全充滿容器。流體具有可壓縮性；液體可壓縮性小，水受壓從流體具有可壓縮性；液體可壓縮性小，水受壓從1 1個(gè)大氣壓增個(gè)大氣壓增加至加至100100個(gè)大氣壓時(shí)，體積僅減小個(gè)大氣壓時(shí)，體積僅減小0.5%0.5%；氣體可壓縮性大。；氣體可壓縮性大。流體

4、具有明顯的流動(dòng)性；氣體的流動(dòng)性大于液體。流體具有明顯的流動(dòng)性；氣體的流動(dòng)性大于液體。2022-4-2210有無固定的有無固定的體積？體積？能否形成能否形成自由表面？自由表面？是否容易是否容易被壓縮？被壓縮？流體流體氣體氣體無無否否易易液體液體有有能能不易不易呈現(xiàn)流動(dòng)性？呈現(xiàn)流動(dòng)性？ 流體流體固體固體 液體、氣體與固體的區(qū)別液體、氣體與固體的區(qū)別2022-4-2211 固體表面之間的摩擦是滑動(dòng)摩擦，摩擦力與固體表面狀固體表面之間的摩擦是滑動(dòng)摩擦，摩擦力與固體表面狀況有關(guān)；流體與固體表面可實(shí)現(xiàn)分子量級的接觸，達(dá)到表況有關(guān)；流體與固體表面可實(shí)現(xiàn)分子量級的接觸，達(dá)到表面不滑移。面不滑移。2022-4-

5、2212 流體力學(xué)是力學(xué)的一個(gè)獨(dú)立分支，流體力學(xué)是力學(xué)的一個(gè)獨(dú)立分支，是一門研究流體的平衡和流體機(jī)械運(yùn)動(dòng)是一門研究流體的平衡和流體機(jī)械運(yùn)動(dòng)規(guī)律及其實(shí)際應(yīng)用的技術(shù)科學(xué)。規(guī)律及其實(shí)際應(yīng)用的技術(shù)科學(xué)。 二、流體力學(xué)二、流體力學(xué)流體力流體力學(xué)分類學(xué)分類 理論流體力學(xué)（流體力學(xué)）理論流體力學(xué)（流體力學(xué)） 應(yīng)用流體力學(xué)應(yīng)用流體力學(xué)（工程流體力學(xué)）（工程流體力學(xué)）工程流體力學(xué)工程流體力學(xué)研究流體靜止和運(yùn)動(dòng)的力學(xué)規(guī)律及研究流體靜止和運(yùn)動(dòng)的力學(xué)規(guī)律及其在其在工程技術(shù)工程技術(shù)上的應(yīng)用的一門學(xué)科上的應(yīng)用的一門學(xué)科。2022-4-2213力學(xué)力學(xué) 流體力學(xué)（水力學(xué)）的學(xué)科性質(zhì)流體力學(xué)（水力學(xué)）的學(xué)科性質(zhì)研究對象研究對

6、象力學(xué)問題載體力學(xué)問題載體 宏觀力學(xué)分支宏觀力學(xué)分支遵循三大守恒原遵循三大守恒原理理 流體力學(xué)流體力學(xué)水力學(xué)水力學(xué)流體流體水水力學(xué)力學(xué)強(qiáng)調(diào)水是主要研究對象強(qiáng)調(diào)水是主要研究對象比較偏重于工程應(yīng)用比較偏重于工程應(yīng)用土建類專業(yè)常用土建類專業(yè)常用 2022-4-2214 流體力學(xué)（水力學(xué)）的主要研究內(nèi)容流體力學(xué)（水力學(xué)）的主要研究內(nèi)容固定邊界：水工固定邊界：水工建筑物、河床、建筑物、河床、海洋平臺等海洋平臺等運(yùn)動(dòng)邊界：飛運(yùn)動(dòng)邊界：飛機(jī)、船只等機(jī)、船只等研究內(nèi)容研究內(nèi)容流體在外力作用下，靜止與運(yùn)動(dòng)的規(guī)律；流體在外力作用下，靜止與運(yùn)動(dòng)的規(guī)律；流體與流體與 邊界邊界 的相互作用。的相互作用。2022-4-2

7、215三、流體力學(xué)的發(fā)展簡史 流體力學(xué)在中國u 大禹治水 4000多年前的大禹治水，說明我國古代已有大規(guī)模的治河工程。 u (公元前256210年) 秦代，在公元前256-前210年間便修建了都江堰都江堰、鄭國渠鄭國渠、靈渠靈渠三大水利工程，說明當(dāng)時(shí)對明槽水流和堰流流動(dòng)規(guī)律的認(rèn)識已經(jīng)達(dá)到相當(dāng)水平。u 龍首渠（公元前156-前87） 西漢武帝時(shí)期，為引洛水灌溉農(nóng)田，在黃土高原上修建了龍首渠，創(chuàng)造性地采用了井渠法，即用豎井溝通長十余里的穿山隧洞，有效地防止了黃土的塌方。2022-4-2216u水利風(fēng)力機(jī)械 在古代，以水為動(dòng)力的簡單機(jī)械也有了長足的發(fā)展，例如用水輪提水，或通過簡單的機(jī)械傳動(dòng)去碾米、磨

8、面等。東漢杜詩任南陽太守時(shí)（公元37年）曾創(chuàng)造水排水排（水力鼓風(fēng)機(jī)），利用水力，通過傳動(dòng)傳動(dòng)機(jī)械，使皮制鼓風(fēng)囊連續(xù)開合，將空氣送入冶金爐，較西歐約早了一千一百年。流體力學(xué)在中國2022-4-2217流體力學(xué)在中國u 真州船閘 北宋（960-1126）時(shí)期，在運(yùn)河上修建的真州船閘與十四世紀(jì)末荷蘭的同類船閘相比，約早三百多年。u 潘季順明朝的水利家潘季順（1521-1595）提出了“筑堤防溢，建壩減水，以堤束水，以水攻沙”和“借清刷黃”的治黃治黃原則原則，并著有兩河管見、兩河經(jīng)略和河防一攬。u 流 量清朝雍正年間，何夢瑤在算迪一書中提出流量流量等于過水?dāng)嗝婷娣e乘以斷面平均流速的計(jì)算方法。 2022

9、-4-2218流體力學(xué)在中國u 錢學(xué)森 錢學(xué)森（1911）浙江省杭州市人， 他在火箭、導(dǎo)彈、航天器的總體、動(dòng)力、制導(dǎo)、氣動(dòng)力、結(jié)構(gòu)、材料、計(jì)算機(jī)、質(zhì)量控制和科技管理等領(lǐng)域的豐富知識，為中國火箭導(dǎo)彈和航天事業(yè)的創(chuàng)建與發(fā)展作出了杰出的貢獻(xiàn)。1957年獲中國科學(xué)院自然科學(xué)一等獎(jiǎng)，1979年獲美國加州理工學(xué)院杰出校友獎(jiǎng)，1985年獲國家科技進(jìn)步獎(jiǎng)特等獎(jiǎng)。1989年獲小羅克維爾獎(jiǎng)?wù)潞褪澜缂壙茖W(xué)與工程名人稱號，1991年被國務(wù)院、中央軍委授予“國家杰出貢獻(xiàn)科學(xué)家”榮譽(yù)稱號和一級英模獎(jiǎng)?wù)隆?022-4-2219流體力學(xué)在中國u 周培源（ 19021993) 1902年8月28日出生，江蘇宜興人。理論學(xué)家、流

10、體力學(xué)家主要從事物理學(xué)的基礎(chǔ)理論中難度最大的兩個(gè)方面即愛因斯坦廣義相對論引力論和流體力學(xué)中的湍流理論的研究與教學(xué)并取得出色成果。u吳仲華（Wu Zhonghua） 在1952年發(fā)表的在軸流式、徑流式和混流式亞聲速和超聲速葉輪機(jī)械中的三元流普遍理論和在1975年發(fā)表的使用非正交曲線坐標(biāo)的葉輪機(jī)械三元流動(dòng)的基本方程及其解法兩篇論文中所建立的葉輪機(jī)械三元流理論，至今仍是國內(nèi)外許多優(yōu)良葉輪機(jī)械設(shè)計(jì)計(jì)算的主要依據(jù)。2022-4-2220流體力學(xué)的西方史u 阿基米德（Archimedes，公元前287212） 歐美諸國歷史上有記載的最早從事流體力學(xué)現(xiàn)象研究的是古希臘學(xué)者阿基米德在公元前250年發(fā)表學(xué)術(shù)論文

11、論浮體，第一個(gè)闡明了相對密度的概念，發(fā)現(xiàn)了物體在流體中所受浮力的基本原理阿基米德原理。 2022-4-2221流體力學(xué)的西方史u 列奧納德.達(dá).芬奇（Leonardo.da.Vinci,14521519） 著名物理學(xué)家和藝術(shù)家 設(shè)計(jì)建造了一小型水渠，系統(tǒng)地研究了物體的沉浮、孔口出流、物體的運(yùn)動(dòng)阻力以及管道、明渠中水流等問題。 u斯蒂文（S.Stevin,1548-1620）將用于研究固體平衡的凝結(jié)原理轉(zhuǎn)用到流體上。u 伽利略（Galileo,1564-1642） 在流體靜力學(xué)中應(yīng)用了虛位移原理，并首先提出，運(yùn)動(dòng)物體的阻力隨著流體介質(zhì)密度的增大和速度的提高而增大。u托里析利（E.Torricel

12、li,1608-1647）論證了孔口出流的基本規(guī)律。2022-4-2222流體力學(xué)的西方史u 帕斯卡（B.Pascal,1623-1662） 提出了密閉流體能傳遞壓強(qiáng)的原理-帕斯卡原理。u 牛 頓 英國偉大的數(shù)學(xué)家、物理學(xué)家、天文學(xué)家和自然哲學(xué)家。1642年12月25日生于英格蘭林肯郡格蘭瑟姆附近的沃爾索普村，1727年3月20日在倫敦病逝。牛頓在科學(xué)上最卓越的貢獻(xiàn)是微積分和經(jīng)典力學(xué)的創(chuàng)建。牛頓的成就，恩格斯在英國狀況十八世紀(jì)中概括得最為完整：牛頓由于發(fā)明了萬有引力定律而創(chuàng)立了科學(xué)的天文學(xué)，由于進(jìn)行了光的分解而創(chuàng)立了科學(xué)的光學(xué)，由于創(chuàng)立了二項(xiàng)式定理和無限理論而創(chuàng)立了科學(xué)的數(shù)學(xué)，由于認(rèn)識了力的本

13、性而創(chuàng)立了科學(xué)的力學(xué)。2022-4-2223u 伯努利（D.Bernoulli，17001782）瑞士科學(xué)家 在1738年出版的名著流體動(dòng)力學(xué)中，建立了流體位勢能、壓強(qiáng)勢能和動(dòng)能之間的能量轉(zhuǎn)換關(guān)系伯努利方程。在此歷史階段，諸學(xué)者的工作奠定了流體靜力學(xué)的基礎(chǔ)，促進(jìn)了流體動(dòng)力學(xué)的發(fā)展。流體力學(xué)的西方史2022-4-2224流體力學(xué)的西方史u 歐 拉（L.Euler，17071783） 經(jīng)典流體力學(xué)的奠基人，1755年發(fā)表流體運(yùn)動(dòng)的一般原理，提出了流體的連續(xù)介質(zhì)模型，建立了連續(xù)性微分方程和理想流體的運(yùn)動(dòng)微分方程，給出了不可壓縮理想流體運(yùn)動(dòng)的一般解析方法。他提出了研究流體運(yùn)動(dòng)的兩種不同方法及速度勢的概

14、念，并論證了速度勢應(yīng)當(dāng)滿足的運(yùn)動(dòng)條件和方程。2022-4-2225流體力學(xué)的西方史u 達(dá)朗伯（J.le R.dAlembert,17171783） 1744年提出了達(dá)朗伯疑題（又稱達(dá)朗伯佯謬），即在理想流體中運(yùn)動(dòng)的物體既沒有升力也沒有阻力。從反面說明了理想流體假定的局限性。u 拉格朗日（J.-L.Lagrange,17361813） 提出了新的流體動(dòng)力學(xué)微分方程，使流體動(dòng)力學(xué)的解析方法有了進(jìn)一步發(fā)展。嚴(yán)格地論證了速度勢的存在，并提出了流函數(shù)的概念，為應(yīng)用復(fù)變函數(shù)去解析流體定常的和非定常的平面無旋運(yùn)動(dòng)開辟了道路。2022-4-2226流體力學(xué)的西方史u弗勞德（W.Froude，1810-1879

15、）對船舶阻力和搖擺的研究頗有貢獻(xiàn)，他提出了船模試驗(yàn)的相似準(zhǔn)則數(shù)-弗勞德數(shù)，建立了現(xiàn)代船模試驗(yàn)技術(shù)的基礎(chǔ)。u亥姆霍茲（H.von Helmholtz,1821-1894）和基爾霍夫（G.R.Kirchhoff,1824-1887）對旋渦運(yùn)動(dòng)和分離流動(dòng)進(jìn)行了大量的理論分析和實(shí)驗(yàn)研究，提出了表征旋渦基本性質(zhì)的旋渦定理、帶射流的物體繞流阻力等學(xué)術(shù)成就。2022-4-2227流體力學(xué)的西方史u 納維（C.-L.-M.-H.Navier）首先提出了不可壓縮粘性流體的運(yùn)動(dòng)微分方程組。斯托克斯（G.G.Stokes）嚴(yán)格地導(dǎo)出了這些方程，并把流體質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)分解為平動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)、均勻膨脹或壓縮及由剪切所引起的變形運(yùn)

16、動(dòng)。后來引用時(shí)，便統(tǒng)稱該方程為納維-斯托克斯方程。納維（L.Navier，17851836，法國）斯托克斯（G.Stokes，18191903，英國）2022-4-2228流體力學(xué)的西方史u 謝 才（A.de Chzy法國 ） 在1755年便總結(jié)出明渠均勻流公式-謝才公式，一直沿用至今。u 雷 諾（O.Reynolds，1842-1912）1883年用實(shí)驗(yàn)證實(shí)了粘性流體的兩種流動(dòng)狀態(tài)層流和紊流的客觀存在，找到了實(shí)驗(yàn)研究粘性流體流動(dòng)規(guī)律的相似準(zhǔn)則數(shù)雷諾數(shù)，以及判別層流和紊流的臨界雷諾數(shù)，為流動(dòng)阻力的研究奠定了基礎(chǔ)。2022-4-2229流體力學(xué)的西方史u 瑞 利（L.J.W.Reyleigh，1

17、842-1919英國）在相似原理的基礎(chǔ)上，提出了實(shí)驗(yàn)研究的量綱分析法中的一種方法-瑞利法。u 庫 塔（M.W.Kutta，18671944）1902年就曾提出過繞流物體上的升力理論，但沒有在通行的刊物上發(fā)表。u 儒科夫斯基（.,18471921）從1906年起，發(fā)表了論依附渦流等論文，找到了翼型升力和繞翼型的環(huán)流之間的關(guān)系，建立了二維升力理論的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。他還研究過螺旋槳的渦流理論以及低速翼型和螺旋槳槳葉剖面等。他的研究成果，對空氣動(dòng)力學(xué)的理論和實(shí)驗(yàn)研究都有重要貢獻(xiàn)，為近代高效能飛機(jī)設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。2022-4-2230流體力學(xué)的西方史u 普朗特（L.Prandtl，18751953）建立了邊界

18、層理論，解釋了阻力產(chǎn)生的機(jī)制。以后又針對航空技術(shù)和其他工程技術(shù)中出現(xiàn)的紊流邊界層，提出混合長度理論。1918-1919年間，論述了大展弦比的有限翼展機(jī)翼理論，對現(xiàn)代航空工業(yè)的發(fā)展作出了重要的貢獻(xiàn)。u 卡 門（T.von Krmn，1881-1963）在1911-1912年連續(xù)發(fā)表的論文中，提出了分析帶旋渦尾流及其所產(chǎn)生的阻力的理論，人們稱這種尾渦的排列為卡門渦街卡門渦街。在1930年的論文中，提出了計(jì)算紊流粗糙管阻力系數(shù)的理論公式。嗣后，在紊流邊界層理論、超聲速空氣動(dòng)力學(xué)、火箭及噴氣技術(shù)等方面都有不少貢獻(xiàn)。2022-4-2231流體力學(xué)的西方史u布拉休斯（H.Blasius）在1913年發(fā)表的

19、論文中，提出了計(jì)算紊流光滑管阻力系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式。u伯金漢（E.Buckingham）在1914年發(fā)表的在物理的相似系統(tǒng)中量綱方程應(yīng)用的說明論文中，提出了著名的定理，進(jìn)一步完善了量綱分析法。u尼古拉茲（J.Nikuradze）在1933年發(fā)表的論文中，公布了他對砂粒粗糙管內(nèi)水流阻力系數(shù)的實(shí)測結(jié)果-尼古拉茲曲線，據(jù)此他還給紊流光滑管和紊流粗糙管的理論公式選定了應(yīng)有的系數(shù)。2022-4-2232流體力學(xué)的西方史u 科勒布茹克（C.F.Colebrook）在1939年發(fā)表的論文中，提出了把紊流光滑管區(qū)和紊流粗糙管區(qū)聯(lián)系在一起的過渡區(qū)阻力系數(shù)計(jì)算公式。u 莫迪（L.F.Moody）在1944年發(fā)表的論文

20、中，給出了他繪制的實(shí)用管道的當(dāng)量糙粒阻力系數(shù)圖-莫迪圖。至此，有壓管流的水力計(jì)算已漸趨成熟。2022-4-2233理論分析、實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值計(jì)算相結(jié)合。三個(gè)方面是互理論分析、實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值計(jì)算相結(jié)合。三個(gè)方面是互相補(bǔ)充和驗(yàn)證，但又不能互相取代的關(guān)系。相補(bǔ)充和驗(yàn)證，但又不能互相取代的關(guān)系。基本假設(shè)基本假設(shè) 數(shù)學(xué)模型數(shù)學(xué)模型 解析表達(dá)解析表達(dá) 理論分理論分析析數(shù)值計(jì)算數(shù)值計(jì)算 實(shí)驗(yàn)研究實(shí)驗(yàn)研究 數(shù)學(xué)模型數(shù)學(xué)模型 數(shù)值模型數(shù)值模型 數(shù)值解數(shù)值解 模型試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮囼?yàn) 量測數(shù)據(jù)量測數(shù)據(jù) 換算到原型換算到原型 2022-4-2234優(yōu)優(yōu) 勢勢局局 限限理論分析對 流 動(dòng) 機(jī) 理 解 析 表對 流 動(dòng) 機(jī) 理

21、解 析 表達(dá)，因果關(guān)系清晰。達(dá)，因果關(guān)系清晰。 受基本假設(shè)局限，少數(shù)受基本假設(shè)局限，少數(shù)情況下才有解析結(jié)果。情況下才有解析結(jié)果。 實(shí)驗(yàn)研究（模型試驗(yàn)） 直接測量流動(dòng)參數(shù)，直接測量流動(dòng)參數(shù)，找到經(jīng)驗(yàn)性規(guī)律。找到經(jīng)驗(yàn)性規(guī)律。 成本高，對量測技術(shù)要成本高，對量測技術(shù)要求高，不易改變工況，求高，不易改變工況，存在比尺效應(yīng)。存在比尺效應(yīng)。 數(shù)值計(jì)算擴(kuò)大理論求解范圍，擴(kuò)大理論求解范圍，成本低，易于改變工成本低，易于改變工況，不受比尺限制。況，不受比尺限制。 受理論模型和數(shù)值模型受理論模型和數(shù)值模型局限，存在計(jì)算誤差。局限，存在計(jì)算誤差。 2022-4-2235流體力學(xué)流體力學(xué)采礦采礦 水利水利航空航空航天

22、航天交通土建交通土建 環(huán)境環(huán)境 氣象氣象 石油化工石油化工 機(jī)械冶金機(jī)械冶金 生物生物 空氣和水是地球上廣泛存在的物質(zhì)，所以與流體運(yùn)動(dòng)關(guān)聯(lián)的力空氣和水是地球上廣泛存在的物質(zhì)，所以與流體運(yùn)動(dòng)關(guān)聯(lián)的力學(xué)問題是很普遍的。流體力學(xué)在許多學(xué)科和工程領(lǐng)域有著廣泛的學(xué)問題是很普遍的。流體力學(xué)在許多學(xué)科和工程領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，對工科專業(yè)來講，其重要性不言而喻。應(yīng)用，對工科專業(yè)來講，其重要性不言而喻。 與流體力學(xué)相關(guān)的工程領(lǐng)域和學(xué)科與流體力學(xué)相關(guān)的工程領(lǐng)域和學(xué)科2022-4-2236五、流體力學(xué)在環(huán)境工程中的應(yīng)用流體力學(xué)水污染控制工程廢水大氣污染控制工程廢氣固體廢棄物處理廢渣2022-4-22372022-4

23、-22382022-4-22392022-4-2240。垃圾滲濾液從黑色的防滲膜邊緣流出，隨雨水一起流到垃圾場外2022-4-2241 課程地位課程地位工程流體力學(xué)是一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程，它是連接前工程流體力學(xué)是一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程，它是連接前期基礎(chǔ)課程和后續(xù)專業(yè)課程的橋梁。課程的學(xué)習(xí)將有利期基礎(chǔ)課程和后續(xù)專業(yè)課程的橋梁。課程的學(xué)習(xí)將有利于數(shù)理、力學(xué)基礎(chǔ)知識的鞏固與提高，培養(yǎng)分析、解決于數(shù)理、力學(xué)基礎(chǔ)知識的鞏固與提高，培養(yǎng)分析、解決實(shí)際問題的能力，為專業(yè)課程的學(xué)習(xí)打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。實(shí)際問題的能力，為專業(yè)課程的學(xué)習(xí)打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。數(shù)理、力學(xué)數(shù)理、力學(xué) 基礎(chǔ)課程基礎(chǔ)課程流體力學(xué)流體力學(xué)專業(yè)基礎(chǔ)課程專

24、業(yè)基礎(chǔ)課程 學(xué)科有關(guān)學(xué)科有關(guān) 專業(yè)課程專業(yè)課程2022-4-2242 水、氣流動(dòng)的基本規(guī)律水、氣流動(dòng)的基本規(guī)律 環(huán)境工程中的通風(fēng)、通水環(huán)境工程中的通風(fēng)、通水 燃燒中的空氣動(dòng)力學(xué)燃燒中的空氣動(dòng)力學(xué) 污染物在大氣中的擴(kuò)散污染物在大氣中的擴(kuò)散環(huán)境工程專業(yè)中的流體力學(xué)問題：環(huán)境工程專業(yè)中的流體力學(xué)問題：2022-4-2243 微觀上：流體分子距離的存在以及分子運(yùn)動(dòng)的微觀上：流體分子距離的存在以及分子運(yùn)動(dòng)的 隨機(jī)性使得流體的各物理量在時(shí)間和空隨機(jī)性使得流體的各物理量在時(shí)間和空 間上的分布都是不連續(xù)的。間上的分布都是不連續(xù)的。 宏觀上：當(dāng)所討論問題的特征尺寸遠(yuǎn)大于流體宏觀上：當(dāng)所討論問題的特征尺寸遠(yuǎn)大于流

25、體 的分子平均自由程時(shí)，可將流體視為在的分子平均自由程時(shí)，可將流體視為在 時(shí)間和空間連續(xù)分布的函數(shù)。時(shí)間和空間連續(xù)分布的函數(shù)。 問題的提出問題的提出2022-4-2244個(gè)分子個(gè)分子16107.2 1mm3空氣空氣( 1個(gè)大氣壓，個(gè)大氣壓，00C)宏觀（流體力學(xué)處理問題的尺度）上看，流體質(zhì)點(diǎn)足夠小，宏觀（流體力學(xué)處理問題的尺度）上看，流體質(zhì)點(diǎn)足夠小，只占據(jù)一個(gè)空間幾何點(diǎn)，體積趨于零。只占據(jù)一個(gè)空間幾何點(diǎn)，體積趨于零。微觀（分子自由程的尺度）上看，流體質(zhì)點(diǎn)是一個(gè)足夠大的微觀（分子自由程的尺度）上看，流體質(zhì)點(diǎn)是一個(gè)足夠大的分子團(tuán)，包含了足夠多的流體分子，以致于對這些分子行為分子團(tuán)，包含了足夠多的流

26、體分子，以致于對這些分子行為的統(tǒng)計(jì)平均值將是穩(wěn)定的，作為表征流體物理特性和運(yùn)動(dòng)要的統(tǒng)計(jì)平均值將是穩(wěn)定的，作為表征流體物理特性和運(yùn)動(dòng)要素的物理量定義在流體質(zhì)點(diǎn)上。素的物理量定義在流體質(zhì)點(diǎn)上。 流體質(zhì)點(diǎn)概念流體質(zhì)點(diǎn)概念2022-4-2245可利用連續(xù)函數(shù)的分析方法來研究液體運(yùn)動(dòng)。 問題的提出問題的提出流體質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)過程是連續(xù)的；表征流體的一切特性可看成流體質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)過程是連續(xù)的；表征流體的一切特性可看成 是時(shí)間和空間連續(xù)分布的函數(shù)是時(shí)間和空間連續(xù)分布的函數(shù)流 體 介 質(zhì) 是 由 連 續(xù) 的 流 體 質(zhì) 點(diǎn) 所 組 成 ，流 體 介 質(zhì) 是 由 連 續(xù) 的 流 體 質(zhì) 點(diǎn) 所 組 成 ， 流 體 質(zhì)

27、 點(diǎn) 占流 體 質(zhì) 點(diǎn) 占 滿空間而沒有間隙。滿空間而沒有間隙。 連續(xù)介質(zhì)假設(shè)連續(xù)介質(zhì)假設(shè)連續(xù)介質(zhì)假設(shè)是近似的、宏觀的假設(shè)，它為數(shù)學(xué)工具的連續(xù)介質(zhì)假設(shè)是近似的、宏觀的假設(shè)，它為數(shù)學(xué)工具的 應(yīng)用提供了依據(jù)，在其它力學(xué)學(xué)科也有廣泛應(yīng)用，使用應(yīng)用提供了依據(jù)，在其它力學(xué)學(xué)科也有廣泛應(yīng)用，使用 該假設(shè)的力學(xué)統(tǒng)稱為該假設(shè)的力學(xué)統(tǒng)稱為“連續(xù)介質(zhì)力學(xué)連續(xù)介質(zhì)力學(xué)”。意義2022-4-2246v 慣性及重力特性慣性及重力特性v 壓縮性和膨脹性壓縮性和膨脹性v 粘性特性粘性特性v 表面張力特性表面張力特性2022-4-2247VmVmLimV0 V0V0的理解，流體微團(tuán)的理解，流體微團(tuán)/ /流體質(zhì)點(diǎn)的概念流體質(zhì)點(diǎn)

28、的概念一一. .慣性及重力特性慣性及重力特性 慣性是指物體具有反抗改變其原有運(yùn)慣性是指物體具有反抗改變其原有運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的一種性質(zhì)。動(dòng)狀態(tài)的一種性質(zhì)。 慣性慣性表征量：密度表征量：密度單位體積流體的質(zhì)量。單位體積流體的質(zhì)量。MLML-3-3 ; kg/m ; kg/m3 3對于均質(zhì)流體對于均質(zhì)流體: :對于非均質(zhì)流體對于非均質(zhì)流體: :2022-4-2248= 常數(shù)),(PTf表征量：比容表征量：比容密度的倒數(shù)。密度的倒數(shù)。 m m3 3/kg/kg對氣體對氣體: :對液體對液體: : 4 4 水的密度水的密度 = 1000kg/m= 1000kg/m3 3 水銀的密度水銀的密度 p p= 136

29、00kg/m= 13600kg/m3 3 0 0空氣的密度空氣的密度 = 1.29 kg/m= 1.29 kg/m3 32022-4-2249對于均質(zhì)流體: 對于非均質(zhì)流體，各點(diǎn)的重度不同：VGVGLimV0 =g=g 地球?qū)ξ矬w的吸引力地球?qū)ξ矬w的吸引力 重力特性重力特性表征量：容重表征量：容重單位體積流體的重量單位體積流體的重量 4 4 水的容重水的容重 = 9807 N/m = 9807 N/m3 3。 水銀的容重水銀的容重 = 133326 N/m = 133326 N/m3 3。2022-4-2250二二. . 流體的壓縮性及膨脹性流體的壓縮性及膨脹性 流體能承受壓力，在受外力壓縮變

30、形時(shí)，產(chǎn)生流體能承受壓力，在受外力壓縮變形時(shí)，產(chǎn)生內(nèi)力（彈性力）予以抵抗，并在撤除外力后恢復(fù)內(nèi)力（彈性力）予以抵抗，并在撤除外力后恢復(fù)原形，流體的這種性質(zhì)稱為壓縮性。原形，流體的這種性質(zhì)稱為壓縮性。VV-Vpp+p2022-4-2251PakK1dpddpVdVk),(pTfkK、壓縮性表征量壓縮性表征量K越大，流體越不易壓縮 體積壓縮系數(shù)體積壓縮系數(shù) : : 體積彈性模量體積彈性模量 : :Pa-12022-4-2252通常將氣體時(shí)為可壓縮流體，液體視為不可壓縮流體，通常將氣體時(shí)為可壓縮流體，液體視為不可壓縮流體，即即=常數(shù)常數(shù) 特例：特例：水擊、水下爆炸熱水采暖需考慮水的壓縮性水擊、水下爆

31、炸熱水采暖需考慮水的壓縮性和膨脹性；鍋爐尾部煙道和通風(fēng)管道中，壓強(qiáng)和溫度和膨脹性；鍋爐尾部煙道和通風(fēng)管道中，壓強(qiáng)和溫度的變化都很小，視為不可壓縮流體的變化都很小，視為不可壓縮流體-1dTddTVdVv膨脹性表征量膨脹性表征量 體積膨脹系數(shù)體積膨脹系數(shù) : :流體的壓縮性及膨脹流體的壓縮性及膨脹性性2022-4-2253 粘性是流體抵抗變形的能力，是流體的固有屬性，粘性是流體抵抗變形的能力，是流體的固有屬性， 是運(yùn)動(dòng)流體產(chǎn)生機(jī)械能損失的根源是運(yùn)動(dòng)流體產(chǎn)生機(jī)械能損失的根源三三. .流體的粘滯性流體的粘滯性流體內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)間或流層間因相對運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生內(nèi)摩流體內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)間或流層間因相對運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生內(nèi)摩擦力擦力

32、（內(nèi)力（內(nèi)力/ /粘性力）粘性力）以反抗相對運(yùn)動(dòng)的性質(zhì)以反抗相對運(yùn)動(dòng)的性質(zhì) 牛頓內(nèi)摩擦定律牛頓內(nèi)摩擦定律2022-4-2254ATdyTduT1hUhUATT與流體種類有關(guān)dydudyduAT當(dāng)流體作層狀流動(dòng)時(shí)當(dāng)流體作層狀流動(dòng)時(shí)牛頓發(fā)現(xiàn)牛頓發(fā)現(xiàn) : :2022-4-2255 動(dòng)力粘滯系數(shù)。動(dòng)力粘滯系數(shù)。 N.s/mN.s/m2 2 ；Pa.SPa.S 運(yùn)動(dòng)粘滯系數(shù)。運(yùn)動(dòng)粘滯系數(shù)。 m m2 2/S/S 表征量粘度表征量粘度反應(yīng)粘性大小的一個(gè)物理量，與流體種類有關(guān)反應(yīng)粘性大小的一個(gè)物理量，與流體種類有關(guān)31 10 Pa s0.01P 51.8 10 Pa s0.00018P 水水空氣空氣6221

33、 10 m /s0.01cm /s 52215 10 m /s0.15cm /s水水空氣空氣2022-4-2256影響粘性的因素壓強(qiáng)：通?？珊雎?；高壓下，流體的粘性隨壓強(qiáng)的升高而增大。溫度：溫度對流體粘度的影響很大。),(PTf、氣體液體氣體粘度o 溫度內(nèi)聚力是產(chǎn)生粘度的主要因素。內(nèi)聚力是產(chǎn)生粘度的主要因素。溫度溫度分子間距分子間距分子吸引力分子吸引力內(nèi)摩擦力內(nèi)摩擦力粘度粘度分子熱運(yùn)動(dòng)引起的動(dòng)量交換是產(chǎn)生粘度的主要因素。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)量交換內(nèi)摩擦力內(nèi)摩擦力粘度粘度 應(yīng)用：鍋爐燃油、潤滑油。2022-4-2257 容易解釋為什

34、么容易解釋為什么 是剪切是剪切（角）變形速率，它表示流體（角）變形速率，它表示流體 直角減小的速度。直角減小的速度。yudd角變形速率角變形速率yudd2022-4-2258水空氣 分子間的吸引力分子間的吸引力 分子運(yùn)動(dòng)引起流分子運(yùn)動(dòng)引起流體層間的動(dòng)量交換體層間的動(dòng)量交換液體液體以此以此為主為主氣體氣體以此以此為主為主 隨著溫度升高，液體的粘隨著溫度升高，液體的粘性系數(shù)下降；氣體的粘性系性系數(shù)下降；氣體的粘性系數(shù)上升。數(shù)上升。 今后在談及粘性系數(shù)時(shí)今后在談及粘性系數(shù)時(shí)一定指明當(dāng)時(shí)的溫度。一定指明當(dāng)時(shí)的溫度。 運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù)運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù)具有運(yùn)動(dòng)學(xué)量綱。具有運(yùn)動(dòng)學(xué)量綱。注意注意形成牛形成牛頓頓內(nèi)摩擦

35、力內(nèi)摩擦力物理機(jī)理物理機(jī)理2022-4-2259 理想流體假設(shè)是忽略粘性影響的假設(shè)，可近似反映粘性作用不理想流體假設(shè)是忽略粘性影響的假設(shè)，可近似反映粘性作用不大的實(shí)際流動(dòng)，粘性作用不大是相對于其它因素的作用而言的。大的實(shí)際流動(dòng)，粘性作用不大是相對于其它因素的作用而言的。而而 是流體的客觀屬性，所以往往是在變形速率不大的區(qū)域是流體的客觀屬性，所以往往是在變形速率不大的區(qū)域?qū)?shí)際流體簡化為理想流體。將實(shí)際流體簡化為理想流體。 yuddyudd 我們將會(huì)看到，是否忽略粘性影響將對流動(dòng)問題的處理帶來我們將會(huì)看到，是否忽略粘性影響將對流動(dòng)問題的處理帶來很大的區(qū)別，理想流體假設(shè)可以大大簡化理論分析過程。很

36、大的區(qū)別，理想流體假設(shè)可以大大簡化理論分析過程。 忽略粘性影響實(shí)際上就是忽略切應(yīng)力，切應(yīng)力忽略粘性影響實(shí)際上就是忽略切應(yīng)力，切應(yīng)力，理想流體假設(shè)理想流體假設(shè)2022-4-2260 【例例1-1】 一平板距另一固定平板=0.5mm，二板水平放置，其間充滿流體，上板在單位面積上為=2N/m2的力作用下，以=0.25m/s的速度移動(dòng)，求該流體的動(dòng)力黏度。 【解解】由牛頓內(nèi)摩擦定律 由于兩平板間隙很小，速度分布可認(rèn)為是線性分布，可用增量來表示微分 (pa.s)yudd3d0.5 1020.004d0.25yuu2022-4-2261【例例1-2】 長度L=1m，直徑D=200mm水平放置的圓柱體，置于內(nèi)徑D1=206mm的圓管中以u=1m/s的速度移動(dòng)，已知間隙中油液的相對密度為d=0.92，運(yùn)動(dòng)黏度 =5.610-4m2/s，求所需拉力F為多少？ 解解】 間隙中油的密度為 （kg/m3） 動(dòng)力黏度為 （Pas） 由牛頓內(nèi)摩擦定律 由于間隙很小，速度可認(rèn)為是線性分布 92092.01000OH2d5152.0106 .59204yu