什么是流體力學

1、2022-6-9武漢理工大學機電學院1流體力學流體力學流體力學流體力學研究流體在靜止與運動狀態(tài)下的力學規(guī)律及其工程應(yīng)用的研究流體在靜止與運動狀態(tài)下的力學規(guī)律及其工程應(yīng)用的學科（研究對象、內(nèi)容及目的）學科（研究對象、內(nèi)容及目的） 固態(tài)固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)流體與固體的區(qū)別流體與固體的區(qū)別液體和氣體是液體和氣體是流體流體具有具有流動性流動性的物體是流體（即能夠流動的物體）的物體是流體（即能夠流動的物體）固體靜止時既能承受壓力，也能承受拉力與剪切力固體靜止時既能承受壓力，也能承受拉力與剪切力流體只能承受壓力，一般不能承受拉力，任何一個微小的剪切流體只能承受壓力，一般不能承受拉力，任何一個微小的

2、剪切力都能使流體發(fā)生連續(xù)的變形力都能使流體發(fā)生連續(xù)的變形2022-6-9武漢理工大學機電學院2流動性流動性-在任意微小剪切力作用下會發(fā)生連續(xù)變形的特性在任意微小剪切力作用下會發(fā)生連續(xù)變形的特性流體力學流體力學流動性是區(qū)別流體和固體的基本力學特征，是便于用管道、渠道流動性是區(qū)別流體和固體的基本力學特征，是便于用管道、渠道進行輸送，適宜作供熱、供冷等工作介質(zhì)的主要原因進行輸送，適宜作供熱、供冷等工作介質(zhì)的主要原因兩者均具有易流動性，即在任何微小切應(yīng)力作用下都會兩者均具有易流動性，即在任何微小切應(yīng)力作用下都會發(fā)生連續(xù)變形或流動，故二者統(tǒng)稱為流體發(fā)生連續(xù)變形或流動，故二者統(tǒng)稱為流體液體的流動性小于氣體

3、液體的流動性小于氣體氣體易于壓縮；而液體難于壓縮氣體易于壓縮；而液體難于壓縮液體具有一定的體積，并取容器的形狀，存液體具有一定的體積，并取容器的形狀，存在一個自由液面；氣體充滿任何容器，而無在一個自由液面；氣體充滿任何容器，而無一定體積，不存在自由液面一定體積，不存在自由液面2022-6-9武漢理工大學機電學院3 學以致用，善于利用，趨利避害。學以致用，善于利用，趨利避害。流體力學流體力學生生活活中中的的流流體體力力學學水往低處流水往低處流司馬光砸缸司馬光砸缸高爾夫球的表面為什么是粗糙的？高爾夫球的表面為什么是粗糙的？汽車的形狀為什么要做成流線型？汽車的形狀為什么要做成流線型？足球的弧圈球，乒

4、乓球的旋球技術(shù)足球的弧圈球，乒乓球的旋球技術(shù)飛機為什么能起飛？飛機為什么能起飛？風平浪靜，無風不起浪；微風吹拂，微波蕩漾；風平浪靜，無風不起浪；微風吹拂，微波蕩漾；大風大風 大浪；狂風大作，波浪滔天大浪；狂風大作，波浪滔天 ；2022-6-9武漢理工大學機電學院4高爾夫球為什么要做成粗糙的表面？高爾夫球為什么要做成粗糙的表面？流體力學流體力學 為什么表面有很多劃痕的舊為什么表面有很多劃痕的舊球反而飛得更遠？球反而飛得更遠？ 現(xiàn)在的高爾夫球表面有很多窩坑，現(xiàn)在的高爾夫球表面有很多窩坑，在同樣大小和重量下，飛行距離為光滑在同樣大小和重量下，飛行距離為光滑球的球的5倍。倍。2022-6-9武漢理工大

5、學機電學院5汽車的阻力汽車的阻力流體力學流體力學 阻力系數(shù)很大，約為阻力系數(shù)很大，約為0.82022-6-9武漢理工大學機電學院6汽車的阻力汽車的阻力流體力學流體力學 阻力系數(shù)約為阻力系數(shù)約為0.45阻力系數(shù)約為阻力系數(shù)約為0.62022-6-9武漢理工大學機電學院7汽車的阻力汽車的阻力流體力學流體力學阻力系數(shù)很大，約為阻力系數(shù)很大，約為0.3阻力系數(shù)約為阻力系數(shù)約為0.22022-6-9武漢理工大學機電學院8流體力學的研究方法流體力學的研究方法理論方法理論方法實驗方法實驗方法數(shù)值方法數(shù)值方法建立力學模型，用物理學基本定律推導流體力學數(shù)學方建立力學模型，用物理學基本定律推導流體力學數(shù)學方程，用

6、數(shù)學方法求解方程，檢驗和解釋求解結(jié)果。程，用數(shù)學方法求解方程，檢驗和解釋求解結(jié)果。理論方法理論方法理論基礎(chǔ)理論基礎(chǔ)質(zhì)量守恒原理質(zhì)量守恒原理能量守恒原理能量守恒原理動量定理動量定理理論分析結(jié)果能揭示流動的內(nèi)在規(guī)律，理論分析結(jié)果能揭示流動的內(nèi)在規(guī)律，具有普遍適用性，但分析范圍有限具有普遍適用性，但分析范圍有限2022-6-9武漢理工大學機電學院9流體力學的研究方法流體力學的研究方法理論方法理論方法實驗方法實驗方法數(shù)值方法數(shù)值方法在相似理論的指導下建立模擬實驗系統(tǒng)，用流體測量技在相似理論的指導下建立模擬實驗系統(tǒng)，用流體測量技術(shù)測量流動參數(shù)，處理和分析實驗數(shù)據(jù)。術(shù)測量流動參數(shù)，處理和分析實驗數(shù)據(jù)。實驗

7、方法實驗方法實驗方法實驗方法風洞實驗、水洞實驗、水池實驗風洞實驗、水洞實驗、水池實驗實驗結(jié)果能反映工程中的實際流動規(guī)律，發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象，檢驗理論結(jié)果等，實驗結(jié)果能反映工程中的實際流動規(guī)律，發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象，檢驗理論結(jié)果等，但結(jié)果的普適性較差但結(jié)果的普適性較差測量技術(shù)測量技術(shù)熱線、激光測速；粒子圖像、跡線測速；高速攝影；全息照相；熱線、激光測速；粒子圖像、跡線測速；高速攝影；全息照相；壓力、密度測量壓力、密度測量2022-6-9武漢理工大學機電學院10流體力學的研究方法流體力學的研究方法理論方法理論方法實驗方法實驗方法數(shù)值方法數(shù)值方法對流體力學數(shù)學方程作簡化和數(shù)值離散化，編制程序作對流體力學數(shù)學方程作簡化

8、和數(shù)值離散化，編制程序作數(shù)值計算，將計算結(jié)果與實驗結(jié)果比較。數(shù)值計算，將計算結(jié)果與實驗結(jié)果比較。數(shù)值方法數(shù)值方法計算方法計算方法有限差分法、有限元法、有限體積法、邊界元法、譜分析法等有限差分法、有限元法、有限體積法、邊界元法、譜分析法等能計算理論分析方法無法求解的數(shù)學方程，比實驗方法省時省錢，但畢竟是一種近似能計算理論分析方法無法求解的數(shù)學方程，比實驗方法省時省錢，但畢竟是一種近似解方法，適用范圍受數(shù)學模型的正確性和計算機的性能所限制解方法，適用范圍受數(shù)學模型的正確性和計算機的性能所限制計算內(nèi)容計算內(nèi)容飛機、汽車、河道、橋梁、渦輪機等流場計算飛機、汽車、河道、橋梁、渦輪機等流場計算紊流、流動穩(wěn)

9、定性、非線性流動等數(shù)值模擬紊流、流動穩(wěn)定性、非線性流動等數(shù)值模擬2022-6-9武漢理工大學機電學院11作用在流體上的力作用在流體上的力kZjYiXmFf質(zhì)量力質(zhì)量力表面力表面力質(zhì)量力是作用于流體的每一個質(zhì)點上且與質(zhì)量成正比的力質(zhì)量力是作用于流體的每一個質(zhì)點上且與質(zhì)量成正比的力對于均質(zhì)流體，質(zhì)量力與體積成正比，又稱體積力對于均質(zhì)流體，質(zhì)量力與體積成正比，又稱體積力 或超距力或超距力對于均質(zhì)流體對于均質(zhì)流體單位質(zhì)量重力單位質(zhì)量重力 （X X，Y Y，Z Z）= =（0 0，0 0，g g) )單位質(zhì)量慣性力單位質(zhì)量慣性力amamf質(zhì)量力質(zhì)量力質(zhì)量力包括重力和慣性力質(zhì)量力包括重力和慣性力單位質(zhì)量所

10、受到的質(zhì)量力稱為單位質(zhì)量力，用單位質(zhì)量所受到的質(zhì)量力稱為單位質(zhì)量力，用f f 表示表示2022-6-9武漢理工大學機電學院12作用在流體上的力作用在流體上的力質(zhì)量力質(zhì)量力表面力表面力表面力是作用在流體表面或截面上且與作用面的面積成正比表面力是作用在流體表面或截面上且與作用面的面積成正比的力，表面力又稱面積力或接觸力的力，表面力又稱面積力或接觸力表面力表面力表面力包括壓力和切力表面力包括壓力和切力作用于單位面積上的壓力稱為壓強，以作用于單位面積上的壓力稱為壓強，以p表示表示壓強和切應(yīng)力的單位：壓強和切應(yīng)力的單位：N/mN/m2 2（PaPa），），kN/mkN/m2 2（kPakPa）PpAA0

11、limAdAdA APAPpAddlim0作用于單位面積上的切力稱為切應(yīng)力，以作用于單位面積上的切力稱為切應(yīng)力，以表示表示2022-6-9武漢理工大學機電學院13流體的主要力學性質(zhì)流體的主要力學性質(zhì)慣性慣性粘滯性粘滯性物體保持其原有運動狀態(tài)的一種性質(zhì)物體保持其原有運動狀態(tài)的一種性質(zhì)壓縮性和熱膨脹性壓縮性和熱膨脹性慣性慣性表示慣性大小的物理量是質(zhì)量，質(zhì)量的單位為表示慣性大小的物理量是質(zhì)量，質(zhì)量的單位為g g或或kgkg單位體積的質(zhì)量是密度，密度的單位為單位體積的質(zhì)量是密度，密度的單位為g/cmg/cm3 3或或kg/mkg/m3 3水的密度水的密度 =1000/m3水銀的密度水銀的密度 =13.

12、61000/m3均質(zhì)流體的密度均質(zhì)流體的密度非均質(zhì)流體的密度非均質(zhì)流體的密度物體反抗改變原有運動狀態(tài)而作用于其他物體上的反作用力稱為慣性力物體反抗改變原有運動狀態(tài)而作用于其他物體上的反作用力稱為慣性力2022-6-9武漢理工大學機電學院14流體的主要力學性質(zhì)流體的主要力學性質(zhì)慣性慣性粘滯性粘滯性壓縮性和熱膨脹性壓縮性和熱膨脹性溫度T()水（/m3）空氣（/m3）0510152025303540999.91000.0999.7999.1998.2997.1995.7994.1992.21.2931.2701.2481.2261.2051.1851.1651.1461.12895096097098

13、0990100010100204060801001203 ( kg/m ) T ( C)水和空氣的密度水和空氣的密度2022-6-9武漢理工大學機電學院15流體的主要力學性質(zhì)流體的主要力學性質(zhì)慣性慣性粘滯性粘滯性壓縮性和熱膨脹性壓縮性和熱膨脹性地球?qū)Φ厍虮砻娓浇矬w的引力稱為重力。用地球?qū)Φ厍虮砻娓浇矬w的引力稱為重力。用G表示。重力的大小稱為重量表示。重力的大小稱為重量G=mg重量的單位為重量的單位為N N，kNkN1N=1m/s2單位體積的重量是容重單位體積的重量是容重 =g=g2022-6-9武漢理工大學機電學院16流體的主要力學性質(zhì)流體的主要力學性質(zhì)慣性慣性粘滯性粘滯性流體在流動狀態(tài)下

14、抵抗剪切變形的性質(zhì)流體在流動狀態(tài)下抵抗剪切變形的性質(zhì)壓縮性和熱膨脹性壓縮性和熱膨脹性粘滯性粘滯性流體內(nèi)部質(zhì)點間或流層間因相對運動而產(chǎn)生內(nèi)摩擦力（內(nèi)力）流體內(nèi)部質(zhì)點間或流層間因相對運動而產(chǎn)生內(nèi)摩擦力（內(nèi)力）以反抗相對運動的性質(zhì)以反抗相對運動的性質(zhì)牛頓內(nèi)摩擦定律牛頓內(nèi)摩擦定律液體在作層流運動時，相鄰流層之間的切應(yīng)力與液體在作層流運動時，相鄰流層之間的切應(yīng)力與切應(yīng)變率成線性關(guān)系切應(yīng)變率成線性關(guān)系dydudyduAT ,dydu速度梯度：在垂直速度速度梯度：在垂直速度方向上的速度變化率。方向上的速度變化率。注意：流體只有在流動時才呈現(xiàn)出粘性，靜止時不呈現(xiàn)粘性。注意：流體只有在流動時才呈現(xiàn)出粘性，靜止時

15、不呈現(xiàn)粘性。 2022-6-9武漢理工大學機電學院17流體的主要力學性質(zhì)流體的主要力學性質(zhì)慣性慣性粘滯性粘滯性壓縮性和熱膨脹性壓縮性和熱膨脹性粘性的度量粘性的度量粘度粘度 粘度粘度概念概念 表示粘性大小的物理量。流體抵抗剪切變形能表示粘性大小的物理量。流體抵抗剪切變形能力的度量，粘度大，這種能力強。力的度量，粘度大，這種能力強。 表表示示方方 法法 動力粘度、動力粘度、絕對粘度絕對粘度單位速度梯度下，單位面積上單位速度梯度下，單位面積上的內(nèi)摩擦力。直接表示粘性的的內(nèi)摩擦力。直接表示粘性的大小。單位：大小。單位： ），（2/msNsPa運動粘度運動粘度 不含力、質(zhì)量單位，只含運動學單不含力、質(zhì)量

16、單位，只含運動學單位位。m m2 2/s/s( (斯）斯）、mmmm2 2/s/s（厘斯）厘斯）， 理論計算中常出現(xiàn)理論計算中常出現(xiàn) ，故采用作為一個參數(shù)。我國，故采用作為一個參數(shù)。我國機械油牌號就是相應(yīng)的運動粘度機械油牌號就是相應(yīng)的運動粘度厘斯數(shù)值。厘斯數(shù)值。相對粘度相對粘度 我國采用恩氏粘度我國采用恩氏粘度 2022-6-9武漢理工大學機電學院18流體的主要力學性質(zhì)流體的主要力學性質(zhì)慣性慣性粘滯性粘滯性壓縮性和熱膨脹性壓縮性和熱膨脹性粘度的影響因素粘度的影響因素流體種類流體種類壓強壓強溫度溫度相同條件下，液體的粘度大于氣體的粘度相同條件下，液體的粘度大于氣體的粘度對常見的流體，如水、氣體等

17、，粘度值隨壓強的變化不對常見的流體，如水、氣體等，粘度值隨壓強的變化不大，一般可忽略不計大，一般可忽略不計是影響粘度的主要因素。當溫度升高時，液體的粘度是影響粘度的主要因素。當溫度升高時，液體的粘度減小，氣體的粘度增加減小，氣體的粘度增加液體液體內(nèi)聚力是產(chǎn)生粘度的主要因素，當溫度升高，分子間距離增大，吸引力減內(nèi)聚力是產(chǎn)生粘度的主要因素，當溫度升高，分子間距離增大，吸引力減小，因而使剪切變形速度小，因而使剪切變形速度 所產(chǎn)生的切應(yīng)力減小，所以粘度值減小所產(chǎn)生的切應(yīng)力減小，所以粘度值減小氣體氣體氣體分子間距離大，內(nèi)聚力很小，所以粘度主要是由氣體分子運動動量交換氣體分子間距離大，內(nèi)聚力很小，所以粘度

18、主要是由氣體分子運動動量交換的結(jié)果所引起的。溫度升高，分子運動加快，動量交換頻繁，所以粘度增加的結(jié)果所引起的。溫度升高，分子運動加快，動量交換頻繁，所以粘度增加2022-6-9武漢理工大學機電學院19流體的主要力學性質(zhì)流體的主要力學性質(zhì)慣性慣性粘滯性粘滯性壓縮性和熱膨脹性壓縮性和熱膨脹性溫度T()水的動力粘度（10-3Ns/m2）水的運動粘度（10-6m2/s）空氣的動力粘度（10-3Ns/m2）空氣的運動粘度（10-6m2/s）05101520253035401.7921.5191.3081.1001.0050.8940.8010.7230.6561.7921.5191.3081.1411.

19、0070.8970.8040.7270.6610.01720.01780.01830.01870.019213.714.715.716.617.62022-6-9武漢理工大學機電學院20流體的主要力學性質(zhì)流體的主要力學性質(zhì)慣性慣性粘滯性粘滯性壓縮性和熱膨脹性壓縮性和熱膨脹性牛頓流體牛頓流體滿足牛頓內(nèi)摩擦定律的流體滿足牛頓內(nèi)摩擦定律的流體dudy0牛頓流體賓厄姆塑性體擬塑性流體00非牛頓流體非牛頓流體不滿足牛頓內(nèi)摩擦定律的流體不滿足牛頓內(nèi)摩擦定律的流體2022-6-9武漢理工大學機電學院21流體的主要力學性質(zhì)流體的主要力學性質(zhì)pVVpd/dd/dVVppE/dd/dd1慣性慣性粘滯性粘滯性壓縮性

20、和熱膨脹性壓縮性和熱膨脹性壓縮性和熱膨脹性壓縮性和熱膨脹性壓縮性壓縮性T T不變時，不變時，P P增大，增大，V V隨之減小的性質(zhì)隨之減小的性質(zhì)熱膨脹性熱膨脹性P P不變，不變，T T升高時，升高時，V V增大的性質(zhì)增大的性質(zhì)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液體的壓縮性很小，一般可將水作為不可壓縮液體處理液體的壓縮性很小，一般可將水作為不可壓縮液體處理 單位為單位為m2 2/N單位為單位為N/mN/m2 2液體液體體積膨脹系數(shù)體積膨脹系數(shù)TTVVd/dd/d2022-6-9武漢理工大學機電學院22流體的主要力學性質(zhì)流體的主要力學性質(zhì)慣性慣性粘滯性粘滯性壓縮性和熱膨脹性壓縮性和熱膨脹性壓縮性和熱膨脹性壓縮性和熱膨脹性壓縮性壓縮性T T不變時，不變時，P P增大，增大，V V隨之減