流體力學(xué)課件資料1

1、 流體（氣體和液體）區(qū)別于固體的主要物理特性是易于流動。 運動流體具有抵抗剪切變形的能力，這種抵抗體現(xiàn)在限制剪切變形的速率而不是大小上，這就是粘滯性。第一章 課程概述和流體的物理性質(zhì) 流體能承受壓力，抵抗壓縮變形。 一般情況下流體可看成是連續(xù)介質(zhì)。 流體不能承受集中力，只能承受分布力。 流體的上述物理力學(xué)特性使流體力學(xué)（水力學(xué)）成為宏觀力學(xué)的一個獨特分支。力學(xué)11 課程概述 流體力學(xué)（水力學(xué)）的學(xué)科性質(zhì)研究對象力學(xué)問題載體 宏觀力學(xué)分支遵循三大守恒原理 流體力學(xué)水力學(xué)流體水力學(xué)強調(diào)水是主要研究對象比較偏重于工程應(yīng)用土建類專業(yè)常用 有無固定的體積？能否形成自由表面？是否容易被壓縮？流體氣體無否易

2、液體有能不易呈現(xiàn)流動性？ 流體固體 流體最主要的物理特性 1. 流體在外力作用下，靜止與運動的規(guī)律； 2. 流體與邊界的相互作用。 流體力學(xué)（水力學(xué)）的主要研究內(nèi)容 固定邊界：水工建筑物、河床、海洋平臺等 運動邊界：飛機、船只等流體力學(xué)海洋 水利航空航天交通運輸 環(huán)境 氣象 石油化工 機械冶金 生物 空氣和水是地球上廣泛存在的物質(zhì)，所以與流體運動關(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)域有著廣泛的應(yīng)用，對水利水電建筑工程專業(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)科排球足球網(wǎng)球游泳賽艇鐵餅高爾夫球賽跑賽車標槍乒乓球羽毛球大部分競技體育項目與流體力學(xué)有關(guān) 課程地位 水力

3、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、解決實際問題的能力，為專業(yè)課程的學(xué)習(xí)打下堅實基礎(chǔ)。數(shù)理、力學(xué) 基礎(chǔ)課程水力學(xué)專業(yè)基礎(chǔ)課程水利學(xué)科有關(guān)專業(yè)課程 水工建筑物及河槽所受水力荷載 水工建筑物及河槽過水能力 水流流動形態(tài) 水流能量消耗和利用水利水電建筑工程專業(yè)中的水力學(xué)問題： 水力學(xué)的研究方法 理論分析、實驗研究和數(shù)值計算相結(jié)合。三個方面是互相補充和驗證，但又不能互相取代的關(guān)系?；炯僭O(shè) 數(shù)學(xué)模型 解析表達 理論分析數(shù)值計算 實驗研究 數(shù)學(xué)模型 數(shù)值模型 數(shù)值解 模型試驗 量測數(shù)據(jù) 換算到原型 優(yōu) 勢局 限

4、理論分析對流動機理解析表達，因果關(guān)系清晰。 受基本假設(shè)局限，少數(shù)情況下才有解析結(jié)果。 實驗研究（模型試驗） 直接測量流動參數(shù)，找到經(jīng)驗性規(guī)律。 成本高，對量測技術(shù)要求高，不易改變工況，存在比尺效應(yīng)。 數(shù)值計算擴大理論求解范圍，成本低，易于改變工況，不受比尺限制。 受理論模型和數(shù)值模型局限，存在計算誤差。 12 流體的物理性質(zhì)流體幾乎不能承受拉力，沒有抵抗拉伸變形的能力。流體能承受壓力，具有抵抗壓縮變形的能力。關(guān)于流體承受剪切力，抵抗剪切變形能力的敘述：一. 流體的基本特性 流動性什么是剪切力、剪切變形和抵抗剪切變形的能力？ 流體在靜止時不能承受剪切力，抵抗剪切變形。 流體只有在運動狀態(tài)下，當流

5、體質(zhì)點之間有相對運動時，才能抵抗剪切變形。 只要有剪切力的作用，流體就不會靜止下來，發(fā)生連續(xù)變形而流動。 作用在流體上的剪切力不論多么微小，只要有足夠的時間，便能產(chǎn)生任意大的變形。 運動流體抵抗剪切變形的能力（產(chǎn)生剪切應(yīng)力的大小）體現(xiàn)在變形的速率上，而不是變形的大小（與彈性體的不同之處）。設(shè)想放置在敞口容器中初始表面有隆起或凹陷的液體之運動和變形過程可以幫助理解以上論述。當液面不水平時，重力起到剪切力的作用，使液體變形，最終當液面絕對水平時，剪切力為零，液體變形也終止。不同的液體都能完成上述變形過程，但所需的時間不同。二. 流體質(zhì)點概念和連續(xù)介質(zhì)假設(shè)個分子 1mm3空氣( 1個大氣壓，00C)

6、宏觀（流體力學(xué)處理問題的尺度）上看，流體質(zhì)點足夠小，只占據(jù)一個空間幾何點，體積趨于零。微觀（分子自由程的尺度）上看，流體質(zhì)點是一個足夠大的分子團，包含了足夠多的流體分子，以致于對這些分子行為的統(tǒng)計平均值將是穩(wěn)定的，作為表征流體物理特性和運動要素的物理量定義在流體質(zhì)點上。 流體質(zhì)點概念以密度為例，考察物理量是怎樣定義在流體質(zhì)點上的。若流體微團的體積為V，質(zhì)量為m，則流體質(zhì)點密度為連續(xù)介質(zhì)假設(shè)將流體區(qū)域看成由流體質(zhì)點連續(xù)組成，占 滿空間而沒有間隙，其物理特性和運動要素在空間是連 續(xù)分布的。 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 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

7、用 該假設(shè)的力學(xué)統(tǒng)稱為“連續(xù)介質(zhì)力學(xué)”。除了個別情形外，在 水力學(xué)中使用連續(xù)介質(zhì)假設(shè)是合理的。其中 V0 的含義應(yīng)理解為流體微團趨于流體質(zhì)點。 運動流體具有抵抗剪切變形的能力，這就是粘滯性。值得強 調(diào)的是，這種抵抗體現(xiàn)在剪切變形的快慢上。 在剪切變形中，流體內(nèi)部出現(xiàn)成對的切應(yīng)力，稱為內(nèi)摩擦 力，來抵抗相鄰兩層流體之間的相對運動。 連續(xù)介質(zhì)假設(shè)為建立流場的概念奠定了基礎(chǔ)：設(shè)在 t 時刻，有 某個流體質(zhì)點占據(jù)了空間點 (x,y,z)，將此流體質(zhì)點所具有的某 種物理量（數(shù)量或矢量）定義在該時刻和空間點上，根據(jù)連續(xù) 介質(zhì)假設(shè)，就可形成定義在連續(xù)時間和空間域上的數(shù)量或矢 量場。三.流體的粘滯性 對于如圖

8、的平面流動，流體速度 u 都沿 x 方向，且不隨 x 變化，只隨 y 變化。兩層流體之間存在相對運動和剪切（角）變形，同時也出現(xiàn)成對的切應(yīng)力，流動快的一層要帶動流動慢的一層，而流動慢的一層則要阻礙流動快的一層，它起到抵抗剪切變形的作用。 容易解釋為什么 是剪切（角）變形速率，它表示流體 直角減小的速度。 滿足牛頓內(nèi)摩擦定律的流體稱為牛頓流體，否則稱為非牛頓流體。 牛頓內(nèi)摩擦定律告訴我們：切應(yīng)力 和剪切（角）變形速率 之間存在正比例關(guān)系 比例系數(shù) 稱為動力粘性系數(shù)，是粘性流體的物理屬性。形成牛頓內(nèi)摩擦力物理機理 分子間的吸引力 分子運動引起流體層間的動量交換液體以此為主氣體以此為主 隨著溫度升高

9、，液體的粘性系數(shù)下降；氣體的粘性系數(shù)上升。 今后在談及粘性系數(shù)時一定指明當時的溫度。 運動粘性系數(shù)具有運動學(xué)量綱。注意理想流體假設(shè)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際流動，粘性作用不大是相對于其它因素的作用而言的。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?qū)嶋H流體簡化為理想流體。 我們將會看到，是否忽略粘性影響將對流動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。忽略粘性影響實際上就是忽略切應(yīng)力，切應(yīng)力，五. 流體的壓縮性 流體能承受壓力，在受外力壓縮變形時，產(chǎn)生內(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。V

10、V-Vpp+p將相對壓縮值 與壓強增量 之比值 稱 為壓縮系數(shù)，其倒數(shù) 稱為體積彈性系數(shù)。K 越大， 越不易被壓縮。液體的 K 隨溫度和壓強而變，隨溫度變化不顯著。液體的 K 值很大，除非壓強變化很劇烈、很迅速，一般可不考慮壓縮 性，作不可壓縮流體假設(shè)，即認為液體的 K 值為無窮大，密 度為常數(shù)。但若考慮水下爆炸、水擊問題時，則必須考慮壓 縮性。質(zhì)量力分布在流體質(zhì)量（體積）上，是一種遠程力。我們定 義的質(zhì)量力為力的質(zhì)量密度 f ，即單位質(zhì)量流體所承受的質(zhì) 量力，是加速度的單位。13 作用在流體上的力 流體不能承受集中力，只能承受分布力。分布力按表現(xiàn)形式又分為：質(zhì)量力、表面力。一. 質(zhì)量力 的含

11、義，按連續(xù)介質(zhì)假設(shè)，即為流體團趨于流體質(zhì)點。所以質(zhì)量力是定義在流體質(zhì)點上的。設(shè)體積為V的流體團，其質(zhì)量為 m，所受質(zhì)量力為 F，則V0二. 表面力表面力分布在流體面上，是一種接觸力。定義表面力的面積密 度，即單位面積上流體所承受的表面力為應(yīng)力。n 設(shè)面積為A的流體面元，法向為 n ，指向表面力受體外側(cè)，所受表面力為 P ，則應(yīng)力 的含義為面元趨于面元上的某定點，所以應(yīng)力是定義在流體面上一點處的。同一點處的應(yīng)力還與作用面的方位有關(guān)，所以須將作用面的法向用腳標指明。A0 應(yīng)力pn 是矢量，可向作用面的法向或切向投影，分解成法 應(yīng)力和切應(yīng)力。凡談及應(yīng)力，應(yīng)注意明確以下幾個要素： 哪一點的應(yīng)力； 哪個

12、方位作用面上的應(yīng)力； 作用面的哪一側(cè)流體是研究對象（表面力的受體），從 而決定法線的指向； 應(yīng)力在哪個方向上的分量。 三個基本單位 長度單位：m（米） 質(zhì)量單位：kg（公斤） 時間單位：s（秒）水力學(xué)課程中使用的單位制 SI 國際單位制（米、公斤、秒制） 導(dǎo)出單位，如： 密度 單位：kg/m3 力的單位：N（牛頓），1 N=1 kgm/s2 應(yīng)力、壓強單位：Pa（帕斯卡），1Pa=1N/m2 動力粘性系數(shù) 單位：Ns/m2 =Pas 運動粘性系數(shù) 單位：m2/s 體積彈性系數(shù) K 單位： Pa與水和空氣有關(guān)的一些重要物理量的數(shù)值 1大氣壓，40C 1大氣壓，100C 常壓常溫下，空氣的密度是水的 1/800 一般取海水密度為 空氣的密度隨溫度變化相當大，溫度高，密 度低。 水的密度隨溫度變化很小。 1大氣壓，00C 1大氣壓，800C 150C，海平面 (標準大氣壓) 20C，海拔2km