工程流體力學(xué)精品課件

1、工程流體力學(xué)第1頁(yè)，共45頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)14分，星期三 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(dòng)。 運(yùn)動(dòng)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 概述和流體的物理性質(zhì)第2頁(yè)，共45頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)14分，星期三 流體能承受壓力，抵抗壓縮變形。 流體不能承受集中力，只能承受分布力。 一般情況下流體可看成是連續(xù)介質(zhì)。 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(gè)獨(dú)特分支。第3頁(yè)，共45頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)14分，星期三力學(xué)11 課程概述 工程流體力學(xué)的學(xué)科性質(zhì)研究對(duì)象力學(xué)

2、問(wèn)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(qiáng)調(diào)水是主要研究對(duì)象偏重于工程應(yīng)用，水利工程、流體動(dòng)力工程專業(yè)常用 第4頁(yè)，共45頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)14分，星期三 1. 流體在外力作用下，靜止（相對(duì)平衡）與運(yùn)動(dòng)的規(guī)律； 2. 流體與邊界的相互作用。 工程流體力學(xué)（水力學(xué)）的主要研究?jī)?nèi)容 固定邊界：水工建筑物、河床、海洋平臺(tái)等 運(yùn)動(dòng)邊界：流體機(jī)械、飛機(jī)、船只等流體靜力學(xué)：研究流體處于靜止（或相對(duì)平衡）狀態(tài)時(shí)，作用于流體上的各種力之間的關(guān)系；流體動(dòng)力學(xué)：研究流體處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)，作用在流體上的力與各運(yùn)動(dòng)要素之間的相互關(guān)系，以及運(yùn)動(dòng)特性與能量轉(zhuǎn)換的關(guān)系等。運(yùn)動(dòng)要素：描述流

3、體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的特性量，如速度、加速度、壓強(qiáng)、溫度以及其它物理量如密度、粘性等。 第5頁(yè)，共45頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)14分，星期三流體力學(xué)動(dòng)力機(jī)械 水利水電航空航天交通運(yùn)輸 環(huán)境 氣象 石油化工 鋼鐵冶金 生物 空氣和水是地球上廣泛存在的物質(zhì)，所以與流體運(yùn)動(dòng)關(guān)聯(lián)的力學(xué)問(wèn)題是很普遍的。流體力學(xué)在許多工程領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，對(duì)水利水電、流體動(dòng)力工程專業(yè)來(lái)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)科第6頁(yè)，共45頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)14分，星期三排球足球網(wǎng)球游泳賽艇鐵餅高爾夫球賽跑賽車(chē)標(biāo)槍乒乓球羽毛球大部分競(jìng)技體育項(xiàng)目與流體力學(xué)有關(guān) 第7頁(yè)，共45頁(yè)，2022年，5月2

4、0日，4點(diǎn)14分，星期三 課程地位 工程流體力學(xué)（水力學(xué)）是一門(mén)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(shí)的鞏固與提高，培養(yǎng)分析、解決實(shí)際問(wèn)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) 基礎(chǔ)課程工程流體力學(xué)（水力學(xué)）專業(yè)基礎(chǔ)課程水利、動(dòng)力工程有關(guān)專業(yè)課程第8頁(yè)，共45頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)14分，星期三 水工建筑物及河槽所受水力荷載 水工建筑物及河槽過(guò)流能力 水流流動(dòng)形態(tài) 水電（泵）站能量利用和消耗水利水電工程中的部分流體力學(xué)問(wèn)題：第9頁(yè)，共45頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)14分，星期三 流體力學(xué)的研究方法 理論分析、

5、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?；炯僭O(shè) 數(shù)學(xué)模型 解析表達(dá) 理論分析數(shù)值計(jì)算 實(shí)驗(yàn)研究 數(shù)學(xué)模型 數(shù)值模型 數(shù)值解 模型試驗(yàn) 量測(cè)數(shù)據(jù) 換算到原型 第10頁(yè)，共45頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)14分，星期三優(yōu) 勢(shì)局 限理論分析對(duì)流動(dòng)機(jī)理解析表達(dá)，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(shí)驗(yàn)研究（模型試驗(yàn)） 直接測(cè)量流動(dòng)參數(shù)，找到經(jīng)驗(yàn)性規(guī)律。 成本高，對(duì)量測(cè)技術(shù)要求高，不易改變工況，存在比尺效應(yīng)。 數(shù)值計(jì)算擴(kuò)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(jì)算誤差。 第11頁(yè)，共45頁(yè)，202

6、2年，5月20日，4點(diǎn)14分，星期三有無(wú)固定的體積？能否呈現(xiàn)流動(dòng)性？是否容易被壓縮？流體氣體無(wú)能易液體有能不易固體有否不易呈現(xiàn)流動(dòng)性？ 流體固體 流體最主要的物理特性12 流體的物理性質(zhì)第12頁(yè)，共45頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)14分，星期三流體幾乎不能承受拉力，沒(méi)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(dòng)性什么是剪切力、剪切變形和抵抗剪切變形的能力？第13頁(yè)，共45頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)14分，星期三 流體在靜止時(shí)不能承受剪切力，抵抗剪切變形。 流體只有在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下，當(dāng)流體質(zhì)點(diǎn)之間有相對(duì)

7、運(yùn)動(dòng)時(shí)，才能抵抗剪切變形。 只要有剪切力的作用，流體就不會(huì)靜止下來(lái)，發(fā)生連續(xù)變形而流動(dòng)。 作用在流體上的剪切力不論多么微小，只要有足夠的時(shí)間，便能產(chǎn)生任意大的變形。 運(yùn)動(dòng)流體抵抗剪切變形的能力（產(chǎn)生剪切應(yīng)力的大?。w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）。第14頁(yè)，共45頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)14分，星期三設(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(yùn)動(dòng)和變形過(guò)程可以幫助理解以上論述。當(dāng)液面不水平時(shí)，重力起到剪切力的作用，使液體變形，最終當(dāng)液面絕對(duì)水平時(shí)，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(guò)程，但所需的時(shí)間不同。第15頁(yè)，共45頁(yè)，2022年

8、，5月20日，4點(diǎn)14分，星期三二. 流體質(zhì)點(diǎn)概念和連續(xù)介質(zhì)假設(shè)個(gè)分子 1mm3空氣( 1個(gè)大氣壓，00C)宏觀（流體力學(xué)處理問(wèn)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。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(duì)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)要素的物理量定義在流體質(zhì)點(diǎn)上。 流體質(zhì)點(diǎn)概念第16頁(yè)，共45頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)14分，星期三以密度為例，考察物理量是怎樣定義在流體質(zhì)點(diǎn)上的。若流體微團(tuán)的體積為V，質(zhì)量為m，則流體質(zhì)點(diǎn)密度為流體區(qū)域是由流體質(zhì)點(diǎn)組成的占滿空間而沒(méi)有間隙的連續(xù)

9、體，其物理特性和運(yùn)動(dòng)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(gè)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(tuán)趨于流體質(zhì)點(diǎn)。第17頁(yè)，共45頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)14分，星期三 運(yùn)動(dòng)流體具有抵抗剪切變形的能力，這就是粘滯性。值得強(qiáng) 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(duì)的切應(yīng)力，稱為內(nèi)摩擦 力，來(lái)抵抗相鄰兩層流體之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。 連續(xù)介質(zhì)假設(shè)為建立流場(chǎng)的概念奠定了基礎(chǔ)：設(shè)在 t 時(shí)

10、刻，有某個(gè)流體質(zhì)點(diǎn)占據(jù)了空間點(diǎn) (x,y,z)，將此流體質(zhì)點(diǎn)所具有的某種物理量（數(shù)量或矢量）定義在該時(shí)刻和空間點(diǎn)上，根據(jù)連續(xù)介質(zhì)假設(shè)，就可形成定義在連續(xù)時(shí)間和空間域上的數(shù)量或矢量場(chǎng)。三.流體的粘滯性第18頁(yè)，共45頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)14分，星期三 對(duì)于如圖的平面流動(dòng)，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(duì)運(yùn)動(dòng)和剪切（角）變形，同時(shí)也出現(xiàn)成對(duì)的切應(yīng)力，流動(dòng)快的一層要帶動(dòng)流動(dòng)慢的一層，而流動(dòng)慢的一層則要阻礙流動(dòng)快的一層，它起到抵抗剪切變形的作用。第19頁(yè)，共45頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)14分，星期三 容易解釋為什么 是剪切（角）變

11、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。本課程主要討論牛頓流體。 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(dòng)力粘性系數(shù)，是粘性流體的重要物理屬性。第20頁(yè)，共45頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)14分，星期三形成牛頓內(nèi)摩擦力物理機(jī)理 分子間的吸引力 分子運(yùn)動(dòng)引起流體層間的動(dòng)量交換液體以此為主氣體以此為主 隨著溫度升高，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(shí)一定指明當(dāng)時(shí)的溫度。 運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù)具有運(yùn)動(dòng)學(xué)量綱，m2/s注意第21頁(yè)，共45頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)14分

12、，星期三四、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(shí)際流動(dòng)，粘性作用不大是相對(duì)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)?shí)際流體簡(jiǎn)化為理想流體。 我們將會(huì)看到，是否忽略粘性影響將對(duì)流動(dòng)問(wèn)題的處理帶來(lái)很大的區(qū)別，理想流體假設(shè)可以大大簡(jiǎn)化理論分析過(guò)程。忽略粘性影響實(shí)際上就是忽略切應(yīng)力，切應(yīng)力，第22頁(yè)，共45頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)14分，星期三五. 流體的壓縮性 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)原形，流體的這種性質(zhì)稱為壓縮性。VV-Vpp+p第23頁(yè)，共45頁(yè)，2022年

13、，5月20日，4點(diǎn)14分，星期三將相對(duì)壓縮值 與壓強(qiáng)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(qiáng)而變，隨溫度變化不顯著。液體的 K 值很大，除非壓強(qiáng)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(rèn)為液體的 K 值為無(wú)窮大，密度為常數(shù)。但若考慮水下爆炸、水擊問(wèn)題時(shí)，則必須考慮壓縮性。第24頁(yè)，共45頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)14分，星期三六.表面張力和毛細(xì)現(xiàn)象表面張力是液體自由表面在分子引力作用下而在沿表面方向產(chǎn)生的拉力，用單位自由表面長(zhǎng)度上所受的橫向拉力 表示。量綱為MT2，單位：N/m。液體的表面張力量級(jí)一般較

14、小，對(duì)水： 0.074N/m，對(duì)汞： 0.54N/m。第25頁(yè)，共45頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)14分，星期三R1R2R1R2曲表面的表面張力和壓強(qiáng)第26頁(yè)，共45頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)14分，星期三毛細(xì)管現(xiàn)象：當(dāng)小內(nèi)徑管（毛細(xì)管）插入液體中時(shí)，在表面張力的作用下使管中的液面和與之相連通的容器中的液面不在同一水平面上。液面高度差與毛細(xì)管內(nèi)徑大小及液體性質(zhì)有關(guān)。應(yīng)用：在液流實(shí)驗(yàn)中使用測(cè)壓管時(shí)，應(yīng)注意這種毛細(xì)管作用產(chǎn)生的誤差 。第27頁(yè)，共45頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)14分，星期三(a) 濕潤(rùn)管的液面上升液體的毛細(xì)管現(xiàn)象第28頁(yè)，共45頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)14分

15、，星期三(6) 非濕潤(rùn)管的液面下降液體的毛細(xì)管現(xiàn)象第29頁(yè)，共45頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)14分，星期三七.汽化壓強(qiáng) 汽化和凝結(jié)：液體分子逸出液面向空間擴(kuò)散的過(guò)程稱為汽化，液體汽化為蒸汽。汽化的逆過(guò)程稱為凝結(jié)，蒸汽凝結(jié)為液體。 汽化壓強(qiáng)：在液體中汽化和凝結(jié)作用同時(shí)存在且達(dá)到平衡時(shí)，宏觀汽化現(xiàn)象停止，此時(shí)液體的壓強(qiáng)稱為汽化壓強(qiáng)或飽和蒸汽壓強(qiáng)。汽化壓強(qiáng)與溫度有關(guān)。當(dāng)液體內(nèi)部某處的壓強(qiáng)低于汽化壓強(qiáng)時(shí)，在該處發(fā)生汽化，液流連續(xù)性受到破壞，形成空泡。當(dāng)空泡移動(dòng)到高于汽化壓強(qiáng)區(qū)時(shí)，空泡迅速潰滅，這種現(xiàn)象稱為空化?？栈饔脤?duì)液體運(yùn)動(dòng)和液體與固體接觸的壁面產(chǎn)生不良的影響。 第30頁(yè)，共45頁(yè)，2022

16、年，5月20日，4點(diǎn)14分，星期三質(zhì)量力分布在流體質(zhì)量（體積）上，是一種遠(yuǎn)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)量力第31頁(yè)，共45頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)14分，星期三 的含義，按連續(xù)介質(zhì)假設(shè)，即為流體團(tuán)趨于流體質(zhì)點(diǎn)。所以質(zhì)量力是定義在流體質(zhì)點(diǎn)上的。設(shè)體積為V的流體團(tuán)，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。第32頁(yè)

17、，共45頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)14分，星期三n 設(shè)面積為A的流體面元，法向?yàn)?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(diǎn)，所以應(yīng)力是定義在流體面上一點(diǎn)處的。同一點(diǎn)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(biāo)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。第33頁(yè)，共45頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)14分，星期三凡談及應(yīng)力，應(yīng)注意明確以下幾個(gè)要素： 哪一點(diǎn)的應(yīng)力； 哪個(gè)方位作用面上的應(yīng)力； 作用面的哪一側(cè)流體是研究對(duì)象（表面力的受體），從 而決定法線的指向； 應(yīng)力在哪個(gè)方向上的分量。第34頁(yè)，共

18、45頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)14分，星期三 三個(gè)基本單位 長(zhǎng)度單位：m（米） 質(zhì)量單位：kg（公斤） 時(shí)間單位：s（秒）流體力學(xué)課程中使用的單位制 SI 國(guó)際單位制（米、公斤、秒制）第35頁(yè)，共45頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)14分，星期三 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(qiáng)單位：Pa（帕斯卡），1Pa=1N/m2 動(dòng)力粘性系數(shù) 單位：Ns/m2 =Pas 運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù) 單位：m2/s 體積彈性系數(shù) K 單位： Pa第36頁(yè)，共45頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)14分，星期三與水和空氣有關(guān)的一些重要物理量的數(shù)值 1大

19、氣壓，40C 1大氣壓，100C 常壓常溫下，空氣的密度是水的 1/800 一般取海水密度為第37頁(yè)，共45頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)14分，星期三 空氣的密度隨溫度變化相當(dāng)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第38頁(yè)，共45頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)14分，星期三 150C，海平面 (標(biāo)準(zhǔn)大氣壓) 20C，海拔2km 工程大氣壓（相當(dāng)于10m水柱底部壓強(qiáng)） 空氣容易被壓縮第39頁(yè)，共45頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)14分，星期三 00C 1000C -40C 1000C 空氣的動(dòng)力粘性系數(shù)比水小2個(gè)數(shù)量級(jí)，但空氣的 運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù)比水大。 空氣的粘性系數(shù)隨溫度升高而增大，而水的粘性系 數(shù)隨溫度升高而減小。第40頁(yè)，共45頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)14分，星期三 常溫下，水的體積彈性系數(shù) 相對(duì)壓縮（或密度增加）1%，需要增壓 約為 200 個(gè)