流體力學(xué)第1章

流體力學(xué)安徽理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院緒論一、流體力學(xué)的研究對(duì)象

三、流體力學(xué)的研究方法

二、流體力學(xué)的發(fā)展概況

流體力學(xué)：主要研究流體與流體、流體與固體之間的相互作用力，即研究流體的機(jī)械運(yùn)動(dòng)規(guī)律。四、單位制

一、流體力學(xué)的研究對(duì)象水利工程等關(guān)系到國(guó)計(jì)民生的大工程—理論計(jì)算、設(shè)計(jì)、勘察。如：三峽水利工程、西氣東輸、南水北調(diào)等等。船舶工業(yè)：很顯然，船舶工業(yè)更是離不開流體力學(xué)。船舶、艦艇的外形直接影響到他們的航行速度、穩(wěn)定性等特性，在設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮在流體力學(xué)上如何使船體線型達(dá)到最佳。

航空航天領(lǐng)域—空氣動(dòng)力學(xué)、稀薄空氣動(dòng)力學(xué)。飛機(jī)、火箭、人造地球衛(wèi)星、宇宙探測(cè)器、航天飛機(jī)等航空器都是在大氣層內(nèi)活動(dòng)的飛行器。飛機(jī)為什么能飛？—各種飛機(jī)都是靠空氣動(dòng)力克服自身重力實(shí)現(xiàn)升空的。高速列車龍卷風(fēng)高層建筑物離心泵風(fēng)機(jī)管路空氣壓縮機(jī)二、流體力學(xué)的發(fā)展公元前10世紀(jì)到1世紀(jì)中國(guó)木櫓和尾舵約公元前700年管仲科學(xué)地總結(jié)了中國(guó)的治河與修渠經(jīng)驗(yàn)約兩世紀(jì)后阿基米德提出了浮力的定量理論流體的基礎(chǔ)：阿基米德的浮力理論和帕斯卡靜壓理論1、流體靜力學(xué)以前時(shí)期2、理想流體力學(xué)時(shí)期

1500年意大利達(dá)·芬奇一維不可壓縮流體的質(zhì)量守恒方程

1738年伯努利定常不可壓流伯努利定理

1748年俄國(guó)科學(xué)家羅蒙諾索夫質(zhì)量守恒定律

1752年達(dá)伯朗流體連續(xù)方程

1775年歐拉提出了流體運(yùn)動(dòng)的描述方法和無黏性流體運(yùn)動(dòng)的方程組，并開始研究理想無旋流體的平面和空間流動(dòng)，為理論流體力學(xué)奠定了基礎(chǔ)。

1781年拉格朗日引進(jìn)流函數(shù)概念，并提出了理想無旋流體運(yùn)動(dòng)時(shí)所應(yīng)滿足的動(dòng)力學(xué)條件（拉格朗日定理）及解決這類流的復(fù)位勢(shì)法，進(jìn)一步完善了理想流體力學(xué)的基本理論。3、流體動(dòng)力學(xué)時(shí)期研究特征：18世紀(jì)末和19世紀(jì)中葉，理論與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合。納維與斯托克斯1823年和1845年N-S方程黏性流體運(yùn)動(dòng)。哈根和泊肅葉1839年和1840年細(xì)小圓管中層流流動(dòng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果雷諾、弗洛德、瑞利相似理論實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)的基礎(chǔ)。亥姆霍茲和湯姆遜漩渦理論普朗特邊界層流理論，馮·卡門湍流理論中國(guó)周培原錢學(xué)森郭永懷4、計(jì)算流體力學(xué)

理論流體力學(xué)、計(jì)算流體力學(xué)和實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)構(gòu)成了流體力學(xué)的完整體系。三、流體力學(xué)的研究方法四、單位制第一章流體及其物理性質(zhì)第一節(jié)流體的概念

第三節(jié)流體的壓縮性與膨脹性第二節(jié)流體的密度和重度第四節(jié)流體的黏性第一節(jié)流體的概念1、流體定義：在靜力平衡時(shí)，不能承受剪切力的物質(zhì)。特點(diǎn)：①有一定體積和自由面；②分子間距較大。流體與固體的區(qū)別：①固體的變形與受力的大小成正比；②任何一個(gè)微小的剪切力都能使流體發(fā)生連續(xù)的變形。1）實(shí)際流體微觀內(nèi)部流體分子之間不連續(xù)，有間隙。2、流體的連續(xù)介質(zhì)模型2）流體質(zhì)點(diǎn)（或稱流體微團(tuán)）忽略尺寸效應(yīng)但包含無數(shù)分子的流體最小單元。說明：①流體質(zhì)點(diǎn)的體積遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于流體分子之間的間距，可容納足夠多的流體分子，是流體分子集團(tuán)，個(gè)別分子運(yùn)動(dòng)參數(shù)的變化不影響這群分子運(yùn)動(dòng)參數(shù)的平均統(tǒng)計(jì)值。②流體質(zhì)點(diǎn)是流體的最小構(gòu)成單元。③流體質(zhì)點(diǎn)之間無任何間隙。④流體質(zhì)點(diǎn)沒有固定形狀，但有能量。3）連續(xù)介質(zhì)模型的引入

流體由流體質(zhì)點(diǎn)組成，假設(shè)流體質(zhì)點(diǎn)連續(xù)的、無間隙的分布于整個(gè)流場(chǎng)中。說明：①流體是由無窮多個(gè)、無窮小的、緊密毗鄰、連綿不斷的流體質(zhì)點(diǎn)組成的絕無間隙的連續(xù)介質(zhì)。②連續(xù)介質(zhì)的概念來自數(shù)學(xué)，實(shí)驗(yàn)證明基是正確的。連續(xù)介質(zhì)假設(shè)的優(yōu)點(diǎn)：①避免了流體分子運(yùn)動(dòng)的復(fù)雜性，只需研究流體的宏觀運(yùn)動(dòng)。②可以利用數(shù)學(xué)工具來研究流體的平衡與運(yùn)動(dòng)規(guī)律。第二節(jié)流體的密度和重度一、流體的密度密度：均質(zhì)流體密度或流體平均密度定義為單位體積的質(zhì)量流體密度是空間某點(diǎn)單位體積的平均質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)：在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，5℃時(shí)水的密度水銀的密度重度：與密度定義類似。單位：二、流體的重度第三節(jié)流體的壓縮性與膨脹性一、流體的壓縮性液體壓縮性：流體的體積隨壓力的增大而變小的特性。

壓縮系數(shù)

體積彈性模數(shù)

液體膨脹性（熱膨脹性）：是指在壓強(qiáng)不變的情況下，流體體積隨溫度升高而變化的特性。膨脹系數(shù)

氣體的壓縮性與膨脹性二、流體的膨脹性第四節(jié)流體的黏性一、流體的黏性定義：流體流動(dòng)時(shí)，相鄰流層或質(zhì)點(diǎn)間產(chǎn)生內(nèi)摩擦力以反抗剪切變形的特性稱為黏性。二、牛頓內(nèi)摩擦定律當(dāng)板間距很小時(shí)，速度分布視為線性分析（如右圖）。（1）動(dòng)力黏性系數(shù)（物理常數(shù)）（2）運(yùn)動(dòng)黏性系數(shù)三、流體的黏性系數(shù)（3）相對(duì)黏度（恩式黏度）指200ml的某溫度下的液體從恩氏黏度計(jì)從直徑為2.8mm小孔流出的時(shí)間t，與200ml的20℃蒸餾水流出恩氏黏度計(jì)的時(shí)間的比值t0，即

流體的黏性隨溫度和壓力而變化，分別稱為黏溫特性和黏壓特性。四、黏溫特性和黏壓特性液體：分子內(nèi)聚力是產(chǎn)生黏度的主要因素。溫度↑→分子間距↑→分子吸引力↓→內(nèi)摩擦力↓→黏度↓氣體：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↑→分子熱運(yùn)動(dòng)↑→動(dòng)量交換↑→內(nèi)摩擦力↑→黏度↑（1）實(shí)際流體相互接觸的流體層之間有剪切應(yīng)力作用，在固體表面上其流速與固體的速度相同（壁面不滑移條件）。（2）理想流體（無黏性流體）流體層之間沒有剪切力，在固體表面上發(fā)生相對(duì)滑移。（3）靜止流體五、理想流體與實(shí)際流體例1：汽缸內(nèi)壁的直徑D=12cm，活塞的直徑d=11.96cm，活塞長(zhǎng)度L=14cm，活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)的速度為1m/s，潤(rùn)滑油的μ=0.1Pa·s。求作用在活塞上的粘性力。解：例2：半徑為R的圓盤與平板間隙為，旋轉(zhuǎn)角速度為，油液粘度為，試研究圓盤的