工程流體力學(xué)課件機(jī)電

工程流體力學(xué)課件機(jī)電第一頁(yè)，共五十三頁(yè)，2022年，8月28日第1章流體及其主要物理性質(zhì)第2章流體靜力學(xué)第3章流體動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)第4章相似原理與量綱分析目錄第5章流動(dòng)阻力和水頭損失第二頁(yè)，共五十三頁(yè)，2022年，8月28日第一章緒論第一節(jié)流體的概述第二節(jié)流體的主要物理性質(zhì)第三節(jié)作用在流體的力第三頁(yè)，共五十三頁(yè)，2022年，8月28日什么是流體？第一節(jié)流體的概述流體指具有流動(dòng)性且自身不能保持一定形狀的物體，如氣體和液體。一.流體的定義固體：有固定的平衡位置，具有一定的體積，一定的形狀。第四頁(yè)，共五十三頁(yè)，2022年，8月28日二.流體的特征（或物理屬性）：1.流動(dòng)性：2.連續(xù)性：是流體區(qū)別于固體的根本標(biāo)志。氣體的流動(dòng)性大于液體；靜止流體不能承受拉力；流體在平衡狀態(tài)下不能承受剪切力。沒(méi)有固定的形狀，液體的形狀取決于盛裝它的容器；氣體完全充滿容器。設(shè)流體由很多個(gè)流體微團(tuán)（質(zhì)點(diǎn)）組成，流體微團(tuán)之間沒(méi)有縫隙。即假設(shè)流體是各向同性的連續(xù)介質(zhì)(理論模型)。第五頁(yè)，共五十三頁(yè)，2022年，8月28日有無(wú)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(wú)否易液體有能不易呈現(xiàn)流動(dòng)性？

流體固體

液體、氣體與固體的區(qū)別二.流體的特征第六頁(yè)，共五十三頁(yè)，2022年，8月28日

流體質(zhì)點(diǎn)的理論模型：1）質(zhì)點(diǎn)的宏觀尺寸非常小，即limΔV→0；2）質(zhì)點(diǎn)的微觀尺寸足夠大；3）質(zhì)點(diǎn)是一個(gè)物理實(shí)體；4）質(zhì)點(diǎn)的形狀可任意劃定，以做到質(zhì)點(diǎn)之間無(wú)縫隙。2.連續(xù)介質(zhì)假設(shè)個(gè)分子

1mm3空氣(1個(gè)大氣壓，00C)二.流體的特征第七頁(yè)，共五十三頁(yè)，2022年，8月28日2）流體質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)過(guò)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)。1）流體介質(zhì)是由連續(xù)的流體質(zhì)點(diǎn)所組成，流體質(zhì)點(diǎn)占滿空間而沒(méi)有間隙。2.連續(xù)介質(zhì)假設(shè)

連續(xù)介質(zhì)的內(nèi)涵：二.流體的特征第八頁(yè)，共五十三頁(yè)，2022年，8月28日

連續(xù)介質(zhì)假設(shè)的使用條件：

只有當(dāng)考慮的現(xiàn)象具有比流體分子結(jié)構(gòu)尺度大得多的尺度時(shí)才成立。

例如研究高空稀薄氣體中的物體運(yùn)動(dòng)時(shí)，稀薄氣體不能視為連續(xù)介質(zhì)；血液在微血管中運(yùn)動(dòng)時(shí)，血液不能當(dāng)作連續(xù)介質(zhì)，而在動(dòng)脈血管中流動(dòng)時(shí)可視為連續(xù)介質(zhì)。

連續(xù)函數(shù)：

在連續(xù)介質(zhì)中，流體質(zhì)點(diǎn)的一切物理量都是坐標(biāo)與時(shí)間變量的函數(shù)，稱為連續(xù)函數(shù)。如

p，v，a，ρ，γ，…＝f（x，y，z，t）2.連續(xù)介質(zhì)假設(shè)二.流體的特征第九頁(yè)，共五十三頁(yè)，2022年，8月28日三.流體力學(xué)的研究?jī)?nèi)容流體力學(xué)分類①理論流體力學(xué)（流體力學(xué)）②應(yīng)用流體力學(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)律及其在工程技術(shù)上的應(yīng)用的一門(mén)學(xué)科。第十頁(yè)，共五十三頁(yè)，2022年，8月28日力學(xué)

流體力學(xué)（水力學(xué)）的學(xué)科性質(zhì)研究對(duì)象力學(xué)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)象比較偏重于工程應(yīng)用土建類專業(yè)常用第十一頁(yè)，共五十三頁(yè)，2022年，8月28日

流體力學(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：飛機(jī)、船只等研究?jī)?nèi)容①流體在外力作用下，靜止與運(yùn)動(dòng)的規(guī)律；②流體與固體（邊界）的相互作用。第十二頁(yè)，共五十三頁(yè)，2022年，8月28日流體力學(xué)的使用領(lǐng)域

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)在許多學(xué)科和工程領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。流體力學(xué)海洋

水利航空航天交通運(yùn)輸

環(huán)境

氣象

石油化工

機(jī)械冶金

生物第十三頁(yè)，共五十三頁(yè)，2022年，8月28日航天航空工業(yè)

（空氣動(dòng)力學(xué)）第十四頁(yè)，共五十三頁(yè)，2022年，8月28日造船工業(yè)

（水動(dòng)力學(xué)）深潛達(dá)數(shù)百米的核動(dòng)力潛艇；第十五頁(yè)，共五十三頁(yè)，2022年，8月28日

石油化工工業(yè)單價(jià)超過(guò)10億美元，能抵御大風(fēng)浪的海上采油平臺(tái)；第十六頁(yè)，共五十三頁(yè)，2022年，8月28日電力工業(yè)

水電站、火電站、核電站、地?zé)犭娬緳C(jī)械工業(yè)中

澗滑、冷卻、液壓傳動(dòng)汽輪機(jī)葉片水輪機(jī)第十七頁(yè)，共五十三頁(yè)，2022年，8月28日水利工程水資源運(yùn)用、泄洪消能、河道整治

第十八頁(yè)，共五十三頁(yè)，2022年，8月28日土建工程公路與橋梁工程路基的沉陷、崩竭、滑坡、橋梁、涵洞、倒虹吸管和透水貽堤的修建等楊浦大橋第十九頁(yè)，共五十三頁(yè)，2022年，8月28日大型水利樞紐工程，超高層建筑，大跨度橋梁等的設(shè)計(jì)和建造離不開(kāi)水力學(xué)和風(fēng)工程。楊浦大橋第二十頁(yè)，共五十三頁(yè)，2022年，8月28日21世紀(jì)人類面臨許多重大問(wèn)題的解決，需要流體力學(xué)的進(jìn)一步發(fā)展，它們涉及人類的生存和生活質(zhì)量的提高。全球氣象預(yù)報(bào)；（衛(wèi)星云圖）第二十一頁(yè)，共五十三頁(yè)，2022年，8月28日

環(huán)境與生態(tài)控制；第二十二頁(yè)，共五十三頁(yè)，2022年，8月28日

災(zāi)害預(yù)報(bào)與控制；第二十三頁(yè)，共五十三頁(yè)，2022年，8月28日

火山與地震預(yù)報(bào)；第二十四頁(yè)，共五十三頁(yè)，2022年，8月28日發(fā)展更快更安全更舒適的交通工具；第二十五頁(yè)，共五十三頁(yè)，2022年，8月28日各種工業(yè)裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)，降低能耗，減少污染等等。第二十六頁(yè)，共五十三頁(yè)，2022年，8月28日流體力學(xué)需要與其他學(xué)科交叉，如工程學(xué)，地學(xué)，天文學(xué)，物理學(xué)，材料科學(xué)，生命科學(xué)等，在學(xué)科交叉中開(kāi)拓新領(lǐng)域，建立新理論，創(chuàng)造新方法。毛細(xì)血管流動(dòng)第二十七頁(yè)，共五十三頁(yè)，2022年，8月28日趙州橋（公元591年至599年）南北大運(yùn)河（隋朝公元587年至610年）——拱背的4個(gè)小拱，既減壓主拱的負(fù)載，又可宣泄洪水第二十八頁(yè)，共五十三頁(yè)，2022年，8月28日大部分競(jìng)技體育項(xiàng)目與流體力學(xué)有關(guān)

30第二十九頁(yè)，共五十三頁(yè)，2022年，8月28日流體力學(xué)的研究方法和使用領(lǐng)域

一.流體力學(xué)的研究方法

理論分析、實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值計(jì)算三種方法相互結(jié)合，是互相補(bǔ)充和驗(yàn)證，但又不能互相取代的關(guān)系。基本假設(shè)數(shù)學(xué)模型解析表達(dá)模型試驗(yàn)量測(cè)數(shù)據(jù)換算到原型數(shù)學(xué)模型數(shù)值模型數(shù)值解理論分析實(shí)驗(yàn)研究數(shù)值計(jì)算第三十頁(yè)，共五十三頁(yè)，2022年，8月28日方法優(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，有較好的普適性。

受基本假設(shè)局限，且數(shù)學(xué)難度大，少數(shù)情況下才有解析結(jié)果。實(shí)驗(yàn)研究

直接測(cè)量流動(dòng)參數(shù)，解決實(shí)際的復(fù)雜問(wèn)題，找到經(jīng)驗(yàn)性規(guī)律，并起檢驗(yàn)作用。

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)，普適性差。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，仍是近似方法，存在計(jì)算誤差。三種研究方法的對(duì)比第三十一頁(yè)，共五十三頁(yè)，2022年，8月28日一.慣性第二節(jié)流體的主要物理性質(zhì)

γ：重度或容重單位：N/m3

，或

kN/m3單位：

kg/m3熟記：以密度ρ來(lái)衡量第三十二頁(yè)，共五十三頁(yè)，2022年，8月28日三.壓縮性壓強(qiáng)增大使體積減小的性質(zhì)單位：m2/N，Pa-1

可壓縮流體不可壓縮流體：密度ρ為變量，即ρ=ρ(x,y,z,t)：密度ρ為常數(shù)，即ρ=C

注：通常情況下，液體為不可壓縮流體，氣體為可壓縮流體。壓縮系數(shù)：第三十三頁(yè)，共五十三頁(yè)，2022年，8月28日特例水擊現(xiàn)象,液壓沖擊,水中爆炸波的傳播等問(wèn)題。

在低溫,低壓,低速條件下,隧道施工,運(yùn)營(yíng)通風(fēng),氣體輸送,煙道流動(dòng)等問(wèn)題。------液體為可壓縮流體------氣體為不可壓縮流體21第三十四頁(yè)，共五十三頁(yè)，2022年，8月28日膨脹性溫度升高使體積增大的性質(zhì)膨脹系數(shù)：?jiǎn)挝唬?℃，/K氣體狀態(tài)方程：VV-ΔVpp+Δp第三十五頁(yè)，共五十三頁(yè)，2022年，8月28日

牛頓在《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》(1687)中指出：相鄰兩層流體作相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)存在內(nèi)摩擦作用,稱為粘性力。?

庫(kù)侖實(shí)驗(yàn)(1784)庫(kù)侖用液體內(nèi)懸吊圓盤(pán)擺動(dòng)實(shí)驗(yàn)證實(shí)流體存在內(nèi)摩擦。三.粘性第三十六頁(yè)，共五十三頁(yè)，2022年，8月28日?

粘性定義流體內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)間或流層間因相對(duì)運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生內(nèi)摩擦力

（內(nèi)力/粘性力）以反抗相對(duì)運(yùn)動(dòng)的性質(zhì)?

粘性特性

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)械能損失的根源二.粘性第三十七頁(yè)，共五十三頁(yè)，2022年，8月28日

拉力T與接觸面積A、速度梯度成正比，即

或上兩式均稱為牛頓內(nèi)摩擦阻力定律。

牛頓內(nèi)摩擦定律二.粘性實(shí)驗(yàn)測(cè)得：第三十八頁(yè)，共五十三頁(yè)，2022年，8月28日

牛頓內(nèi)摩擦阻力定律適用于空氣、水、石油等大多數(shù)流體。

凡符合這一定律的流體稱為牛頓流體，不符合的流體為非牛頓流體。流變圖（流變曲線）

理想流體（無(wú)粘性流體）:τ=0

實(shí)際流體（粘性流體）:τ0

牛頓內(nèi)摩擦阻力定律二.粘性第三十九頁(yè)，共五十三頁(yè)，2022年，8月28日

當(dāng)h很小時(shí)，阻力定律可寫(xiě)為，即速度為線性分布。

速度分布圖形不同時(shí)，剪應(yīng)力τ分布也不同。拋物線分布u直線分布u二.粘性第四十頁(yè)，共五十三頁(yè)，2022年，8月28日μ

——

動(dòng)力粘滯系數(shù)。N.s/m2

；Pa.Sν

——

運(yùn)動(dòng)粘滯系數(shù)。m2/S

1泊22

1m2/s=104cm2/s=104斯T的影響較大，P的影響不大；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)①單位換算:②粘度的影響因素:二.粘性第四十一頁(yè)，共五十三頁(yè)，2022年，8月28日

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。角變形速率二.粘性第四十二頁(yè)，共五十三頁(yè)，2022年，8月28日①分子間的內(nèi)聚力②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形成牛頓內(nèi)摩擦力物理機(jī)理二.粘性第四十三頁(yè)，共五十三頁(yè)，2022年，8月28日

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。注意二.粘性第四十四頁(yè)，共五十三頁(yè)，2022年，8月28日【例】一底面積為45×50cm2，高1cm的木塊，質(zhì)量為5kg，沿涂有潤(rùn)滑油的斜角為30o的斜面向下作等速運(yùn)動(dòng)，木塊運(yùn)動(dòng)速度u=1m/s，油層厚度1mm，求油的粘度。

【解】木塊重量沿斜坡分力F

與切力T平衡時(shí)，等速下滑。由于油層厚度很小，速度分布可看成線性分布。第四十五頁(yè)，共五十三頁(yè)，2022年，8月28日四.表面張力與毛細(xì)現(xiàn)象表面張力在流體力學(xué)中一般不予考慮，但對(duì)于測(cè)壓管會(huì)出現(xiàn)毛細(xì)管現(xiàn)象，對(duì)水深很淺的明渠水流和堰流會(huì)有影響。

表面張力是由液體分子間的力引起的，其作用結(jié)果使得自由液面有明顯承現(xiàn)球形的趨勢(shì)。第四十六頁(yè)，共五十三頁(yè)，2022年，8月28日定義：沿液體表面作用著的使自由表面張緊的力稱為表面張力。液體表面張力的大小可以用液體表面單位長(zhǎng)度所受的拉力即表面張力系數(shù)σ來(lái)度量，單位是N/m。數(shù)值較小，一般不考慮，只在自由液面尺寸很小時(shí)才考慮。

兩端開(kāi)口的玻璃細(xì)管豎立在液體中，液體會(huì)在細(xì)管中上升或下降h高度，此現(xiàn)象為毛細(xì)現(xiàn)象。毛細(xì)管高度h與管徑d成反比，即玻璃管內(nèi)徑越小，毛細(xì)管上升高度就越大。

水hθ水銀θh(a)(b)

當(dāng)液固接觸時(shí)，液體表面的切面與固體壁在液體內(nèi)部所夾的角為接觸角。第四十七頁(yè)，共五十三頁(yè)，2022年，8月28日水力學(xué)中的三個(gè)力學(xué)模型1、連續(xù)介質(zhì)模型（continuumcontinuousmediummodel）：

————不考慮水分子間隙。

把水視為沒(méi)有間隙地充滿它所占據(jù)的整個(gè)空間的一種連續(xù)介質(zhì)，且其所有的物理量都是空間坐標(biāo)和時(shí)間的連續(xù)函數(shù)的一種假設(shè)模型優(yōu)點(diǎn)：(1)排除分子運(yùn)動(dòng)的干擾

(2)可運(yùn)用數(shù)學(xué)連續(xù)函數(shù)作為水運(yùn)動(dòng)分析的工具第四十八頁(yè)，共五十三頁(yè)，2022年，8月28日2、理想液體模型：————不考慮水的粘度

3、不可壓縮液體模型：————不考慮水的壓縮性

把水視為沒(méi)有粘性，即粘性系數(shù)為零，在分析問(wèn)題的過(guò)程中可以不考慮粘滯力的影響，可容易得到液體運(yùn)動(dòng)的一些規(guī)律。然后再對(duì)粘性進(jìn)行專門(mén)研究加以修正。

液體的壓縮