工程流體第一章

工程流體第一章1第1頁，共35頁，2023年，2月20日，星期一1、流體力學(xué)的概念：流體力學(xué)是力學(xué)的一個(gè)獨(dú)立分支，是一門研究流體的平衡和運(yùn)動規(guī)律及其實(shí)際應(yīng)用的技術(shù)科學(xué)。研究速度分布、壓強(qiáng)分布、能量損失及作用力。水利工程、造船工業(yè)、航空工業(yè)、機(jī)械工業(yè)、冶金工業(yè)、化學(xué)工業(yè)、石油工業(yè)、土木建筑、航海、人體的循環(huán)系統(tǒng)。2、流體力學(xué)的廣泛應(yīng)用：緒論電力：水電、火電、核電工作介質(zhì)都是流體

2第2頁，共35頁，2023年，2月20日，星期一航空航天、船舶與海洋——applicationLiftV0G弧旋球

船舶運(yùn)動地效翼艇

浮標(biāo)

海洋平臺

潛器

3第3頁，共35頁，2023年，2月20日，星期一機(jī)械與動力、生物運(yùn)動——application發(fā)動機(jī)四沖程信天翁滑翔

WindTurbine建筑與環(huán)境

4第4頁，共35頁，2023年，2月20日，星期一3、流體力學(xué)的發(fā)展簡史：流體力學(xué)的萌芽，是自距今約2200年以前，西西里島的希臘學(xué)者阿基米德寫的“論浮體”一文開始的。他對靜止時(shí)的液體力學(xué)性質(zhì)作了第一次科學(xué)總結(jié)。流體力學(xué)的主要發(fā)展是從牛頓時(shí)代開始的，1687年牛頓在名著《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》中討論了流體的阻力、波浪運(yùn)動，等內(nèi)容，使流體力學(xué)開始成為力學(xué)中的一個(gè)獨(dú)立分支。此后，流體力學(xué)的發(fā)展主要經(jīng)歷了三個(gè)階段：5第5頁，共35頁，2023年，2月20日，星期一1）伯努利所提出的液體運(yùn)動的能量估計(jì)及歐拉所提出的液體運(yùn)動的解析方法，為研究液體運(yùn)動的規(guī)律奠定了理論基礎(chǔ)，在此基礎(chǔ)上形成了一門屬于數(shù)學(xué)的古典“水動力學(xué)”（或古典“流體力學(xué)”）。2）在古典“水動力學(xué)”的基礎(chǔ)上納維和斯托克思提出了著名的實(shí)際粘性流體的基本運(yùn)動方程——N-S方程。從而為流體力學(xué)的長遠(yuǎn)發(fā)展奠定了理論基礎(chǔ)。但由于其所用數(shù)學(xué)的復(fù)雜性和理想流體模型的局限性，不能滿意地解決工程問題，故形成了以實(shí)驗(yàn)方法來制定經(jīng)驗(yàn)公式的“實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)”，但由于有些經(jīng)驗(yàn)公式缺乏理論基礎(chǔ)，使其應(yīng)用范圍狹窄，且無法繼續(xù)發(fā)展6第6頁，共35頁，2023年，2月20日，星期一3）從19世紀(jì)末起，人們將理論分析方法和實(shí)驗(yàn)分析方法相結(jié)合，以解決實(shí)際問題，同時(shí)古典流體力學(xué)和實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)的內(nèi)容也不斷更新變化，如提出了相似理論和量綱分析，邊界層理論和紊流理論等，在此基礎(chǔ)上，最終形成了理論與實(shí)踐并重的研究實(shí)際流體模型的現(xiàn)代流體力學(xué)。在20世紀(jì)60年代以后，由于計(jì)算機(jī)的發(fā)展與普及，流體力學(xué)的應(yīng)用更是日益廣泛。其它重要科學(xué)家有：李冰、達(dá)·芬奇流體力學(xué)最新進(jìn)展：電磁流體力學(xué)、兩相流體力學(xué)、超音速空氣動力學(xué)、高超音速空氣動力學(xué)7第7頁，共35頁，2023年，2月20日，星期一4、我國水利事業(yè)的歷史：4000多年前的“大禹治水”的故事——順?biāo)裕嗡氁龑?dǎo)和疏通秦朝在公元前256—前210年修建了我國歷史上的三大水利工程（都江堰、鄭國渠、靈渠）-明渠水流和堰流古代的計(jì)時(shí)工具“銅壺滴漏”——孔口出流清朝雍正年間，何夢瑤在《算迪》一書中提出流量等于過水?dāng)嗝婷娣e乘以斷面平均流速的計(jì)算方法。隋朝（公元587—610年）完成的南北大運(yùn)河隋朝工匠李春在冀中蛟河修建（公元605—617年）的趙州石拱橋——拱背的4個(gè)小拱，既減壓主拱的負(fù)載，又可宣泄洪水。8第8頁，共35頁，2023年，2月20日，星期一KeytowardsLearning數(shù)學(xué)模型的建立物理問題的提出數(shù)學(xué)問題的求解算例與應(yīng)用公式的討論formulationsolutiondiscussionapplicationEngineeringproject9第9頁，共35頁，2023年，2月20日，星期一5、學(xué)習(xí)流體力學(xué)所需基礎(chǔ)知識：流體力學(xué)在研究流體平衡和機(jī)械運(yùn)動規(guī)律時(shí)，要應(yīng)用物理學(xué)及理論力學(xué)中有關(guān)物理平衡及運(yùn)動規(guī)律的原理，如力系平衡定理、動量定理、動能定理，等等。所以物理學(xué)和理論力學(xué)的知識是學(xué)習(xí)流體力學(xué)課程必要的基礎(chǔ)。高等數(shù)學(xué)中場論也是必須的基礎(chǔ)。6、學(xué)習(xí)流體力學(xué)難點(diǎn)與對策：1）新概念多、抽象、不易理解主要概念匯總，多媒體輔助教學(xué)，結(jié)合實(shí)驗(yàn)觀察分析2）推演繁難分析各種推導(dǎo)要領(lǐng)，掌握通用的推導(dǎo)方法，如控制體法，理解思路，不要求對各個(gè)過程死記硬背3）偏微分方程（組）名目繁多。

僅要求部分掌握。重在理解物理意義，適用范圍、條件，主要求解方法。如對N-S方程，僅要求了解而已10第10頁，共35頁，2023年，2月20日，星期一《FluidMechanicswithEngineeringApplications》R.L.Daugherty,J.B.FranziniandE.J.Finnemore.8thEdition.NewYork:McGraw-HillBk.Co.《流體力學(xué)》魯仲奇主編高等教育出版社《流體力學(xué)》江宏俊等編高等教育出版社《FluidMechanics》V.L.StreeterandE.B.Wylie.9thEdition.McGraw-HillBk.Co.參考書：11第11頁，共35頁，2023年，2月20日，星期一考核方法、學(xué)習(xí)要求、答疑考核方法：1.平時(shí)考勤、作業(yè)成績占20％；2.期末考試占80％。學(xué)習(xí)要求：

1.重點(diǎn)掌握：基礎(chǔ)流體力學(xué)的基本概念、基本方程、基本應(yīng)用2.按時(shí)、獨(dú)立、認(rèn)真完成作業(yè)。作業(yè)要求畫圖，代入數(shù)據(jù)。答疑：1.隨時(shí)、隨地歡迎同學(xué)們交流；2.主樓F613熱工教研室； 3.Tel:61772472(O) 4.Email:lwy@12第12頁，共35頁，2023年，2月20日，星期一主要內(nèi)容：第一章流體及其物理性質(zhì)（1）流體力學(xué)的研究內(nèi)容、流體的力學(xué)定義（2）流體的連續(xù)介質(zhì)模型、不可壓縮模型、理想流體模型（3）流體的壓縮性、膨脹性、粘性（4）作用在流體上的力：表面力、質(zhì)量力13第13頁，共35頁，2023年，2月20日，星期一1、定義和特征：

力學(xué)定義：受任何微小剪切力都能連續(xù)變形的物質(zhì)。

流體只能承受壓力、但不能承受拉力與抵抗拉伸變形。

1-1

流體的定義、特征和連續(xù)介質(zhì)假設(shè)14第14頁，共35頁，2023年，2月20日，星期一按集態(tài)分類：液體和氣體

液體和氣體區(qū)別：壓縮性大小、體積有無

特征：流動性

自由表面(FreeSurface):氣體和液體的交界面

2、連續(xù)介質(zhì)模型：

微觀看，流體由分子組成，分子間存在間隙，流體并不連續(xù)分布；但只研究流體的宏觀機(jī)械運(yùn)動

流體微團(tuán)（流體質(zhì)點(diǎn)）作為最小研究對象：（1）宏觀上無限?。?）微觀上足夠大如在標(biāo)準(zhǔn)狀況下，1mm3液體中含有3.4×1019個(gè)左右的分子，1mm3氣體中含有2.7×1016個(gè)左右的分子，相鄰分子間的距離約為3.2×10-7cm15第15頁，共35頁，2023年，2月20日，星期一

連續(xù)介質(zhì)（continuum/continuousmedium）：流體質(zhì)點(diǎn)連續(xù)地充滿所占空間（3）有確定物理量

連續(xù)介質(zhì)假設(shè)(continuum/continuousmediummodel)：把流體視為沒有間隙地充滿所占據(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：f

=f(t,x,y,z)。

特例：分子的自由行程和所涉及的最小有效尺寸可以相比擬時(shí)，如火箭在高空非常稀薄的空氣中以及高真空技術(shù)16第16頁，共35頁，2023年，2月20日，星期一1、密度(Density)

定義：單位體積流體所具有的質(zhì)量

1-2

密度如流體體積V—>0，流體的質(zhì)量m，則在該點(diǎn)

如流體是均勻的流體，則流體的密度為

常用流體密度：一般取水的密度為1000kg/m3，水銀的密度為13600kg/m3，空氣為1.293kg/m3

17第17頁，共35頁，2023年，2月20日，星期一2、相對密度（比重）定義：流體的密度和4℃時(shí)水的密度的比值

3、流體的比容（比體積）4、混合氣體的密度——各組分氣體的密度——各組分氣體的體積百分含量18第18頁，共35頁，2023年，2月20日，星期一1、壓縮性（compressibility）一定溫度下、壓強(qiáng)增加體積縮小的性質(zhì)

壓縮系數(shù)（coefficientof

volumecompressibility）k：單位壓強(qiáng)增大體積的相對減小值

體積模量（bulkmodulusofelasticity）K：

壓縮系數(shù)的倒數(shù)1-3

壓縮性和膨脹性K和流體種類、t、p有關(guān)，工程中水近似取K=2.0GPa19第19頁，共35頁，2023年，2月20日，星期一2、膨脹性（Expansibility）一定壓強(qiáng)下、溫度升高體積增大的性質(zhì)

體脹系數(shù)

壓強(qiáng)不變，單位溫度增大流體體積的相對增加值20第20頁，共35頁，2023年，2月20日，星期一3、可壓縮流體和不可壓縮流體（compressiblefluid&incompressiblefluid）工程實(shí)際中是否考慮流體壓縮性，視具體情況：

不可壓縮流體模型：通常情況下液體

可壓縮流體：水擊現(xiàn)象（常數(shù)）

如空氣流速小于102m/s，煙道

流速不高、壓強(qiáng)變化小氣體產(chǎn)生激波（沖擊波）

吸收大量熱量的氣體，如爆炸

高速運(yùn)動的氣體，如音速附近21第21頁，共35頁，2023年，2月20日，星期一例

使水的體積減小0.1%及1%時(shí)，應(yīng)增大壓強(qiáng)各為多少？（K=2000MPa）

dV/V=-0.1%

p

=-2000×106×（-0.1%）=2×106Pa=2.0MPa

dV/V=-1%

p

=-2000×106×（-1%）=20MPa22第22頁，共35頁，2023年，2月20日，星期一1、粘性（Viscosity）

在運(yùn)動的狀態(tài)下，流體所產(chǎn)生的抵抗剪切變形的性質(zhì)

粘性流體內(nèi)摩擦實(shí)驗(yàn)1-4

粘性粘性流體內(nèi)摩擦實(shí)驗(yàn)示意m動力粘度，簡稱粘度。與流體的種類、t和p有關(guān)。單位為Pa·s

錄象1、錄象223第23頁，共35頁，2023年，2月20日，星期一2、牛頓內(nèi)摩擦定律單位面積上切向阻力，即切向應(yīng)力推廣到薄層，得

運(yùn)動流體所產(chǎn)生的切向應(yīng)力與速度梯度成正比，其比例系數(shù)為流體的動力粘度，適用于任意速度變化情況速度梯度也表示流體微團(tuán)角變形速度的大小24第24頁，共35頁，2023年，2月20日，星期一3、粘度（1）動力粘度m：又稱絕對粘度、動力粘性系數(shù)、粘度，反映流體粘性大小，單位：N?s/m2,Pa·s。

（2）影響粘度的因素：和種類、t和p有關(guān)

1）種類。一般，相同條件下，液體m大于氣體m

。2）p。對常見的流體，如水、氣體等，一般可忽略不計(jì)。

25第25頁，共35頁，2023年，2月20日，星期一

3）t。是影響粘度的主要因素。t升高，液體m減小，氣體m增加

原因：a.液體：分子間吸引力是產(chǎn)生m的主要因素，當(dāng)溫度升高，分子間距離增大，吸引力減小，所以m值減小。（3）運(yùn)動粘度：又稱相對粘度、運(yùn)動粘性系數(shù)。

b.氣體：氣體分子間距離大，m主要是由氣體分子運(yùn)動動量交換的結(jié)果所引起的。溫度升高，分子運(yùn)動加快，動量交換頻繁，所以m值增加。

26第26頁，共35頁，2023年，2月20日，星期一27第27頁，共35頁，2023年，2月20日，星期一28第28頁，共35頁，2023年，2月20日，星期一

非牛頓流體（non-newtonianfluids）：不符合上述條件的均稱為非牛頓流體。

牛頓流體（newtonianfluids）：是指任一點(diǎn)上的切應(yīng)力都同速度梯度呈線性函數(shù)關(guān)系的流體，即遵循牛頓內(nèi)摩擦定律的流體。4、牛頓流體和非牛頓流體牛頓流體：水、空氣、汽油、煤油、苯、乙醇擬塑性流體：紙漿膨脹性流體：油漆、油墨理想塑性流體：牙膏29第29頁，共35頁，2023年，2月20日，星期一5、粘性流體和理想流體

粘性流體（實(shí)際流體、realfluid、viscousfluid）：

理想流體模型（idealfluid）：

完全氣體（perfectgas）：

引入理想流體的意義：1）在粘性表現(xiàn)不出來的場合，完全可以當(dāng)作理想流體2）粘性不起主要作用場合，先不計(jì)粘性影響，后考慮根據(jù)試驗(yàn)做必要的修正3）粘性起主要作用場合，先研究理想流體流動，再研究粘性流體的流動30第30頁，共35頁，2023年，2月20日，星期一1、表面力（surfaceforce）毗鄰流體或其它物體作用在隔離體表面上的直接施加的接觸力

表面力按作用方向可分為：

法向力：垂直于作用面P切向力：平行于作用面T

應(yīng)力：單位表面積上的表面力單位：

法向應(yīng)力p：切向應(yīng)力：或Pa1-5作用在流體上的力31第31頁，共35頁，2023年，2月20日，星期一2、質(zhì)量力（massforce）是指作用于隔離體內(nèi)每一流體質(zhì)點(diǎn)上的力，它的大小與質(zhì)量成正比，在均勻流體中，質(zhì)量力與流體體積成正比，又稱體積力。單位為N

單位質(zhì)量力：單位質(zhì)量流體所受到的質(zhì)量力，單位：m/s2