01-緒論-山科課件

流體力學(xué)與流體機(jī)械

——流體力學(xué)主講：somebody聯(lián)系方式電話：電子信箱：辦公室：J8-306教材

教材流體力學(xué)與流體機(jī)械之《流體力學(xué)》

，張景松編著，高等學(xué)校教學(xué)用書，中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2010.12（第3版）主要參考書

黃衛(wèi)星，陳文梅主編，《工程流體力學(xué)》，北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2001

許賢良，陳慶光等編著.“十一五”高等學(xué)校（礦業(yè)）規(guī)劃教材《流體力學(xué)》，北京：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2007

孔瓏等主編，國(guó)家“九五”重點(diǎn)教材《流體力學(xué)》(I、II)，北京：高等教育出版社，2003.9

孔瓏主編，普通高等教育“十一五”規(guī)劃教材《工程流體力學(xué)》(第三版)，北京：中國(guó)電力出版社，2007.2

張兆順，崔桂香編著，《流體力學(xué)》，北京：清華大學(xué)出版社，1999

景思睿，張鳴遠(yuǎn)編著，《流體力學(xué)》，西安：西安交通大學(xué)出版社，2001FrankM.White,FluidMechanics,5thed.,McGraw-Hill,NewYork,2003

主要參考書課時(shí)安排授課學(xué)時(shí)36周一下午5，6節(jié)（第9周-第17周）周四下午5，6節(jié)（第9周-第17周）注意：周一教室：14-519

周四教室：14-419

采礦11-1,2,3紀(jì)律要求這門課程的學(xué)習(xí)和其它各個(gè)學(xué)科一樣，都需要大家認(rèn)真上課、聽講。嚴(yán)禁上課聊天、聽歌、打鬧等與課程內(nèi)容無(wú)關(guān)的活動(dòng)。上課關(guān)閉手機(jī)或改為靜音成績(jī)考核

該門課程屬于專業(yè)基礎(chǔ)課，必修課?？荚噧?nèi)容：（1）基礎(chǔ)知識(shí)（填空、簡(jiǎn)答、判斷）（2）知識(shí)運(yùn)用（計(jì)算題）最終成績(jī)=平時(shí)（30%）+卷面（70%）

第1章

流體及其物理性質(zhì)第2章

流體靜力學(xué)第3章

流體運(yùn)動(dòng)學(xué)第4章

流體動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)第5章粘性流體流動(dòng)及阻力

第6章能量損失及管路計(jì)算

總目錄EXITEXIT課程的主要內(nèi)容和基本要求

理解流體的主要物理性質(zhì)，特別是粘滯性和牛頓內(nèi)摩擦定律；理解連續(xù)介質(zhì)假設(shè)和流體質(zhì)點(diǎn)的概念；理解理想流體和實(shí)際流體、可壓縮流體和不可壓縮流體的概念。1緒論流體靜力學(xué)EXIT

掌握作用在流體上的質(zhì)量力、表面力的概念和表示方法。掌握流體靜壓強(qiáng)的概念及其特性，掌握流體靜壓強(qiáng)的計(jì)測(cè)和表示方法；掌握流體平衡微分方程，計(jì)算重力場(chǎng)中靜止流體壓強(qiáng)分布掌握流體的絕對(duì)和相對(duì)平衡；2流體運(yùn)動(dòng)學(xué)EXIT

了解描述流體運(yùn)動(dòng)的兩種方法，建立以流場(chǎng)的觀點(diǎn)描述流體運(yùn)動(dòng)的概念；理解流線和跡線的概念，掌握它們的微分方程及求解方法；了解流體微團(tuán)速度分解定理，會(huì)判斷流動(dòng)是否有旋；勢(shì)函數(shù)和流函數(shù)。3

流體動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)EXIT

掌握理想流體運(yùn)動(dòng)方程（歐拉方程）的推導(dǎo)過(guò)程，了解不可壓縮粘性流體運(yùn)動(dòng)方程（納維—斯托克斯方程），理解方程的物理意義；掌握理想流體運(yùn)動(dòng)方程—

歐拉方程的伯努利積分及其成立的條件，并會(huì)應(yīng)用伯努利積分。掌握流體運(yùn)動(dòng)的總流分析法，熟悉恒定總流條件下的連續(xù)方程、能量方程和動(dòng)量方程，并能綜合運(yùn)用計(jì)算總流問題。4粘性流體流動(dòng)及阻力EXIT

了解流動(dòng)的兩種流態(tài)（層流與紊流）及其判別，知道紊流的脈動(dòng)特性與時(shí)間平均的概念；知道圓管層流和紊流的斷面流速分布；牢固掌握確定圓管流動(dòng)沿程水頭損失系數(shù)和水頭損失的途徑和方法。5能量損失及管路計(jì)算EXIT

掌握短管、簡(jiǎn)單長(zhǎng)管水力計(jì)算；了解局部阻力系數(shù)水力計(jì)算方法；掌握沿程阻力系數(shù)水力計(jì)算方法。6EXIT第一章流體及其物理性質(zhì)EXIT§1—1課程概述

§1—2流體的概念§1—3流體的密度和重度§1—4流體的壓縮性與膨脹性§1—5流體的粘性

EXIT§1—1課程概述

流體力學(xué)的學(xué)科性質(zhì)流體力學(xué)的主要研究?jī)?nèi)容與流體力學(xué)相關(guān)的工程領(lǐng)域和學(xué)科流體力學(xué)的研究方法流體力學(xué)發(fā)展簡(jiǎn)史EXIT力學(xué)

一、流體力學(xué)的學(xué)科性質(zhì)研究對(duì)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(qiáng)調(diào)水是主要研究對(duì)象EXIT

1.流體在外力作用下，靜止與運(yùn)動(dòng)的規(guī)律；

2.流體與邊界的相互作用。二、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：飛機(jī)、船只等EXIT三、與流體力學(xué)相關(guān)的工程領(lǐng)域和學(xué)科海洋

土木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

流體力學(xué)EXIT

供水系統(tǒng)：開拓水渠；取水口布置；水的凈化與消毒；水泵選擇；水塔修建；管道設(shè)計(jì)。

公路橋梁：路基沉陷、崩塌、滑坡、排水；橋梁、涵洞修建。

土建施工：修建圍堰、基坑排水、污水排放。水力學(xué)問題舉例EXIT四、流體力學(xué)（水力學(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。基本假設(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EXIT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。

第一階段（16世紀(jì)以前）：流體力學(xué)形成的萌芽階段第二階段（16世紀(jì)文藝復(fù)興以后~18世紀(jì)中葉）流體力學(xué)成為一門獨(dú)立學(xué)科的基礎(chǔ)階段第三階段（18世紀(jì)中葉~19世紀(jì)末）流體力學(xué)沿著兩個(gè)方向發(fā)展——?dú)W拉、伯努利第四階段（19世紀(jì)末以來(lái)）流體力學(xué)飛躍發(fā)展五、流體力學(xué)發(fā)展簡(jiǎn)史第一階段（16世紀(jì)以前）：萌芽階段公元前2286年－公元前2278年大禹治水——疏壅導(dǎo)滯（洪水歸于河）公元前300多年李冰：都江堰——深淘灘，低作堰公元584年－公元610年隋朝南北大運(yùn)河、船閘應(yīng)用；埃及、巴比倫、羅馬、希臘、印度等地水利、造船、航海產(chǎn)業(yè)發(fā)展。系統(tǒng)研究古希臘哲學(xué)家阿基米德《論浮體》（公元前250年）奠定了流體靜力學(xué)的基礎(chǔ)。第二階段（16世紀(jì)文藝復(fù)興后-18世紀(jì)中葉）-基礎(chǔ)階段1586年斯蒂芬——水靜力學(xué)原理1650年帕斯卡——“帕斯卡原理”1612年伽利略——物體沉浮的基本原理1686年牛頓——牛頓內(nèi)摩擦定律1738年伯努利——理想流體的運(yùn)動(dòng)方程的積分——伯努利方程1775年歐拉——理想流體的運(yùn)動(dòng)微分方程——?dú)W拉運(yùn)動(dòng)方程第三階段(18世紀(jì)中葉-19世紀(jì)末工程技術(shù)快速發(fā)展，提出很多經(jīng)驗(yàn)公式

1769年謝才——謝才公式（計(jì)算流速、流量）

1895年曼寧——曼寧公式（計(jì)算謝才系數(shù)）

1732年畢托——畢托管（測(cè)流速）

1797年文丘里——文丘里管（測(cè)流量）理論

1823年納維，1845年斯托克斯分別提出粘性流體運(yùn)動(dòng)方程組（N-S方程）第四階段（19世紀(jì)末以來(lái)）流體力學(xué)飛躍發(fā)展理論分析與試驗(yàn)研究相結(jié)合量綱分析和相似性原理起重要作用

1883年雷諾——雷諾實(shí)驗(yàn)(判斷流態(tài))

1903年普朗特——邊界層概念(繞流運(yùn)動(dòng))

1933-1934年尼古拉茲——尼古拉茲實(shí)驗(yàn)(確定阻力系數(shù))流體力學(xué)與相關(guān)的鄰近學(xué)科相互滲透，形成了很多新的分支和交叉學(xué)科.六、單位制自然界物質(zhì)存在的主要形態(tài)：固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)、等離子態(tài)、玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)、費(fèi)米子凝聚態(tài)。一.流體的定義流體與固體的區(qū)別具有流動(dòng)性的物體（即能夠流動(dòng)的物體）。流體包括氣體和液體。

固體的變形與受力的大小成正比；

任何微小的剪切力都會(huì)使流體發(fā)生連續(xù)不斷的變形——

流動(dòng)。§1—2流體的概念液體與氣體的區(qū)別二.流體的特征

液體的流動(dòng)性小于氣體；

液體具有固定的體積，并取決于容器的形狀；而氣體充滿任何容器，無(wú)固定體積。流動(dòng)性--在任意微小剪切力作用下都會(huì)發(fā)生連續(xù)變形的特性。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)。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)運(yùn)動(dòng)時(shí)，才能抵抗剪切變形。EXIT流體在靜止時(shí)不能承受剪切力，抵抗剪切變形。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?。ㄅc彈性體的不同之處）。EXIT二、流體質(zhì)點(diǎn)概念和連續(xù)介質(zhì)假設(shè)1mm3空氣2.7×1016個(gè)分子(1個(gè)大氣壓，00C)流體質(zhì)點(diǎn)概念

宏觀（流體力學(xué)處理問題的尺度）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。EXIT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。

連續(xù)介質(zhì)假設(shè)將流體區(qū)域看成由流體質(zhì)點(diǎn)連續(xù)組成，占滿空間而沒有間隙，其物理特性和運(yùn)動(dòng)要素在空間是連續(xù)分布的。EXIT

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ΔV，質(zhì)量為Δm，則流體質(zhì)點(diǎn)密度為

其中ΔV0

的含義應(yīng)理解為流體微團(tuán)趨于流體質(zhì)點(diǎn)。

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)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)。§1—3

流體的密度和重度密度的定義：?jiǎn)挝惑w積流體所具有的質(zhì)量。密度的單位：kg/m3

。

幾種常見流體的密度：

水——1000kg/m3

空氣——1.23kg/m3

水銀——136000kg/m3均勻流體的密度：重度的定義：重度的單位：

N/m3

2.流體的相對(duì)密度流體的密度與4oC時(shí)水的密度的比值。

式中，f

——流體的密度，kg/m3；

w——4oC時(shí)水的密度kg/m3。3.流體的比容單位質(zhì)量流體所占有的體積，即流體密度的倒數(shù)。單位：m3/kgEXITVV-ΔVpp+Δp

流體能承受壓力，在受外力壓縮變形時(shí)，體積縮小，密度加大，并產(chǎn)生內(nèi)力（彈性力）予以抵抗，在撤除外力后恢復(fù)原狀，流體的這種性質(zhì)稱為壓縮性。

壓縮系數(shù):單位壓力增加所引起的體積相對(duì)變化量。

稱為體積彈性系數(shù)。E越大，越不易被壓縮壓縮性§1—4流體的壓縮性和膨脹性EXITTT+ΔTVV+ΔV

將相對(duì)體積膨脹值

dVV

與溫度增量dT之比值稱為體積膨脹系數(shù)。V

越大，越易膨脹。膨漲性

流體受熱，體積膨脹，密度減小，當(dāng)溫度下降后能恢復(fù)原狀，流體的這種性質(zhì)稱為膨脹性。EXIT

液體的壓縮性和膨脹性都很小。例如，壓強(qiáng)每升高一個(gè)大氣壓，水的密度約增加0.5/10000；常溫下，溫度每升高10C，水的密度約減小1.5/10000。氣體具有顯著的壓縮性和膨脹性。液體和氣體的壓縮性和膨漲性通常情況下，氣體的密度隨壓力和溫度的變化很明顯。對(duì)于實(shí)際氣體，當(dāng)壓力不大于10Mpa時(shí)，遵循理想氣體（idealgas）狀態(tài)方程：式中：ρ—?dú)怏w的密度

T—熱力學(xué)溫度

R—?dú)怏w常數(shù)

p—絕對(duì)壓力例1－1壓縮性問題——壓縮系數(shù)計(jì)算厚壁容器中盛有的水，初始?jí)毫楫?dāng)壓力增至?xí)r，問水的體積減小了多少？

。解：取水的彈性模數(shù)

粘性的定義流體內(nèi)部各流體微團(tuán)之間發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，流體內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生摩擦力（即粘性力）的性質(zhì)。流體層間發(fā)生相對(duì)滑移運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生切向力的性質(zhì)。

理想流體分子間無(wú)引力，故沒有黏性。

靜止的流體因?yàn)闆]有相對(duì)運(yùn)動(dòng)而不表現(xiàn)出黏性。

流體粘性實(shí)驗(yàn)§1—5流體的粘性（viscosity）牛頓內(nèi)摩擦定律牛頓平板剪切流動(dòng)實(shí)驗(yàn)當(dāng)h和u不是很大時(shí)，兩平板間沿y方向的流速呈線性分布牛頓內(nèi)摩擦定律實(shí)驗(yàn)表明，對(duì)于大多數(shù)流體（一維、層流、牛頓流體），存在引入比例系數(shù)μ，得兩層流體間內(nèi)摩擦應(yīng)力（剪應(yīng)力）：——速度梯度，1/s;——剪切變形率，rad/s;——單位面積上的內(nèi)摩擦力，動(dòng)力粘度，Pas。由牛頓內(nèi)摩擦定律可得到如下結(jié)論:

粘性切應(yīng)力與速度梯度成正比；

粘性切應(yīng)力與角變形速率成正比；

比例系數(shù)μ表征了流體粘性的動(dòng)力學(xué)特性，稱為動(dòng)力粘度。動(dòng)力粘度（dynamicviscosity）:表示單位速度梯度下流體內(nèi)摩擦應(yīng)力的大小，它直接反映了流體粘性的大小。

運(yùn)動(dòng)粘度（kinematicviscosity）

粘性的表示方法及其單位

單位：（Ns/m2

或Pas）注：油液的牌號(hào)是以＝40℃時(shí)運(yùn)動(dòng)黏度的數(shù)學(xué)期望值命名的。如20號(hào)油液，在40℃時(shí)運(yùn)動(dòng)黏度的期望值為20mm2/s。

恩氏黏度（EnglerDegrees）

恩氏黏度是指200ml的某溫度下的液體從恩氏黏度計(jì)（=2.8mm小孔）流出的時(shí)間，與200ml的20℃蒸餾水流出恩氏黏度計(jì)的時(shí)間的比值。

粘度的影響因素

溫度對(duì)流體粘度的影響很大

壓力對(duì)流體粘度的影響不大，一般忽略不計(jì)液體：分子內(nèi)聚力是產(chǎn)生粘度的主要因素。溫度↑→分子間距↑→分子吸引力↓→內(nèi)摩擦力↓→粘度↓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↑→粘度↑

EXIT液體以此為主氣體以此為主

運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù)

具有運(yùn)動(dòng)學(xué)量綱。

注意今后在談及粘性系數(shù)時(shí)一定指明當(dāng)時(shí)的溫度。

形成牛頓內(nèi)摩擦力物理機(jī)理①分子間的吸引力②分子運(yùn)動(dòng)引起流體層間的動(dòng)量交換

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。EXIT

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。牛頓流體理想賓漢流體理想流體偽塑性流體膨脹性流體o

對(duì)于非牛頓流體，切應(yīng)力

和剪切（角）變形速率之間的關(guān)系不是正比例關(guān)系。牛頓流體與非牛頓流體例2同心環(huán)形縫隙運(yùn)動(dòng)如圖所示，直徑為d的軸回轉(zhuǎn)角速度為，軸套長(zhǎng)度為L(zhǎng)，間隙為，油液黏度為μ，研究軸表面上的摩擦力、軸的摩擦矩