工程流體力學(xué)第一章

工程流體力學(xué)第一章第1頁，課件共88頁，創(chuàng)作于2023年2月緒論

流體靜力學(xué)231流體運動學(xué)基礎(chǔ)目錄理想流體動力學(xué)基礎(chǔ)45流體運動阻力與損失第2頁，課件共88頁，創(chuàng)作于2023年2月課程地位工程流體力學(xué)是一門重要的專業(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)知識的鞏固與提高，培養(yǎng)分析、解決實際問題的能力，為專業(yè)課程的學(xué)習(xí)打下堅實基礎(chǔ)。數(shù)理、力學(xué)基礎(chǔ)課程流體力學(xué)專業(yè)基礎(chǔ)課程學(xué)科有關(guān)專業(yè)課程第3頁，課件共88頁，創(chuàng)作于2023年2月第1章緒論

§1-1流體概述

§1-2流體及連續(xù)介質(zhì)假設(shè)

§1-3流體的主要物理性質(zhì)

§1-4流體的粘性

§1-5作用在流體上的力第4頁，課件共88頁，創(chuàng)作于2023年2月本章主要闡述了流體力學(xué)的概念與發(fā)展簡史；流體力學(xué)的概述與應(yīng)用；流體力學(xué)課程的性質(zhì)、目的、基本要求；流體力學(xué)的研究方法及流體的主要物理性質(zhì)。流體的連續(xù)介質(zhì)模型是流體力學(xué)的基礎(chǔ)，在此假設(shè)的基礎(chǔ)上引出了理想流體與實際流體、可壓縮流體與不可壓縮流體、牛頓流體與非牛頓流體概念。內(nèi)容提要第5頁，課件共88頁，創(chuàng)作于2023年2月§1.1流體概述自然界物質(zhì)存在的主要形態(tài)：流體與固體的區(qū)別具有流動性的物體（即能夠流動的物體）。液體和氣體是流體——是流體力學(xué)的研究對象固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)固體的變形與受力的大小成正比；任何一個微小的剪切力都能使流體發(fā)生連續(xù)的變形。液體與氣體的區(qū)別液體的流動性小于氣體；液體具有一定的體積，并取容器的形狀；氣體充滿任何容器，而無一定體積。第6頁，課件共88頁，創(chuàng)作于2023年2月§1.1

流體概述自然界物質(zhì)存在的主要形態(tài)：流體與固體的區(qū)別具有流動性的物體（即能夠流動的物體）。液體和氣體是流體——是流體力學(xué)的研究對象固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)固體的變形與受力的大小成正比；任何一個微小的剪切力都能使流體發(fā)生連續(xù)的變形。液體與氣體的區(qū)別液體的流動性小于氣體；液體具有一定的體積，并取容器的形狀；氣體充滿任何容器，而無一定體積。第7頁，課件共88頁，創(chuàng)作于2023年2月§1.1

概述指具有流動性且自身不能保持一定形狀的物體，如氣體和液體。流體流動即流體受切應(yīng)力時產(chǎn)生的變形流體力學(xué)是研究流體平衡和運動規(guī)律的一門科學(xué)，是力學(xué)的一個重要分支。第8頁，課件共88頁，創(chuàng)作于2023年2月§1.1

概述研究流體平衡和運動的力學(xué)規(guī)律及其在工程技術(shù)中的實際應(yīng)用的一門科學(xué)，是力學(xué)的一個重要分支。流體力學(xué)主要應(yīng)用生物醫(yī)學(xué)航空航天海洋工程地球物理自來水汽車工廠第9頁，課件共88頁，創(chuàng)作于2023年2月§1.1

概述1.高爾夫球的表面是光滑還是粗糙？最早的高爾夫球（皮革已龜裂）起初，人們認(rèn)為表面光滑的球飛行阻力小，因此當(dāng)時用皮革制球。

后來發(fā)現(xiàn)表面有很多劃痕的舊球反而飛得更遠(yuǎn)。這個謎直到20世紀(jì)建立流體力學(xué)邊界層理論后才解開?，F(xiàn)在的高爾夫球表面有許多窩，在同樣大小和重量下，飛行距離為光滑球的5倍。第10頁，課件共88頁，創(chuàng)作于2023年2月§1.1

概述2.汽車阻力是來自前部還是后部？汽車發(fā)明于19世紀(jì)末。當(dāng)時人們認(rèn)為汽車高速前進時的阻力主要來自車前部對空氣的撞擊。因此早期的汽車后部是陡峭的，稱為箱型車，阻力系數(shù)CD很大，約0.8。

第11頁，課件共88頁，創(chuàng)作于2023年2月§1.1

概述2.汽車阻力是來自前部還是后部？實際上，汽車阻力主要取決于后部形成的尾流。20世紀(jì)30年代起，人們開始運用流體力學(xué)原理，改進了汽車的尾部形狀，出現(xiàn)了甲殼蟲型，阻力系數(shù)下降至0.6。50～60年代又改進為船型，阻力系數(shù)為0.45。80年代經(jīng)風(fēng)洞實驗系統(tǒng)研究后，進一步改進為魚型，阻力系數(shù)為0.3。后來又出現(xiàn)楔型，阻力系數(shù)為0.2。

90年代以后，科研人員研制開發(fā)了氣動性能更優(yōu)良的未來型汽車，阻力系數(shù)僅為0.137。

目前在汽車外形設(shè)計中，流體力學(xué)性能研究已占主導(dǎo)地位，合理的外形使汽車具有更好的動力學(xué)性能和更低的耗油率。

第12頁，課件共88頁，創(chuàng)作于2023年2月§1.1

概述3.機翼升力來自上部還是下部？人們的直觀印象是空氣從下面沖擊著鳥的翅膀，把鳥托在空中。19世紀(jì)初流體力學(xué)環(huán)流理論徹底改變了人們的傳統(tǒng)觀念。足球運動的香蕉球現(xiàn)象可以幫助理解環(huán)流理論：旋轉(zhuǎn)的球帶動空氣形成環(huán)流，一側(cè)氣流加速，另一側(cè)減速，形成壓力差，使足球拐彎，稱為馬格努斯效應(yīng)。

機翼的特殊形狀使它不用旋轉(zhuǎn)就能產(chǎn)生環(huán)流，上部流速加快形成吸力，下部流速減慢形成壓力。測量和計算表明上部吸力的貢獻比下部要大。

第13頁，課件共88頁，創(chuàng)作于2023年2月流體力學(xué)的萌芽，是自距今約2250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。他對靜止時的液體力學(xué)性質(zhì)作了第一次科學(xué)總結(jié)。

1650年，巴斯卡提出了液體中壓力傳遞定律。流體力學(xué)的主要發(fā)展是從牛頓時代開始的，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、波浪運動等內(nèi)容，使流體力學(xué)開始成為力學(xué)中的一個獨立分支。此后，流體力學(xué)的發(fā)展主要經(jīng)歷了三個階段：

§1.1.1

流體力學(xué)發(fā)展歷史1.萌芽期：2.發(fā)展期：

第14頁，課件共88頁，創(chuàng)作于2023年2月

奠基人是瑞士數(shù)學(xué)家伯努利(Bernoulli，D．)和他的親密朋友歐拉(Euler，L.)。1738年，伯努利推導(dǎo)出了著名的伯努利方程，歐拉于1755年建立了理想流體運動微分方程，以后納維(Navier,C.H.)和斯托克斯(Stokes，G．G．)建立了粘性流體運動微分方程。拉格朗日（Lagrange）、拉普拉斯(Laplace)和高斯(Gosse)等人，將歐拉和伯努利所開創(chuàng)的新興的流體動力學(xué)推向完美的分析高度。古典流體力學(xué)階段：§1.1.1

流體力學(xué)發(fā)展歷史伯努利歐拉第15頁，課件共88頁，創(chuàng)作于2023年2月依靠實驗和實測資料形成

雷諾(Reynolds，O.)

1904年普朗特(Prandtl，L.)提出了劃時代的邊界層理論，開創(chuàng)理論與實踐并重的現(xiàn)代流體力學(xué)階段

實驗流體力學(xué)階段：現(xiàn)代流體力學(xué)階段：§1.1.1

流體力學(xué)發(fā)展歷史第16頁，課件共88頁，創(chuàng)作于2023年2月我國水利學(xué)的發(fā)展

4000多年前的“大禹治水”的故事

—

順?biāo)?，治水須引?dǎo)和疏通。秦朝在公元前256—公元前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、堰流。古代的計時工具“銅壺滴漏”——孔口出流。隋朝（公元587—610年）完成的南北大運河。隋朝工匠李春在冀中洨河修建（公元605—617年）的趙州石拱橋——拱背的4個小拱，既減壓主拱的負(fù)載，又可宣泄洪水。流體具有明顯的流動性；氣體的流動性大于液體。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算方法?！?.1.1

流體力學(xué)發(fā)展歷史第17頁，課件共88頁，創(chuàng)作于2023年2月§1.1.2

流體力學(xué)研究對象流體液體氣體研究流體中大量分子的宏觀平均運動規(guī)律，而不考慮其具體的分子運動第18頁，課件共88頁，創(chuàng)作于2023年2月§1.1.3

研究的任務(wù)

1

2

3

4建立描述流體運動的基本方程（其運動有何規(guī)律）確定流體流經(jīng)各種通道及繞流各種不同物體時速度及壓強的分布規(guī)律探求能量轉(zhuǎn)換機各種阻力損失的計算方法解決流體與限制其流動固體壁之間的相互作用問題第19頁，課件共88頁，創(chuàng)作于2023年2月流體力學(xué)是力學(xué)的一個獨立分支，是一門研究流體的平衡和流體機械運動規(guī)律及其實際應(yīng)用的技術(shù)科學(xué)。流體力學(xué)§1.1.4

流體力學(xué)的分類按研究對象分液體力學(xué)氣體力學(xué)第20頁，課件共88頁，創(chuàng)作于2023年2月§1.1.4

分類與研究內(nèi)容按研究內(nèi)容側(cè)重方面分理論流體力學(xué)（流體力學(xué)）工程流體力學(xué)（應(yīng)用流體力學(xué)）高等數(shù)學(xué)知識偏重于數(shù)理分析屬于基礎(chǔ)學(xué)科范疇準(zhǔn)確、嚴(yán)密常用簡化方法以及平均值觀念相同點：都需借助實驗研究，得出經(jīng)驗或半經(jīng)驗公式。工程流體力學(xué)研究流體靜止和運動的力學(xué)規(guī)律及其在工程技術(shù)上的應(yīng)用的一門學(xué)科。第21頁，課件共88頁，創(chuàng)作于2023年2月力學(xué)流體力學(xué)（水力學(xué)）的學(xué)科性質(zhì)研究對象力學(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)強調(diào)水是主要研究對象比較偏重于工程應(yīng)用土建類專業(yè)常用第22頁，課件共88頁，創(chuàng)作于2023年2月流體力學(xué)（水力學(xué)）的主要研究內(nèi)容固定邊界：水工建筑物、河床、海洋平臺等運動邊界：飛機、船只等研究內(nèi)容①流體在外力作用下，靜止與運動的規(guī)律；②流體與邊界的相互作用。第23頁，課件共88頁，創(chuàng)作于2023年2月流體力學(xué)采礦

水利航空航天交通土建

環(huán)境

氣象

石油化工

機械冶金

生物

空氣和水是地球上廣泛存在的物質(zhì)，所以與流體運動關(guān)聯(lián)的力學(xué)問題是很普遍的。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，對工科專業(yè)來講，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24頁，課件共88頁，創(chuàng)作于2023年2月流體力學(xué)在工程中的應(yīng)用船舶運動浮標(biāo)

海洋平臺

潛器

地效翼艇（WIG）航空航天航海

第25頁，課件共88頁，創(chuàng)作于2023年2月流體力學(xué)在工程中的應(yīng)用能源動力發(fā)動機四沖程WindTurbine第26頁，課件共88頁，創(chuàng)作于2023年2月飛機發(fā)動機蒸汽機車能源動力第27頁，課件共88頁，創(chuàng)作于2023年2月楊浦大橋節(jié)能型建筑能源動力第28頁，課件共88頁，創(chuàng)作于2023年2月氣象云圖龍卷風(fēng)氣象科學(xué)第29頁，課件共88頁，創(chuàng)作于2023年2月環(huán)境控制污水凈化設(shè)備模型電廠冷卻塔第30頁，課件共88頁，創(chuàng)作于2023年2月生物仿生學(xué)信天翁滑翔

應(yīng)用廣泛已派生出很多新的分支:電磁流體力學(xué)、生物流體力學(xué)化學(xué)流體力學(xué)、地球流體力學(xué)高溫氣體動力學(xué)、非牛頓流體力學(xué)爆炸力學(xué)、流變學(xué)、計算流體力學(xué)等第31頁，課件共88頁，創(chuàng)作于2023年2月排球足球網(wǎng)球游泳賽艇鐵餅高爾夫球賽跑賽車標(biāo)槍乒乓球羽毛球大部分競技體育項目與流體力學(xué)有關(guān)

第32頁，課件共88頁，創(chuàng)作于2023年2月水、氣流動的基本規(guī)律環(huán)境工程中的通風(fēng)、通水燃燒中的空氣動力學(xué)污染物在大氣中的擴散環(huán)境工程專業(yè)中的流體力學(xué)問題：第33頁，課件共88頁，創(chuàng)作于2023年2月城市防洪工程設(shè)計、城市給排水管網(wǎng)設(shè)計水塔高度的計算、水泵的選擇等熱的供應(yīng)、空氣的調(diào)節(jié)、燃?xì)獾妮斉渑哦境凉?、除塵降溫的計算等室內(nèi)給排水設(shè)計、地基降水和抗?jié)B設(shè)計橋涵孔徑水力設(shè)計、隧道地下工程的通風(fēng)等土木工程專業(yè)中的流體力學(xué)問題：第34頁，課件共88頁，創(chuàng)作于2023年2月通風(fēng)系統(tǒng)工程設(shè)計、通風(fēng)管網(wǎng)設(shè)計供、排水系統(tǒng)的設(shè)計、排水泵的選擇等壓氣的供應(yīng)、壓氣的輸配充填系統(tǒng)的設(shè)計、充填料的選擇、輸運選礦廠中的應(yīng)用采礦工程專業(yè)中的流體力學(xué)問題：第35頁，課件共88頁，創(chuàng)作于2023年2月§1.1.5

流體力學(xué)的研究步驟“實踐—理論—實踐”（1）對自然界和生產(chǎn)實踐中出現(xiàn)的流體力學(xué)現(xiàn)象進行觀察、研究，從中找出共性問題，作為研究課題。（2）建立模型，對自然現(xiàn)象和實際問題進行研究、認(rèn)識，從中找出主要因素，忽略次要因素，建立抽象的數(shù)學(xué)模型。（3）對數(shù)學(xué)模型進行理論分析和實驗研究，總結(jié)并驗證基本規(guī)律，形成理論。（4）從得到的基本理論去指導(dǎo)和預(yù)言實踐，并在實踐中檢驗、修正理論，使其完善。第36頁，課件共88頁，創(chuàng)作于2023年2月

理論分析、實驗研究和數(shù)值計算相結(jié)合。三個方面是互相補充和驗證，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

理論分析數(shù)值計算

實驗研究

數(shù)學(xué)模型

數(shù)值模型

數(shù)值解

模型試驗

量測數(shù)據(jù)

換算到原型§1.1.6

流體力學(xué)的研究方法（一)理論方法：分析問題的主次因素提出適當(dāng)?shù)募僭O(shè)，抽象出理論模型，運用數(shù)學(xué)工具尋求流體運動的普遍規(guī)律。（三)實驗方法：將實際流動問題概括為相似的實驗?zāi)Ｐ停ǘ?計算方法：根據(jù)理論分析與實驗觀測擬定計算方案，編程輸入計算機第37頁，課件共88頁，創(chuàng)作于2023年2月優(yōu)勢局限理論分析對流動機理解析表達，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。

實驗研究

（模型試驗）直接測量流動參數(shù)，找到經(jīng)驗性規(guī)律。

成本高，對量測技術(shù)要求高，不易改變工況，存在比尺效應(yīng)。

數(shù)值計算擴大理論求解范圍，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，存在計算誤差。

§1.1.6

流體力學(xué)的研究方法第38頁，課件共88頁，創(chuàng)作于2023年2月§1.1.7

單位制簡介單位：度量物理量的標(biāo)準(zhǔn)?；締挝唬耗承┪锢砹康膯挝皇仟毩⒌摹＃?）長度米m

（2）質(zhì)量千克kg

（3）時間秒s

（4）電流強度安培（安）A

（5）熱力學(xué)溫度開爾文（開）K

（6）物質(zhì)的量摩爾mol

（7）發(fā)光強度坎德拉（坎）cd

輔助單位（1）平面角弧度rad

（2）立體角球面度sr

導(dǎo)出單位：有些物理量單位可以通過基本單位組合而成。第39頁，課件共88頁，創(chuàng)作于2023年2月§1.1.7

單位制簡介本教材主要采用法定計量單位——國際單位制“SI”制第40頁，課件共88頁，創(chuàng)作于2023年2月§1.2

流體及其連續(xù)介質(zhì)假定物質(zhì)的三個基本定律①由大量分子（原子）組成②分子不斷做隨機熱運動③分子與分子之間存在的分子力的作用物質(zhì)的這三個基本屬性，表現(xiàn)在氣體、液體和固體方面卻有著量和質(zhì)的差別。同體積內(nèi)的分子數(shù)氣體＜液體＜固體同分子距上的分子力氣體＜液體＜固體第41頁，課件共88頁，創(chuàng)作于2023年2月有無固定的體積？能否形成

自由表面？是否容易

被壓縮？流體氣體無否易液體有能不易呈現(xiàn)流動性？

流體固體這些微觀差異的宏觀表象，即液體、氣體與固體的區(qū)別§1.2

流體及其連續(xù)介質(zhì)假定第42頁，課件共88頁，創(chuàng)作于2023年2月

流體具有以下特征流體幾乎不能承受拉力，但可以承受壓力宏觀平衡的流體不能承受剪切力，任何微小剪切力都會導(dǎo)致流體連續(xù)無休止的變形，平衡破壞，產(chǎn)生流動，直到剪切力消失為止。流體具有可壓縮性；液體可壓縮性小，水受壓從1個大氣壓增加至100個大氣壓時，體積僅減小0.5%；氣體可壓縮性大。流體具有明顯的流動性；氣體的流動性大于液體。氣體充滿整個空間，而液體存在著自由表面?！?.2

流體及其連續(xù)介質(zhì)假定第43頁，課件共88頁，創(chuàng)作于2023年2月§1.2.1

流體質(zhì)點（流體微團）微觀上：流體分子距離的存在以及分子運動的隨機性使得流體的各物理量在時間和空間上的分布都是不連續(xù)的。宏觀上：當(dāng)所討論問題的特征尺寸遠(yuǎn)大于流體的分子平均自由程時，可將流體視為在時間和空間連續(xù)分布的函數(shù)。

問題的提出第44頁，課件共88頁，創(chuàng)作于2023年2月§1.2.1

流體質(zhì)點（流體微團）個分子

1mm3空氣(1個大氣壓，00C)宏觀（流體力學(xué)處理問題的尺度）上看，流體質(zhì)點足夠小，只占據(jù)一個空間幾何點，體積趨于零。微觀（分子自由程的尺度）上看，流體質(zhì)點是一個足夠大的分子團，包含了足夠多的流體分子，以致于對這些分子行為的統(tǒng)計平均值將是穩(wěn)定的，作為表征流體物理特性和運動要素的物理量定義在流體質(zhì)點上。流體質(zhì)點概念第45頁，課件共88頁，創(chuàng)作于2023年2月§1.2.1

流體質(zhì)點（流體微團）流體質(zhì)點的特點宏觀尺寸非常小所占據(jù)的宏觀體積極限為零微觀尺寸足夠大所占微觀體積大于流體分子的數(shù)量級3.含有足夠多分子的物理實體具有質(zhì)量、密度、溫度、壓強……4.

形狀可以任意劃分質(zhì)點間可無間隙第46頁，課件共88頁，創(chuàng)作于2023年2月§1.2.1

流體質(zhì)點（流體微團）第47頁，課件共88頁，創(chuàng)作于2023年2月問題的提出流體質(zhì)點的運動過程是連續(xù)的；表征流體的一切特性可看成是時間和空間連續(xù)分布的函數(shù)流體介質(zhì)是由連續(xù)的流體質(zhì)點所組成，流體質(zhì)點占

滿空間而沒有間隙?！?.2.2

流體連續(xù)介質(zhì)假定1753年歐拉連續(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。第48頁，課件共88頁，創(chuàng)作于2023年2月(1)可用連續(xù)性函數(shù)B(x,y,z,t)描述流體質(zhì)點物理量的空間分布和時間變化；(2)由物理學(xué)基本定律建立流體運動微分或積分方程，并用連續(xù)函數(shù)理論求解方程。特例航天器在高空稀薄的空氣中的運行血液在毛細(xì)血管中的流動§1.2.2

流體連續(xù)介質(zhì)假定第49頁，課件共88頁，創(chuàng)作于2023年2月

慣性與密度萬有引力特性壓縮性和膨脹性§1.3

流體的主要物理性質(zhì)第50頁，課件共88頁，創(chuàng)作于2023年2月△V→0的理解，流體微團/流體質(zhì)點的概念§1.3.1慣性與密度慣性是指物體具有反抗改變其原有運動狀態(tài)的一種性質(zhì)。（物體維持原有狀態(tài)的特性）慣性表征量：密度單位體積流體所具有的的質(zhì)量。[ML-3];kg/m3對于均質(zhì)流體:對于非均質(zhì)流體:第51頁，課件共88頁，創(chuàng)作于2023年2月一般情況下：ρ=常數(shù)對氣體:對液體:

4℃水的密度ρ=1000kg/m3

水銀的密度ρp=13600kg/m30℃空氣的密度ρ=1.29kg/m3§1.3.1慣性與密度第52頁，課件共88頁，創(chuàng)作于2023年2月§1.3.1慣性與密度大小等于運動流體的質(zhì)量與其加速度的乘積；方向與流體運動加速度方向相反。慣性力直線運動:曲線運動：表征量：比容單位質(zhì)量流體所占據(jù)的空間體積。密度的倒數(shù)。

m3/kg第53頁，課件共88頁，創(chuàng)作于2023年2月對于均質(zhì)流體:

對于非均質(zhì)流體，各點的重度不同：

γ=ρg地球?qū)ξ矬w的吸引力重力特性表征量：容重單位體積流體的重量

4℃水的容重γ=9807N/m3。水銀的容重γ=133326N/m3?！?.3.2萬有引力特性第54頁，課件共88頁，創(chuàng)作于2023年2月表征量：比重也稱相對密度，某均值流體的重量與4℃同體積純水重量的比值稱為流體的比重。ε在使用密度和重度中應(yīng)注意：

（1）在SI制中，不使用重度的概念，通常以ρg表示γ；（2）因重力加速度g因地而異，故γ隨所處的位置而變化；（3）ρ和γ均為壓強和溫度的函數(shù)?！?.3.2萬有引力特性第55頁，課件共88頁，創(chuàng)作于2023年2月課堂練習(xí)1.試推算下述兩個換算關(guān)系式（1）壓強換算關(guān)系式：（2）功率換算關(guān)系式：第56頁，課件共88頁，創(chuàng)作于2023年2月§1.3.3流體的壓縮性及膨脹性

流體能承受壓力，在受外力壓縮變形時，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-ΔVpp+Δp壓縮性由于流體內(nèi)部分子之間存在間隙，使得流體密度是溫度和壓強的函數(shù)，即流體所占據(jù)的體積將隨壓強、溫度的變化而變化。第57頁，課件共88頁，創(chuàng)作于2023年2月壓縮性表征量β越大，流體越易壓縮；可壓縮性大；抵抗壓縮的能力越差①體積壓縮系數(shù)

:液體的質(zhì)量一定，當(dāng)溫度保持不變，所受壓強改變時，其體積的相對變化率。Pa-1§1.3.3流體的壓縮性及膨脹性式中引入負(fù)號，是β值為正，便于記憶和計算。第58頁，課件共88頁，創(chuàng)作于2023年2月Pa壓縮性表征量K越大，流體越不易壓縮；可壓縮性??；抵抗壓縮的能力越強②體積彈性模量

:體積壓縮系數(shù)的倒數(shù)§1.3.3流體的壓縮性及膨脹性流體種類不同，β和K的值不同。同一種流體的β值和K值也隨溫度和壓強而改變，但在一般狀態(tài)下變化不大，可視為常數(shù)。第59頁，課件共88頁，創(chuàng)作于2023年2月§1.3.3流體的壓縮性及膨脹性流體的體積隨溫度變化而變化的屬性稱為流體的膨脹性。膨脹性℃-1膨脹性表征量①體積膨脹系數(shù)

:體膨脹系數(shù)也隨種類、溫度和壓力而變化。通常液體的體膨脹系數(shù)很小，氣體的體膨脹系數(shù)很大。第60頁，課件共88頁，創(chuàng)作于2023年2月水和其它液體可視為不可壓縮流體，即ρ=常數(shù)

特例：水擊、熱水采暖需考慮水的壓縮性和膨脹性當(dāng)氣體流速不是很大時，也可視為不可壓縮流體§1.3.3流體的壓縮性及膨脹性可壓縮流體和不可壓縮流體若液體被看做是可壓縮流體時，符合氣體狀態(tài)方程R——氣體常數(shù)標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)的空氣R＝287m2/s2·K

第61頁，課件共88頁，創(chuàng)作于2023年2月§1.4

流體的粘性首先表現(xiàn)在相鄰兩層流體作相對運動時有內(nèi)摩擦作用。流體內(nèi)摩擦的概念最早由牛頓（I.Newton,1687）提出。

流體的粘性牛頓內(nèi)摩擦假設(shè)在過了近一百年后，由庫侖（C.A.Coulomb,1784）用實驗得到證實。庫侖把一塊薄圓板用細(xì)金屬絲平吊在液體中，將圓板繞中心轉(zhuǎn)過一角度后放開，靠金屬絲的扭轉(zhuǎn)作用，圓板開始往返擺動，由于液體的粘性作用，圓板擺動幅度逐漸衰減，直至靜止。庫侖分別測量了普通板、涂蠟板和細(xì)砂板三種圓板的衰減時間。三種圓板衰減時間均相等。庫侖得出結(jié)論:衰減的原因，不是圓板與液體之間的相互摩擦，而是液體內(nèi)部的摩擦。

第62頁，課件共88頁，創(chuàng)作于2023年2月§1.4

流體的粘性粘性內(nèi)摩擦力或粘性阻力產(chǎn)生的原因，必須從分子的微觀運動來加以說明。流體內(nèi)摩擦是兩層流體間分子內(nèi)聚力和分子動量交換的宏觀表現(xiàn)。當(dāng)兩層液體作相對運動時，緊靠的兩層液體分子的平均距離加大，產(chǎn)生吸引力，這就是分子內(nèi)聚力。氣體分子的隨機運動范圍大，流層之間的分子交換頻繁。相鄰兩流層之間的分子動量交換表現(xiàn)為力的作用，稱為表觀切應(yīng)力。氣體內(nèi)摩擦力即以表觀切應(yīng)力為主。

第63頁，課件共88頁，創(chuàng)作于2023年2月①分子間的吸引力②分子運動引起流體層間的動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)時一定指明當(dāng)時的溫度。運動粘性系數(shù)具有運動學(xué)量綱。注意形成牛頓內(nèi)摩擦力物理機理第64頁，課件共88頁，創(chuàng)作于2023年2月粘性是流體抵抗變形的能力，是流體的固有屬性，是運動流體產(chǎn)生機械能損失的根源流體內(nèi)部質(zhì)點間或流層間因相對運動而產(chǎn)生內(nèi)摩擦力（內(nèi)力/粘性力）以反抗相對運動的性質(zhì)牛頓內(nèi)摩擦定律§1.4

流體的粘性第65頁，課件共88頁，創(chuàng)作于2023年2月當(dāng)流體作層狀流動時牛頓發(fā)現(xiàn)

:§1.4

流體的粘性在運用牛頓內(nèi)摩擦定律公式時應(yīng)注意:

此式不僅適用于液體，也適用于氣體。此式表明，流體內(nèi)有相對運動時，流體內(nèi)就會產(chǎn)生內(nèi)摩擦力來抗拒此相對運動。切應(yīng)力τ的大小與流體的粘性以及沿運動垂直方向上的速度梯度du/dy成正比。第66頁，課件共88頁，創(chuàng)作于2023年2月表征量粘度反應(yīng)粘性大小的一個物理量，與流體種類有關(guān)，有三種表示方法：（1）動力粘度（絕對粘度、流體粘度）μ

來自于牛頓內(nèi)摩擦定律，含有動力學(xué)因素物理意義：表示單位速度梯度時，內(nèi)摩擦切應(yīng)力的大小。量綱分析：

§1.4

流體的粘性第67頁，課件共88頁，創(chuàng)作于2023年2月單位換算：

在SI制中

N·s/m2或Pa·s（帕秒）在CGS中dyn·s/cm2(泊，P）在實際應(yīng)用和計算中經(jīng)常用泊的百分之一作為度量單位，稱為厘泊（cP）。

§1.4

流體的粘性

1P=1g/s.cm=100cP=0.1kg/s.m=0.1Pa·s

=0.102kgf.s/m2（2）運動粘度ν

無明確物理意義，只是為使理論分析和工程計算簡便而引入。第68頁，課件共88頁，創(chuàng)作于2023年2月量綱分析：

§1.4

流體的粘性單位換算：

在SI制中

m2/s

（米方每秒）在CGS中cm2/s

(斯，St）在實際應(yīng)用和計算中經(jīng)常用斯的百分之一作為度量單位，稱為厘斯（cSt）。

1m2/s=104cm2/s=104St=106cSt工程實際中，我國現(xiàn)行的機油牌號指機械油在40℃時運動粘度的平均值（以厘斯計）。第69頁，課件共88頁，創(chuàng)作于2023年2月

§1.4

流體的粘性（3）相對粘度（條件粘度）

主要為測量方便而引入，各種粘度換算關(guān)系可以在相關(guān)手冊中查找，根據(jù)測量條件主要不同分為：

賽氏粘度美國SSU

雷氏粘度英國R

恩氏粘度中國、德國和前蘇聯(lián)°E第70頁，課件共88頁，創(chuàng)作于2023年2月

§1.4

流體的粘性（4）壓強對流體粘度的影響

壓強變化對分子運動的動量交換影響甚微，所以氣體粘度隨壓強變化很小。壓強的加大將使分子間距減小，故壓強對液體粘性的影響較大。但在低壓下（通常指小于100大氣壓）壓強變化對粘度的影響很小，通?？梢院雎?。（5）溫度對流體粘度的影響溫度升高，氣體粘性增大←分析不規(guī)則運動加劇溫度降低，液體粘性減小←分析間引力減小理想流體假想的無粘性的流體。第71頁，課件共88頁，創(chuàng)作于2023年2月

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際流動，粘性作用不大是相對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)嶋H流體簡化為理想流體。我們將會看到，是否忽略粘性影響將對流動問題的處理帶來很大的區(qū)別，理想流體假設(shè)可以大大簡化理論分析過程。

忽略粘性影響實際上就是忽略切應(yīng)力，切應(yīng)力τ，

§1.4

流體的粘性第72頁，課件共88頁，創(chuàng)作于2023年2月

§1.4

流體的粘性牛頓流體和非牛頓流體

牛頓流體：當(dāng)速度梯度變化時，動力粘度不變的流體，符合牛頓內(nèi)摩擦定律。非牛頓流體：當(dāng)速度梯度變化時，動力粘度為變數(shù)的流體，不符合牛頓內(nèi)摩擦定律。塑性流體：凝膠、牙膏等假塑性流體：泥漿、紙漿等脹塑性流體：乳化液、油漆等第73頁，課件共88頁，創(chuàng)作于2023年2月例：汽缸內(nèi)壁的直徑D=12cm，活塞的直徑d=11.96cm，活塞長度L=14cm，活塞往復(fù)運動的速度為1m/s，潤滑油的μ

=0.1Pa·s。求作用在活塞上的粘性力。解：注意：面積、速度梯度的取法dDL第74頁，課件共88頁，創(chuàng)作于2023年2月例：旋轉(zhuǎn)圓筒粘度計，外筒固定，內(nèi)筒轉(zhuǎn)速n=10r/min。內(nèi)外筒間充入實驗液體。內(nèi)筒r1=1.93cm，外筒r2=2cm，內(nèi)筒高h(yuǎn)=7cm，轉(zhuǎn)軸上扭距M=0.0045N·m。求該實驗液體的粘度。解：注意：1.面積A的取法；

2.單位統(tǒng)一hnr1r2得第75頁，課件共88頁，創(chuàng)作于2023年2月無論靜止或運動的流體都受到外力的作用，作用在流體上的力按其性質(zhì)（作用方式）的不同，可分為：

表面力

質(zhì)量力

§1.5

作用在流體上的力第76頁，課件共88頁，創(chuàng)作于2023年2月一、表面力是指作用在所研究的流體表面上的力，它是由所研究的流體的表面與相接觸的物體（流體或固體或氣體）的相互作用而產(chǎn)生的。

它的大小與流體的表面積成正比；方向可分解為切向和法向。

設(shè)面積為ΔA的流體面元，法向為

n

，指向表面力受體外側(cè)，所受表面力為ΔF

，則應(yīng)力n第77頁，課件共88頁，創(chuàng)作于2023年2月的含義為面元趨于面元上的某定點，所以應(yīng)力是定義在流體面上一點處的。同一點處的應(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。ΔA0

應(yīng)力fn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。壓力：與表面垂直且沿表面內(nèi)法線方向。切力：與表面相切。第78頁，課件共88頁，創(chuàng)作于2023年2月

凡談及應(yīng)力，應(yīng)注意明確以下幾個要素：

①哪一點的應(yīng)力；

②

哪個方位作用面上的應(yīng)力；

③作用面的哪一側(cè)流體是研究對象（表面力的受體），從

而決定法線的指向；

④應(yīng)力在哪個方向上的分量。流體力學(xué)研究中，常常自流體內(nèi)取出一個分離體作為研究對象。這時，表面力指的是周圍流體作用于分離體表面的力。對于整個流體，這種表面力屬于內(nèi)力，彼此抵消。注：表面張力也是表面力的一種，它是作用在流體自由表面上的切力，主要由分子內(nèi)聚力引起。第79頁，課件共88頁，創(chuàng)作于2023年2月重力場；慣性力，磁力場；電力場二、質(zhì)量力是指在某種力場中，作用在流體的每一個質(zhì)點上的力。