流體力學課件第一章

流體力學課件第一章第1頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月第2頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月第一章流體的物理性質與流體運動學1.流體的物理性質1.1物質結構1.2連續(xù)介質假設1.3流體的可壓縮性與熱膨脹性1.4流體的輸運性質2.流體運動學2.1流體運動的描述2.2跡線、流線和脈線2.3流場中的速度分解2.4作用于流體上的力2.5本構關系第3頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月物質的宏觀形態(tài)(固體、液體、氣體)固體

當作用在物體上的力發(fā)生微小變化時，它的形狀及其組成微元之間相對位置的變化也是微小的。(不易變形)液體、氣體(流體)

就力學性質而言，這兩種狀態(tài)是基本相同的：沒有特定的形狀，對于均質的物體而言，其不同微元還可以自由地重新排列而不影響流體的宏觀性質。當適當選取的力作用于物體時，無論這個力多大，流體組成微元間的相對位置都可以產(chǎn)生不小的變化(易變形)1.1物質結構第4頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月物質的宏觀形態(tài)(固體?液體?氣體)固體和液體間并沒有明顯的界限

觸變質(如膠凍或油漆)：當它們被靜放一段時間后，其性質為彈性固體；當它們受到搖晃、攪動等劇烈變形后，又失去彈性而像液體瀝青：在一般情形下為固體，但如果施加長時間的力，它的變形也象流體那樣可以無限增大濃的高分子溶液，也具有固液兩類行為氣體和液體之間的差別不是本質的都是穩(wěn)定的相態(tài)，都呈現(xiàn)出流動性(或易變形性)區(qū)別：密度，體積彈性(可壓縮性)1.1物質結構第5頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月物質的微觀性質宏觀性質的差異直接與“物質的分子熱運動狀態(tài)和分子之間的相互作用存在著不同的情形”有關任何物質都不是連續(xù)體，而是由處于分離狀態(tài)的大量粒子所組成，即分子、原子，它們之間存在相互作用力物質呈現(xiàn)一定的宏觀狀態(tài)，是由于某種平均能量水平的大量分子，在分子制約下所采用的排列方式和運動方式的宏觀表現(xiàn)粒子間的作用力粒子電離后形成的庫侖力(Columb)粒子與粒子間的共價結合力粒子極化產(chǎn)生的范德華力(VandeWaals)1.1物質結構第6頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月物質的微觀性質p13分子間作用力與分子間距的關系對于簡單分子組成的物質，常溫常壓下，分子間距的量級氣相分子：液相分子(水):固相分子：~d0

（液體分子間的距離比固體的稍大，1／3左右

）1.1物質結構第7頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月物質的微觀性質氣體分子間距>10d0，分子力為弱相互作用，此時，只要分子的平均動能足夠大，單個分子就能克服鄰近分子的吸引力而處于一種自由運動狀態(tài)，也就是說分子在鄰近分子力場中具有的勢能遠小于分子本身具有的動能，勢能可以被忽略在偶爾的場合下，高能量分子也可能在運動過程中與其他分子十分靠近，出現(xiàn)分子間短暫的強相互作用，通常，這種偶然出現(xiàn)的強相互作用過程被稱為碰撞對于分子熱運動平均能量高的物質，在分子碰撞以外的絕大部分時間，分子都處于自由狀態(tài)，大量分子的自由運動就呈現(xiàn)出高度混亂的情景，這種宏觀狀態(tài)稱作氣體1.1物質結構?

第8頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月物質的微觀性質

固體分子間距~d0，固體分子的熱運動是處于低能量狀態(tài)，每個分子的運動受到分子間作用力的強大束縛，因而只能圍繞著一個固定位置振動典型的固體是晶體，晶體的分子或原子在相當大的范圍內(一個晶粒)作規(guī)則整齊的排列，這種物質結構稱為“長程有序”。由于大量分子整齊排列并處于強相互作用之下，這種結構有很強的保持能力，宏觀上表現(xiàn)出很大的剛度。另一類不典型的固體，如玻璃，稱為非晶態(tài)固體或無定形固體，其原子或分子的排列表現(xiàn)為“短程有序”和“長程無序”。這類物質分子的排列方式和液體很接近，不同點只是非晶態(tài)固體在常溫下仍具有阻止物體繼續(xù)變形的極大抗拒力，因而可以看成是粘度極高的“過冷液體”。(非晶態(tài)固體的粘性系數(shù)值高達天文數(shù)字，從力學的角度看，把它們歸為流體很不實際，故通常仍舊作為固體對待)1.1物質結構第9頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月物質的微觀性質液體液體分子間距：~d0從簡單的宏觀測量來看，液體分子排列的緊密程度和固體并沒有多大的差別固體溶化成液體后，密度一般只有百分之幾的變化液體分子之間也有強相互作用。到目前為止，用以揭示液體分子結構的各種物理實驗(如中子衍射，電阻測量等)，都支持這樣一種觀點：液體分子的排列也是有一定結構的，但在整齊排列的每個液體分子群中，分子數(shù)要比固體晶粒中的分子數(shù)少得多。這種情況稱為“短程有序”。在宏觀行為上，卻像氣體一樣具有易流動性，而不能保持固定的形狀→在力學上，液體和氣體同歸屬于流體的范疇。

1.1物質結構第10頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月物質的微觀性質固、液、氣的微觀性質比較1.1物質結構第11頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月1.2連續(xù)介質假設

？→設想?連續(xù)介質假設流體力學是研究流體的宏觀運動的，研究的對象不直接是這些物質粒子本身，而是從這些物質抽象出來的一種模型—連續(xù)介質。連續(xù)介質模型認為(假設)物質連續(xù)地無間隙地分布于物質所占有的整個空間，流體宏觀物理量是空間點及時間的連續(xù)函數(shù)。通常所說的流體力學，就是指建立在連續(xù)介質假設基礎上的流體力學。?連續(xù)介質假設的思想：研究對象是物體的宏觀運動，即大量分子的平均行為，而不是單個分子的個別行為，因而可以不去考慮物質的分子結構和單個分子的運動細節(jié)。事實表明，物質的分子結構和分子的熱運動只對宏觀運動存在間接的影響，即只能通過影響物質的熱力學特性來影響物體的運動。因此，類似于熱力學方法，當研究物體的變形、流動等宏觀運動特性時，就可以將物體作為一種連續(xù)體對待，而無須計及它的微觀分子結構。?新問題：怎樣把一個由分子和原子組成的質點系統(tǒng)“等效地”代換為一個連續(xù)體？即應如何正確規(guī)定連續(xù)體的質量、動量、能量等物理量在空間的分布。第12頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月1.2連續(xù)介質假設第13頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月1.2連續(xù)介質假設第14頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月1.2連續(xù)介質假設(適用范圍)第15頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月1.2連續(xù)介質假設(作業(yè))能把流體看作連續(xù)介質的條件是什么？2．設稀薄氣體的分子自由程是幾米的數(shù)量級，問下列兩種情況連續(xù)介質假設是否成立?(1)人造衛(wèi)星在飛離大氣層進入稀薄氣體層時

(2)假想地球在這樣的稀薄氣體中運動．第16頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月1.3流體的可壓縮性與熱膨脹性第17頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月1.3流體的可壓縮性與熱膨脹性第18頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月1.3流體的可壓縮性與熱膨脹性第19頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月1.3流體的可壓縮性與熱膨脹性在1atm下，溫度從273K變化到373K，水的體積僅增加4.3%P360附錄表D.3,T=273.15,比容vf=1/1000(m3/kg),T=373.15,vf=1.044/1000(m3/kg)

第20頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月1.3流體的可壓縮性與熱膨脹性（作業(yè)）1.當壓強增量為50000Pa時．某種流體的密度增加了0.02％。試求該流體的體積彈性模量。2.空氣(R0＝287.1N·m／(kg·K))在壓強為p＝105Pa,溫度為T＝20℃時，分別求其等溫壓縮系數(shù)和熱膨脹系數(shù)。()提示：第21頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月1.4流體的輸運性質第22頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月1.4流體的輸運性質第23頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月1.4流體的輸運性質自由程是指一個分子與其它分子相繼兩次碰撞之間，經(jīng)過的直線路程第24頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月1.4流體的輸運性質第25頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月1.4流體的輸運性質第26頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月1.4流體的輸運性質第27頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月1.4流體的輸運性質第28頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月1.4流體的輸運性質第29頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月1.4流體的輸運性質第30頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月1.4流體的輸運性質第31頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月1.4流體的輸運性質第32頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月1.4流體的輸運性質更精確計算對空氣，溫度為288K時實測結果第33頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月1.4流體的輸運性質第34頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月1.4流體的輸運性質第35頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月1.4流體的輸運性質第36頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月1.4流體的輸運性質異性第37頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月1.4流體的輸運性質第38頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月1.4流體的輸運性質第39頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月1.4流體的輸運性質（作業(yè)）第40頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月第一章流體的物理性質與流體運動學1.流體的物理性質1.1物質結構1.2連續(xù)介質假設1.3流體的可壓縮性與熱膨脹性1.4流體的輸運性質2.流體運動學2.1流體運動的描述2.2跡線、流線和脈線2.3流場中的速度分解2.4作用于流體上的力2.5本構關系第41頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月2.1流體運動的描述第42頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月2.1流體運動的描述第43頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月2.1流體運動的描述第44頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月2.1流體運動的描述第45頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月2.1流體運動的描述？加速度第46頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月2.1流體運動的描述第47頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月2.1流體運動的描述第48頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月2.1流體運動的描述第49頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月2.1流體運動的描述加速度第50頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月2.2跡線、流線和脈線第51頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月2.2跡線、流線和脈線第52頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月2.2跡線、流線和脈線第53頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月2.2跡線、流線和脈線第54頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月2.2跡線、流線和脈線第55頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月2.2跡線、流線和脈線第56頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月2.2跡線、流線和脈線第57頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月2.2跡線、流線和脈線第58頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月2.2跡線、流線和脈線第59頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月4流線、跡線和脈線的關系第60頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月4流線、跡線和脈線的關系第61頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月4流線、跡線和脈線的關系第62頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月流線與跡線4流線、跡線和脈線的關系第63頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月2.2跡線、流線和脈線第64頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月2.2跡線、流線和脈線第65頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月2.3流場中的速度分解第66頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月2.3流場中的速度分解第67頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月2.3流場中的速度分解第68頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月2.3流場中的速度分解第69頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月2.3流場中的速度分解第70頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月2.3流場中的速度分解第71頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月2.3流場中的速度分解第72頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月2.3流場中的速度分解第73頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月2.3流場中的速度分解第74頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月2.3流場中的速度分解第75頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月2.3流場中的速度分解第76頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月2.3流場中的速度分解第77頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月2.3流場中的速度分解第78頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月2.3流場中的速度分解第79頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月2.3流場中的速度分解第80頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年