第一章 流體的運(yùn)動(dòng)

第一章流體的運(yùn)動(dòng)第1頁(yè)，課件共49頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月前言掌握物理學(xué)提出問(wèn)題、分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的思路，提高思維能力、動(dòng)手能力，培養(yǎng)學(xué)習(xí)方法（教會(huì)、學(xué)會(huì)、會(huì)學(xué)）了解物理學(xué)與相關(guān)前沿科學(xué)關(guān)系（信息科學(xué)、通訊技術(shù)、新材料），了解物理學(xué)最新發(fā)展了解物理學(xué)與生命科學(xué)的關(guān)系第2頁(yè)，課件共49頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月內(nèi)容流體的運(yùn)動(dòng)液體的表面現(xiàn)象正弦交流電振動(dòng)與波動(dòng)光的波動(dòng)性第3頁(yè)，課件共49頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月注意事項(xiàng)平時(shí)要求

上課（課堂測(cè)驗(yàn)）、作業(yè)、小論文（小講座）考試

期末考試成績(jī)

考試成績(jī)+平時(shí)成績(jī)+獎(jiǎng)勵(lì)成績(jī)第4頁(yè)，課件共49頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

第一章流體的運(yùn)動(dòng)

第5頁(yè)，課件共49頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第一節(jié)理想流體的穩(wěn)定流動(dòng)

1、理想流體模型的建立

2、穩(wěn)定流動(dòng)、流線和流管

3、連續(xù)性原理第二節(jié)伯怒利方程及其應(yīng)用

1、伯怒利方程

2、伯怒利方程的應(yīng)用第三節(jié)粘滯流體的流動(dòng)

1、牛頓粘滯定律粘滯系數(shù)

2、流體的湍流雷諾數(shù)第6頁(yè)，課件共49頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第四節(jié)泊肅葉方程及其應(yīng)用

1、泊肅葉方程

2、泊肅葉方程的應(yīng)用第五節(jié)斯托克斯定律及其應(yīng)用

1、托克斯定律

2、小球在粘滯流體中的沉降

3、沉降分離與離心分離第7頁(yè)，課件共49頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月流體:

液體和氣體都具有流動(dòng)性，統(tǒng)稱(chēng)為流體

流體的特點(diǎn)：流動(dòng)性

可壓縮性

粘滯性

第8頁(yè)，課件共49頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月流體動(dòng)力學(xué)流體力學(xué)流體靜力學(xué)壓強(qiáng)、阿基米德原理、表面張力、毛細(xì)現(xiàn)象流體運(yùn)動(dòng)學(xué)流體動(dòng)力學(xué)第9頁(yè)，課件共49頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月自然界中與流體力學(xué)有關(guān)的現(xiàn)象

第10頁(yè)，課件共49頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月自然界中與流體力學(xué)有關(guān)的現(xiàn)象第11頁(yè)，課件共49頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月自然界中與流體力學(xué)有關(guān)的現(xiàn)象第12頁(yè)，課件共49頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月自然界中與流體力學(xué)有關(guān)的現(xiàn)象第13頁(yè)，課件共49頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月自然界中與流體力學(xué)有關(guān)的現(xiàn)象第14頁(yè)，課件共49頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月流體運(yùn)動(dòng)

復(fù)雜性

流體沒(méi)有固定的形狀，體積會(huì)發(fā)生變化，存在內(nèi)摩擦力，有層流、湍流，流體中運(yùn)動(dòng)物體的形狀、運(yùn)動(dòng)的速度、物體表面性質(zhì)、溫度重要性

航空、航天、航海、軍事，與農(nóng)業(yè)、生命科學(xué)有關(guān)

第15頁(yè)，課件共49頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月理想流體的穩(wěn)定流動(dòng)

理想流體模型的建立

穩(wěn)定流動(dòng)、流線和流管

連續(xù)性原理

第16頁(yè)，課件共49頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月理想流體模型的建立理想流體：

絕對(duì)不可壓縮且完全沒(méi)有粘滯性的流體

第17頁(yè)，課件共49頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月穩(wěn)定流動(dòng)如果流速只是空間位置的函數(shù)，而與時(shí)間無(wú)關(guān)，這種流動(dòng)稱(chēng)為穩(wěn)定流動(dòng)，或稱(chēng)定常流動(dòng)。穩(wěn)定流動(dòng)：v=v（x、y、z）；v與t無(wú)關(guān)

第18頁(yè)，課件共49頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月流線設(shè)想在流體中作一些曲線，其上任意一點(diǎn)的切線方向都與流體質(zhì)點(diǎn)流經(jīng)該點(diǎn)的速度方向一致，這樣的曲線叫做流線。流線不可能相交。

第19頁(yè)，課件共49頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月流管流體作穩(wěn)定流動(dòng)時(shí)，流體內(nèi)部由流線圍成的管狀區(qū)域稱(chēng)為流管

第20頁(yè)，課件共49頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月連續(xù)性原理前提：理想流體的穩(wěn)定流動(dòng)同一流管的任意兩截面處的流量相等

第21頁(yè)，課件共49頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月伯努利方程及其應(yīng)用

伯努利方程

伯努利方程的應(yīng)用

第22頁(yè)，課件共49頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月伯努利方程

=恒量理想流體在流管中作穩(wěn)定流動(dòng)時(shí),同一細(xì)流管中，任一截面處，單位體積的動(dòng)能和重力勢(shì)能以及該點(diǎn)的壓強(qiáng)之和為一常量

適用條件：理想流體、穩(wěn)定流動(dòng)、沿同一流線第23頁(yè)，課件共49頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月伯努利方程的推導(dǎo)

待研究對(duì)象

對(duì)象的能量變化

外力作功

第24頁(yè)，課件共49頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月問(wèn)題：伯努利方程的物理本質(zhì)是什么？

第25頁(yè)，課件共49頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月伯努利方程的應(yīng)用

空吸作用第26頁(yè)，課件共49頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第27頁(yè)，課件共49頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月駐點(diǎn)流體內(nèi)放入一個(gè)障礙物，流體被迫分成兩路繞過(guò)物體，在物體前方流體開(kāi)始分開(kāi)的地方，在流線上的流速等于零，這點(diǎn)稱(chēng)為駐點(diǎn),如下圖中O點(diǎn)。第28頁(yè)，課件共49頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月例、用一根5cm2均勻截面的虹吸管把容積極大的容器中的水吸出，虹吸管最高點(diǎn)在水面上60cm處，出水口在水面下80cm處。設(shè)水為理想流體，大氣壓強(qiáng)為101300Pa，試計(jì)算在穩(wěn)定流動(dòng)時(shí)，管內(nèi)最高點(diǎn)的壓強(qiáng)和虹吸管的流量。

h1=60cmh2=80cm第29頁(yè)，課件共49頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月例、液槽頂部的壓強(qiáng)為P液槽內(nèi)離開(kāi)液面h處開(kāi)一小孔，液體密度為ρ，在液槽側(cè)面小孔處的壓強(qiáng)為大氣壓強(qiáng)P0，求小孔流速？自由液面：（與自由落體比較）有超壓的射流：（當(dāng)P>P0時(shí)，噴霧器的模型）第30頁(yè)，課件共49頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月本題求解要點(diǎn)：

1、理想流體、穩(wěn)定流動(dòng)，確定應(yīng)該用伯努利方程

2、找流線

3、再找流線上的關(guān)鍵點(diǎn)（所謂關(guān)鍵點(diǎn)即是包含已知條件和求解問(wèn)題）

第31頁(yè)，課件共49頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月粘滯流體的流動(dòng)

牛頓粘滯定律粘滯系數(shù)

流體的湍流雷諾數(shù)

第32頁(yè)，課件共49頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第33頁(yè)，課件共49頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月層流：流體作有規(guī)則的運(yùn)動(dòng)，在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，各質(zhì)點(diǎn)之間互不混淆、干擾，流動(dòng)層次分明，各層之間作相對(duì)滑動(dòng)，沒(méi)有垂直分速度。各流層流速有規(guī)則逐漸變化。管軸處流速最大，管壁處流速為零。

ZBA第34頁(yè)，課件共49頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月牛頓粘滯定律粘滯系數(shù)

:粘滯力

:粘滯系數(shù)單位：帕秒

:速度梯度

:流體層接觸面積第35頁(yè)，課件共49頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月由于大多數(shù)情況下，流體在圓管內(nèi)流動(dòng)，所以速度梯度常表示為，因此牛頓粘滯定律也相應(yīng)變?yōu)椋?/p>

第36頁(yè)，課件共49頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月流體的湍流雷諾數(shù)

Re：雷諾數(shù)

ρ：流體密度

v：流體在管道中的平均流速

d：管道的直徑

η：粘滯系數(shù)

第37頁(yè)，課件共49頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月英國(guó)物理學(xué)家雷諾經(jīng)過(guò)大量實(shí)驗(yàn)研究，于1883年提出：在管道中流動(dòng)的流體，由層流變成湍流的條件可用雷諾數(shù)來(lái)確定。當(dāng)Re<2000時(shí)，流體的流動(dòng)為層流當(dāng)Re>3000時(shí)，流體的流動(dòng)為湍流當(dāng)2000<Re<3000時(shí)，流體的流動(dòng)為不穩(wěn)定的過(guò)渡狀態(tài)。雷諾相似定理：在幾何形狀相似的管道里流動(dòng)的流體，不論ρ、η、v、d的值如何，只要Re相同，則它們的流動(dòng)類(lèi)型相同。利用此定理，可在實(shí)驗(yàn)室中用水工模型來(lái)模擬江河水的流動(dòng)，用風(fēng)洞試驗(yàn)來(lái)研究飛機(jī)的飛行等。

第38頁(yè)，課件共49頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月例：計(jì)算在一根直徑為2cm的水管內(nèi)，水流動(dòng)速度達(dá)到多大時(shí)為湍流（不產(chǎn)生湍流的最大流速），水的粘滯系數(shù)為1.0*10-3PaS。0.15米/秒第39頁(yè)，課件共49頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月泊肅葉方程及其應(yīng)用

泊肅葉方程

泊肅葉方程的應(yīng)用

第40頁(yè)，課件共49頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月泊肅葉方程推導(dǎo)通過(guò)力平衡泊肅葉方程實(shí)質(zhì)是什么？研究圓管的流量問(wèn)題連續(xù)性原理也是講流量問(wèn)題,兩者有什么聯(lián)系，又有什么區(qū)別？都是求流量，流管內(nèi)流速分布不同截面上的流速大小不相同，如何求流量？積分如何求出速度分布V(r)？第41頁(yè)，課件共49頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月泊肅葉方程

條件：穩(wěn)定流動(dòng)、層流、粘滯流體泊肅葉方程是討論穩(wěn)定流動(dòng)的流管中的流量問(wèn)題

第42頁(yè)，課件共49頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月rRdrff+dfP1P2rvR0流速分布圖第43頁(yè)，課件共49頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月泊肅葉方程的應(yīng)用

第44頁(yè)，課件共49頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月例：某種液體在長(zhǎng)1m，半徑為2mm的水平圓管中流動(dòng)，若測(cè)得流量為2cm3/s，兩端壓強(qiáng)差為24000Pa，求該液體的粘滯系數(shù)。0.075PaS第45頁(yè)，課件共49頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月斯托克斯定律及其應(yīng)用

托克斯定律小球在粘滯流體中的沉降沉降分離與離心分離第46頁(yè)，