流體力學(xué)-第一章

第一章緒論第二章流體靜力學(xué)

第三章流體動力學(xué)

第四章理想流體動力學(xué)和平面勢流

第五章實際流體動力學(xué)根底第六章量綱分析和相似原理

第七章流動阻力和能量損失

第八章邊界層理論根底和繞流運動

第九章有壓管流

第十章明渠流目錄工程流體力學(xué)〔水力學(xué)〕第一節(jié)工程流體力學(xué)的任務(wù)及其開展簡史一、工程流體力學(xué)的任務(wù)流體力學(xué)是力學(xué)的一個分支，是研究流體運動規(guī)律及其應(yīng)用的一門學(xué)科。理論流體力學(xué)側(cè)重于理論，采用嚴密的數(shù)學(xué)推理方法工程流體力學(xué)側(cè)重于應(yīng)用，解決工程實際問題現(xiàn)代水力學(xué)〔水力學(xué)〕研究對象是水流，側(cè)重應(yīng)用第一節(jié)工程流體力學(xué)的任務(wù)及其開展簡史二、工程流體力學(xué)開展簡史〔一〕工程流體力學(xué)的開展經(jīng)歷了三個階段：(1)古典流體力學(xué)伯努利所提出的液體運動的能量估計及歐拉所提出的液體運動的解析方法，為研究液體運動的規(guī)律奠定了理論根底，從而在此根底上形成了一門屬于數(shù)學(xué)的古典流體力學(xué)。第一節(jié)工程流體力學(xué)的任務(wù)及其開展簡史二、工程流體力學(xué)開展簡史(2)實驗流體力學(xué)由于所用數(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，故形成了以實驗方法來制定經(jīng)驗公式的“實驗流體力學(xué)〞(3)現(xiàn)代水力學(xué)從19世紀末起，人們將理論分析方法和實驗分析方法相結(jié)合，以解決實際問題，同時古典流體力學(xué)和實驗流體力學(xué)的內(nèi)容也不斷更新變化，在此根底上，最終形成了理論與實踐并重的研究實際流體模型的現(xiàn)代流體力學(xué)。第一節(jié)工程流體力學(xué)的任務(wù)及其開展簡史二、工程流體力學(xué)開展簡史〔二〕主要的流體力學(xué)事件：1783年拉格朗日首先引進了流函數(shù)的概念。

1826年法國工程師納維，1845年英國數(shù)學(xué)家、物理學(xué)家斯托克思提出了著名的N-S方程。

1738年瑞士數(shù)學(xué)家：伯努利在名著《流體動力學(xué)》中提出了伯努利方程。

1755年歐拉在名著《流體運動的一般原理》中提出理想流體概念，并建立了理想流體根本方程和連續(xù)方程，從而提出了流體運動的解析方法，同時提出了速度勢的概念。第一節(jié)工程流體力學(xué)的任務(wù)及其開展簡史二、工程流體力學(xué)開展簡史〔二〕主要的流體力學(xué)事件：1858年亥姆霍茲指出了理想流體中旋渦的許多根本性質(zhì)及旋渦運動理論，并于1887年提出了脫體繞流理論。1876年雷諾發(fā)現(xiàn)了流體流動的兩種流態(tài)：層流和紊流。

19世紀末，雷諾提出相似理論，實驗和理論分析相結(jié)合

。

1904年普朗特提出了邊界層理論。

20世紀60年代以后，計算流體力學(xué)得到了迅速的開展。流體力學(xué)內(nèi)涵不斷地得到了充實與提高。第一節(jié)工程流體力學(xué)的任務(wù)及其開展簡史二、工程流體力學(xué)開展簡史〔三〕我國水利事業(yè)的歷史：公元前485年，開始修筑南北運河。公元前256—公元前210年間，修建了都江堰、鄭國渠、靈渠三大水利工程。特別是李冰父子領(lǐng)導(dǎo)修建的都江堰，既有利于岷江洪水的疏排，又能常年用于灌溉農(nóng)田，并總結(jié)出“深淘灘，低作堰〞、“遇彎截角，逢正抽心〞的治水原那么。說明當時對明槽水流和堰流流動規(guī)律的認識已經(jīng)到達相當水平。西漢武帝〔公元前156-前87〕時期，為引洛水灌溉農(nóng)田，在黃土高原上修建了龍首渠，創(chuàng)造性地采用了井渠法，即用豎井溝通長十余里的穿山隧洞，有效地防止了黃土的塌方。一、連續(xù)介質(zhì)假設(shè)第二節(jié)連續(xù)介質(zhì)假設(shè)流體的主要物理性質(zhì)工程流體力學(xué)主要研究流體的宏觀運動，建立流體宏觀物理量之間的關(guān)系式〔1〕從分子和原子微觀出發(fā)，采用統(tǒng)計平均方法確定流體的物性〔2〕以連續(xù)介質(zhì)假設(shè)為根底〔1753年，歐拉，流體力學(xué)中的一個帶根本性的假設(shè)〕流體的微觀結(jié)構(gòu)和運動：離散性、不均勻性和隨機性流體的宏觀結(jié)構(gòu)和運動：連續(xù)性、均勻性和確定性大量離散的分子或原子運動問題，近似為充滿整個空間流體質(zhì)點的運動問題，每個空間點和每個時刻都有確定的物理量，它們都是空間坐標和時間的連續(xù)函數(shù)，可以運用數(shù)學(xué)分析來建立和求解宏觀物理量之間的方程。一、連續(xù)介質(zhì)假設(shè)第二節(jié)連續(xù)介質(zhì)假設(shè)流體的主要物理性質(zhì)連續(xù)介質(zhì)假設(shè)：認為流體是由比分子大很多的，微觀上充分大，而宏觀上充分小的分子團，可以近似地看成幾何上沒有大小和形狀的一個點的質(zhì)點所組成，質(zhì)點之間沒有空隙，連續(xù)地充滿流體所占有的空間的連續(xù)介質(zhì)。流體質(zhì)點是微觀上足夠大、宏觀上足夠小的分子團，流體質(zhì)點所具有的宏觀物理量應(yīng)該遵循物理學(xué)根本定律，如牛頓力學(xué)定律、質(zhì)量和能量守恒定律、熱力學(xué)定律等。流體流體質(zhì)點〔分子團〕一、連續(xù)介質(zhì)假設(shè)第二節(jié)連續(xù)介質(zhì)假設(shè)流體的主要物理性質(zhì)分子團的尺度：〔1〕微觀充分大：和分子運動的尺度相比應(yīng)足夠的大，對分子團進行統(tǒng)計平均后能得到穩(wěn)定的數(shù)值〔2〕宏觀充分?。汉退芯繂栴}的特征尺度相比又要充分的小，使得分子團內(nèi)平均物理量可看成是均勻不變的，可以把它近似看成幾何上沒有維度的一個點。統(tǒng)計平均的時間：〔１〕微觀上充分長：分子碰撞已進行了許屢次，統(tǒng)計平均能得到穩(wěn)定的數(shù)值〔２〕宏觀上充分?。罕忍卣鲿r間短得多，可以把進行統(tǒng)計平均的時間看成一個瞬間。一、連續(xù)介質(zhì)假設(shè)第二節(jié)連續(xù)介質(zhì)假設(shè)流體的主要物理性質(zhì)應(yīng)用條件：〔１〕在一般情況下是被允許的。10-9cm3的體積內(nèi)，氣體有近3×1010個分子，水3×101３個分子10-6s時間內(nèi)，氣體分子要碰撞1014次?！玻病吃谀承┣闆r，如高空的稀薄氣體不能作為連續(xù)介質(zhì)來處理，一般認為海拔高度為50km以上的高空大氣不作為連續(xù)介質(zhì)。二、流體的主要物理性質(zhì)第二節(jié)連續(xù)介質(zhì)假設(shè)流體的主要物理性質(zhì)(1)易流動性(2)質(zhì)量密度重量(3)輸運性質(zhì)粘性熱傳導(dǎo)擴散(4)壓縮性和膨脹性(5)外表張力特性(6)汽化壓強二、流體的主要物理性質(zhì)第二節(jié)連續(xù)介質(zhì)假設(shè)流體的主要物理性質(zhì)非均質(zhì)流體密度

１易流動性：流體在靜止時不能承受剪力、抵抗剪切變形的性質(zhì)稱為易流動性。不能抵抗拉力，而只能抵抗對它的壓力。２質(zhì)量密度重量表示物體慣性大小的物理量是質(zhì)量。單體體積均質(zhì)液體所具有的質(zhì)量，稱為密度。均質(zhì)流體密度

重量

第二節(jié)連續(xù)介質(zhì)假設(shè)流體的主要物理性質(zhì)二、流體的主要物理性質(zhì)一個任意的流體系統(tǒng)，無論初始的宏觀性質(zhì)如何，只要外界對它沒有作用和影響，經(jīng)過一定時間后，系統(tǒng)必將到達一個穩(wěn)定的、宏觀性質(zhì)不隨時間變化的狀態(tài)。這種狀態(tài)稱平衡態(tài)。流體由非平衡態(tài)轉(zhuǎn)向平衡態(tài)時物理量的傳遞性質(zhì)，稱為流體的輸運性質(zhì)。主要介紹動量輸運，熱量〔能量〕輸運、質(zhì)量輸運。宏觀上看，分別表現(xiàn)為粘滯現(xiàn)象〔粘性〕、傳熱現(xiàn)象〔熱傳導(dǎo)〕和擴散現(xiàn)象〔擴散〕。為了描述流體系統(tǒng)的非平衡態(tài)，一般都采用局域平衡假設(shè)，將系統(tǒng)劃分成很多很小的區(qū)域，每一個這樣的小區(qū)域處于平衡態(tài)，可以用確定的參量來描述。3輸運性質(zhì)粘性熱傳導(dǎo)擴散第二節(jié)液體的根本特性和主要物理力學(xué)性質(zhì)輸運性質(zhì)粘性熱傳導(dǎo)擴散

流體運動時，具有抵抗剪切力變形能力的性質(zhì)，稱為粘性。當某流層對其相鄰流層發(fā)生相對位移而引起剪切變形時，流體流層間也有摩擦力，稱流體的內(nèi)摩擦力〔粘滯力〕。牛頓平板實驗所得的流體粘性及其規(guī)律—流體〔牛頓〕內(nèi)摩擦定律。兩塊水平放置的水平平板，平板間距ｈ甚小，平板面積Ａ足夠大下平板固定不動，上平板受水平力Ｆ的作用，在自身平面內(nèi)以等速ｕ向右移動?！?〕粘性上平板對流體的力Ｆ和下部流體對上部流體的切力Fs下部流體受上部流體所施加的同樣大小而方向與Fs相反的力。上、下部流體相互作用在ｙ處平面上的這一對切力，即為內(nèi)摩擦力，這個力一直傳遞到下平板。運動粘度，單位m2/s第二節(jié)液體的根本特性和主要物理力學(xué)性質(zhì)流體〔牛頓〕內(nèi)摩擦定律：單位面積的切力

是與流體粘性有關(guān)的一個系數(shù)，稱粘度〔或動力粘度〕，單位為Pa·s。隨流體的種類而不同，且隨流體的壓強和溫度而發(fā)生變化。第二節(jié)液體的根本特性和主要物理力學(xué)性質(zhì)速度梯度實際上是流體微元的剪切變形角速度。速度梯度du/dy就是直角變形速度。凡符合牛頓內(nèi)摩擦定律的流體，稱牛頓流體，如水，空氣，汽油，煤油，乙醇等牛頓內(nèi)摩擦定律只適用于流體質(zhì)點作有條不紊的線狀運動，彼此互不混摻的流動，而且對某些特殊流體亦不適用。牛頓內(nèi)摩擦定律只適用于牛頓流體和層流運動。凡不符合的流體稱為非牛頓流體，如聚合物液體、泥漿、血漿等。理想流體：假想的無粘性流體第二節(jié)液體的根本特性和主要物理力學(xué)性質(zhì)〔1〕粘性圓筒側(cè)壁上所受的切應(yīng)力相應(yīng)產(chǎn)生的力矩為圓筒底壁上所受的切應(yīng)力相應(yīng)產(chǎn)生的力矩轉(zhuǎn)動力矩液體粘度第二節(jié)液體的根本特性和主要物理力學(xué)性質(zhì)流體中的傳熱現(xiàn)象，根據(jù)它產(chǎn)生的物理原因，有熱傳導(dǎo)、熱輻射和熱對流由于流體的分子熱運動而產(chǎn)生的傳熱現(xiàn)象為熱傳導(dǎo)，靜水和運動流體都存在。由于流體電磁波輻射而產(chǎn)生的傳熱現(xiàn)象為熱輻射，靜水和運動流體都存在。由于流體宏觀運動而產(chǎn)生的為熱對流，僅在運動流體中存在?！?〕熱傳導(dǎo)為熱傳導(dǎo)的傅里葉定律，qH表示單位時間通過單位面積的熱量。dT/dy流體中溫度沿y軸的空間變化率為熱導(dǎo)率或?qū)嵯禂?shù)第二節(jié)液體的根本特性和主要物理力學(xué)性質(zhì)〔2〕熱傳導(dǎo)熱傳導(dǎo)規(guī)律—傅里葉定律實驗證明，在單位時間內(nèi)，從溫度較高的一側(cè)所傳遞的熱量QH與這一指定平面所在處的溫度梯度〔不太大的情況下〕成正比，也與指定面積大小成正比第二節(jié)液體的根本特性和主要物理力學(xué)性質(zhì)流體中的傳質(zhì)現(xiàn)象，根據(jù)它產(chǎn)生的物理原因，有分子擴散、移流擴散、湍動擴散一種是流體中沒有其他物質(zhì)成分的單組分流體，可稱單相流體或單相體。因其密度不同，由于流體的分子運動，將質(zhì)量從密度大的地方向密度小的地方擴散，稱自擴散。〔3〕擴散分子擴散，根據(jù)流體組成的成分有兩種情況。另一種是流體中有其他物質(zhì)成分的兩種組分的混合體，可稱兩相混合流體或兩相體，例如兩不相混的液體或氣體等。由于兩相體中兩種物質(zhì)成分各自密度在各處不同，或僅其中一種物質(zhì)成分的密度在各處不同，相互在另一種物質(zhì)中擴散，這種擴散稱互擴散?！?〕擴散：分子擴散自擴散：單位時間通過單位面積傳遞的質(zhì)量D為自擴散系數(shù)，單位m2/s。在實際工程中，流體的自擴散一般不予考慮?；U散：僅考慮A種成分〔如污染物〕在B種成分中擴散的情況。DAB為兩相體中A種成分在B種成分中的擴散系數(shù)，其值一般由實驗確定。斐克第一擴散定律〔3〕擴散：分子擴散二、流體的主要物理性質(zhì)第二節(jié)連續(xù)介質(zhì)假設(shè)流體的主要物理性質(zhì)壓縮性和膨脹性當作用在流體上的壓強增大時，體積減小、密度增大；壓強減小時，其體積增大、密度減小的性質(zhì)，稱流體的壓縮性，又稱為流體的彈性。當流體所受的溫度升高時，體積膨脹、密度減小；溫度降低時體積收縮、密度增大的性質(zhì)稱為膨脹性。第二節(jié)液體的根本特性和主要物理力學(xué)性質(zhì)〔1〕液體的壓縮性和膨脹性〔體積〕壓縮系數(shù)彈性模量(體積)膨脹系數(shù)第二節(jié)液體的根本特性和主要物理力學(xué)性質(zhì)〔1〕液體的壓縮性和膨脹性第二節(jié)液體的根本特性和主要物理力學(xué)性質(zhì)壓縮性和膨脹性

〔2〕氣體的壓縮性和膨脹性在溫度不過低、壓強不過高時，氣體壓強、溫度與比體積〔密度的倒數(shù)〕或密度之間的關(guān)系服從完全氣體。等溫過程壓縮系數(shù)絕熱過程壓縮系數(shù)等壓過程膨脹系數(shù)第二節(jié)液體的根本特性和主要物理力學(xué)性質(zhì)外表張力特性在液體自由外表的分子作用半徑范圍內(nèi)，由于分子引力大于斥力，在表層沿外表方向產(chǎn)生張力，這種張力稱外表張力。液體與氣體相接觸的周界面

液體與固體接觸的周界面

兩種不同液體接觸的周界面

是自由外表上單位長度上所受的張力，隨液體的種類、溫度以及與它外表接觸的物質(zhì)而變化。水水銀二、流體的主要物理性質(zhì)第二節(jié)連續(xù)介質(zhì)假設(shè)流體的主要物理性質(zhì)液體分子逸出液面，向空間擴散的過程稱氣化，液體氣化為蒸汽。汽化的逆過程稱凝結(jié)，蒸汽凝結(jié)為液體。在封閉容器中的液體，汽化與凝結(jié)同時存在，當這兩個過程到達動平衡時，即單位時間內(nèi)汽化的分子數(shù)等于凝結(jié)的分子數(shù)時，宏觀的汽化現(xiàn)象亦即停止。此時容器中的蒸汽稱為飽和蒸汽，相應(yīng)的壓強稱為飽和蒸汽壓強或汽化壓強。汽化壓強一、質(zhì)量力

第三節(jié)作用在流體上的力作用在隔離體內(nèi)每一個流體質(zhì)點上，其大小與質(zhì)量成〔正〕比例的力，稱質(zhì)量力，如重力、慣性力。單位質(zhì)量力作用在流體上的質(zhì)量力，常用單位質(zhì)量力來度量。二、外表力第三節(jié)作用于液體上的力作用于隔離體流體的外表，和作用的面積成〔正〕比例的力，稱外表力。外表力可分為垂直于作用面的壓力和沿作用面方向的切力。壓力－液體單位面積上所受的壓力稱為壓強切力－液體單位面積上的所受的切力稱為切應(yīng)力一、理論分析方法第四節(jié)工程流體力學(xué)的研究方法1.微元〔體〕分析法微元分析法