第一章第二章-流體力學(xué)

1、流體力學(xué)幾個(gè)有趣的問題：1. 為什么將飛機(jī)的外表面做成光滑的流線型？2. 為什么高爾夫球外表面做成粗糙凹槽表面？3. 汽車阻力主要來自前部還是尾部？4. 在沒有空氣產(chǎn)生反推力的外層太空，火箭是如何產(chǎn)生推力？如何轉(zhuǎn)向變軌？第一章第一章 緒緒 論論主要內(nèi)容主要內(nèi)容1.1 1.1 流體力學(xué)的任務(wù)及其發(fā)展流體力學(xué)的任務(wù)及其發(fā)展1.2 1.2 流體的連續(xù)介質(zhì)模型流體的連續(xù)介質(zhì)模型1.3 1.3 作用在流體上的力作用在流體上的力1.11.1 流體力學(xué)的任務(wù)及其發(fā)展簡史流體力學(xué)的任務(wù)及其發(fā)展簡史 流體力學(xué)是研究流體的平衡和流體的機(jī)械運(yùn)動(dòng)流體力學(xué)是研究流體的平衡和流體的機(jī)械運(yùn)動(dòng)規(guī)律及其在工程實(shí)際中應(yīng)用的一門學(xué)

2、科規(guī)律及其在工程實(shí)際中應(yīng)用的一門學(xué)科 流體力學(xué)研究的對(duì)象是流體，包括液體和氣體流體力學(xué)研究的對(duì)象是流體，包括液體和氣體 （本門課程適用氣體條件：（本門課程適用氣體條件：V5070m/s) ) 流體力學(xué)在許多領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用流體力學(xué)在許多領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用三峽水利樞紐三峽水利樞紐一、流體力學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域一、流體力學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域水利工程水利工程遠(yuǎn)洋運(yùn)輸遠(yuǎn)洋運(yùn)輸航天飛機(jī)航天飛機(jī)潛水艇潛水艇軍用飛機(jī)軍用飛機(jī)運(yùn)載火箭運(yùn)載火箭高速列車高速列車地球內(nèi)部巖漿運(yùn)動(dòng)地球內(nèi)部巖漿運(yùn)動(dòng)龍卷風(fēng)龍卷風(fēng)足球運(yùn)動(dòng)足球運(yùn)動(dòng)高爾夫運(yùn)動(dòng)高爾夫運(yùn)動(dòng)高爾夫球運(yùn)行高爾夫球運(yùn)行高層建筑物高層建筑物血液流動(dòng)血液流動(dòng)二、流體力學(xué)的發(fā)展二、流體力

3、學(xué)的發(fā)展 古代流體力學(xué)的情況古代流體力學(xué)的情況 1616世紀(jì)以后，西方資本主義處于上升階段，工世紀(jì)以后，西方資本主義處于上升階段，工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)有了很大的發(fā)展，對(duì)于流體平衡和運(yùn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)有了很大的發(fā)展，對(duì)于流體平衡和運(yùn)動(dòng)規(guī)律的認(rèn)識(shí)才隨之有所提高動(dòng)規(guī)律的認(rèn)識(shí)才隨之有所提高 1818至至1919世紀(jì)，沿著兩條途徑建立了流體運(yùn)動(dòng)的世紀(jì)，沿著兩條途徑建立了流體運(yùn)動(dòng)的系統(tǒng)理論系統(tǒng)理論人類的祖先在海洋里生活了人類的祖先在海洋里生活了4040億年。億年。古代流體力學(xué)的情況古代流體力學(xué)的情況公元前公元前22802280年年 中國的大禹治水中國的大禹治水公元前公元前4 4世紀(jì)世紀(jì) 古羅馬供水系統(tǒng)古羅馬供水系統(tǒng)公元前公

4、元前3 3世紀(jì)世紀(jì) 阿基米德浮力定律阿基米德浮力定律 阿基米德（阿基米德（Archimedes,Archimedes, 287-212 B.C.287-212 B.C.希臘）希臘） 公元前公元前3 3世紀(jì)世紀(jì) 中國四川都江堰水利工程中國四川都江堰水利工程 1616世紀(jì)以后，西方資本主義處于上升階段，工世紀(jì)以后，西方資本主義處于上升階段，工農(nóng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)有了很大的發(fā)展，對(duì)于流體平衡和運(yùn)動(dòng)規(guī)律業(yè)生產(chǎn)有了很大的發(fā)展，對(duì)于流體平衡和運(yùn)動(dòng)規(guī)律的的認(rèn)識(shí)才隨之有所提高。認(rèn)識(shí)才隨之有所提高。 1818至至1919世紀(jì)，沿著兩條途徑建立了流體運(yùn)動(dòng)的系世紀(jì)，沿著兩條途徑建立了流體運(yùn)動(dòng)的系 統(tǒng)理論。統(tǒng)理論。 一條途徑是

5、一條途徑是隨著牛頓運(yùn)動(dòng)定理和微積分方法的建立，隨著牛頓運(yùn)動(dòng)定理和微積分方法的建立，一些數(shù)學(xué)家和力學(xué)家，以牛頓力學(xué)理論和數(shù)學(xué)分析為基一些數(shù)學(xué)家和力學(xué)家，以牛頓力學(xué)理論和數(shù)學(xué)分析為基本方法，建立了理想液體運(yùn)動(dòng)的系統(tǒng)理論，稱為本方法，建立了理想液體運(yùn)動(dòng)的系統(tǒng)理論，稱為“水動(dòng)水動(dòng)力學(xué)力學(xué)”或古典流體力學(xué)或古典流體力學(xué). . 一批著名數(shù)學(xué)家建立了描述無粘性流體運(yùn)動(dòng)一批著名數(shù)學(xué)家建立了描述無粘性流體運(yùn)動(dòng)的理論流體力學(xué)。的理論流體力學(xué)。 歐拉（歐拉（L.EulerL.Euler, , 1707-1783,1707-1783,瑞士）瑞士） 一批著名數(shù)學(xué)家建立了描述無粘性流體運(yùn)動(dòng)一批著名數(shù)學(xué)家建立了描述無粘性流

6、體運(yùn)動(dòng)的理論流體力學(xué)。的理論流體力學(xué)。 伯努利（伯努利（D.BernouliD.Bernouli 1700170017821782，瑞士），瑞士） 一批著名數(shù)學(xué)家建立了描述無粘性流體運(yùn)一批著名數(shù)學(xué)家建立了描述無粘性流體運(yùn)動(dòng)的理論流體力學(xué)。動(dòng)的理論流體力學(xué)。 達(dá)朗貝爾（達(dá)朗貝爾（J.dAlembertJ.dAlembert， 1717171717831783，法國），法國） 一批著名數(shù)學(xué)家建立了描述無粘性流體運(yùn)動(dòng)一批著名數(shù)學(xué)家建立了描述無粘性流體運(yùn)動(dòng)的理論流體力學(xué)。的理論流體力學(xué)。 拉格朗日（拉格朗日（J-L.LagrangeJ-L.Lagrange， 1736173618131813，意大利，

7、意大利) ) 一批著名數(shù)學(xué)家建立了描述無粘性流體運(yùn)動(dòng)一批著名數(shù)學(xué)家建立了描述無粘性流體運(yùn)動(dòng)的理論流體力學(xué)。的理論流體力學(xué)。 拉普拉斯（拉普拉斯（P-S.LaplaceP-S.Laplace， 1749174918271827，法國），法國） 另一途徑是一些土木工程師，根據(jù)實(shí)際工程另一途徑是一些土木工程師，根據(jù)實(shí)際工程 的需要，憑借實(shí)地觀察和室內(nèi)試驗(yàn)，建立實(shí)用的的需要，憑借實(shí)地觀察和室內(nèi)試驗(yàn)，建立實(shí)用的 經(jīng)驗(yàn)公式，以解決實(shí)際工程問題。經(jīng)驗(yàn)公式，以解決實(shí)際工程問題。 代表人物有皮托（代表人物有皮托（H.PitotH.Pitot）、謝才（）、謝才（A.de A.de ChezyChezy）、達(dá)西（）

8、、達(dá)西（H.DarcyH.Darcy）等）等哈根（哈根（G.HagenG.Hagen 德國）和泊肅葉（德國）和泊肅葉（J.PoiseuilleJ.Poiseuille 法法國）建立了圓管流量經(jīng)驗(yàn)公式。國）建立了圓管流量經(jīng)驗(yàn)公式。謝才（謝才（A.ChezyA.Chezy 法國）建立了渠道流量經(jīng)驗(yàn)公式。法國）建立了渠道流量經(jīng)驗(yàn)公式。 謝才（謝才（A.ChezyA.Chezy 法國）法國）18561856年達(dá)西提出了線性滲流的達(dá)西定律年達(dá)西提出了線性滲流的達(dá)西定律 1919世紀(jì)末，理論流體力學(xué)與實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)開始結(jié)合，世紀(jì)末，理論流體力學(xué)與實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)開始結(jié)合，此期間的重大進(jìn)展還有：此期間的重大進(jìn)展還

9、有： 弗魯?shù)拢ǜヴ數(shù)拢╓.Froude,1810W.Froude,18101879,1879,英國）建立了模型英國）建立了模型試驗(yàn)法則。試驗(yàn)法則。 1919世紀(jì)末，理論與實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)開始結(jié)合，世紀(jì)末，理論與實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)開始結(jié)合，此期間的重大進(jìn)展還有：此期間的重大進(jìn)展還有： 瑞利（瑞利（J.RayleighJ.Rayleigh， 1842184219191919，英國），英國） 建議采用建議采用量綱分析法量綱分析法。 1919世紀(jì)末，理論與實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)開始結(jié)合，世紀(jì)末，理論與實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)開始結(jié)合，此期間的重大進(jìn)展還有：此期間的重大進(jìn)展還有： 雷諾（雷諾（O.ReynoldsO.Reynolds，

10、18421842 19121912，愛爾蘭），愛爾蘭） 發(fā)現(xiàn)了發(fā)現(xiàn)了兩種流動(dòng)狀態(tài)兩種流動(dòng)狀態(tài)。 1919世紀(jì)末，理論與實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)開始結(jié)合，此世紀(jì)末，理論與實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)開始結(jié)合，此期間的重大進(jìn)展還有納維（期間的重大進(jìn)展還有納維（L.NavierL.Navier）和斯托克斯）和斯托克斯（G.StokesG.Stokes）建立了粘性流體運(yùn)動(dòng)方程。建立了粘性流體運(yùn)動(dòng)方程。 納維（納維（L.NavierL.Navier） 斯托克斯（斯托克斯（G.StokesG.Stokes） （1785178518361836，法國），法國） （1819181919031903，英國），英國）現(xiàn)代意義上的流體力學(xué)形成

11、于現(xiàn)代意義上的流體力學(xué)形成于2020世紀(jì)初世紀(jì)初普朗特（普朗特（L.PrandtlL.Prandtl， 1875187519531953，德國），德國） 邊界層理論邊界層理論為標(biāo)志為標(biāo)志 卡門、泰勒等眾多科學(xué)家奠定了近代流體力卡門、泰勒等眾多科學(xué)家奠定了近代流體力學(xué)基礎(chǔ)。學(xué)基礎(chǔ)。 卡門（卡門（V.KarmanV.Karman， 泰勒（泰勒（G.TaylorG.Taylor， 1881188119631963，美國），美國） 1886188619751975，英國），英國） 以周培源、錢學(xué)森為代表的中國科學(xué)家在湍以周培源、錢學(xué)森為代表的中國科學(xué)家在湍流理論、流理論、 空氣動(dòng)力學(xué)等許多領(lǐng)域中作出了

12、基礎(chǔ)空氣動(dòng)力學(xué)等許多領(lǐng)域中作出了基礎(chǔ)性、開創(chuàng)性的貢獻(xiàn)。性、開創(chuàng)性的貢獻(xiàn)。 周培源（周培源（1902190219931993） 錢學(xué)森（錢學(xué)森（1911191120092009） 側(cè)重于理論分析的流體力學(xué)稱為理論流體力側(cè)重于理論分析的流體力學(xué)稱為理論流體力學(xué)學(xué) 側(cè)重于工程應(yīng)用的流體力學(xué)稱為工程流體力側(cè)重于工程應(yīng)用的流體力學(xué)稱為工程流體力學(xué)學(xué) 1.2 1.2 流體的連續(xù)介質(zhì)模型流體的連續(xù)介質(zhì)模型1.1.連續(xù)介質(zhì)模型引入連續(xù)介質(zhì)模型引入 流體分子之間不連續(xù)、有間隙。流體分子之間不連續(xù)、有間隙。2.2.流體質(zhì)點(diǎn)流體質(zhì)點(diǎn)( (或稱流體微團(tuán)或稱流體微團(tuán)) ) 忽略尺寸效應(yīng)但包含無數(shù)分子的流體最小單元。忽略

13、尺寸效應(yīng)但包含無數(shù)分子的流體最小單元。3.3.連續(xù)介質(zhì)模型連續(xù)介質(zhì)模型 流體由流體質(zhì)點(diǎn)組成，流體由流體質(zhì)點(diǎn)組成，假設(shè)假設(shè)流體質(zhì)點(diǎn)連續(xù)的、無間隙流體質(zhì)點(diǎn)連續(xù)的、無間隙的分布于整個(gè)流場中。的分布于整個(gè)流場中。1.3 1.3 流體上的作用力流體上的作用力一、作用力一、作用力1.1.表面力表面力 表面力是作用在流體表面或截面上且與作用面的面表面力是作用在流體表面或截面上且與作用面的面積成正比的力，表面力包括壓力和切力。積成正比的力，表面力包括壓力和切力。 （1 1）作用于單位面積上的壓力稱為壓強(qiáng)，以）作用于單位面積上的壓力稱為壓強(qiáng)，以 p 表示表示PpA0limAPdppAdA （2）作用于單位面積上

14、的切力稱為切應(yīng)力，以）作用于單位面積上的切力稱為切應(yīng)力，以表示表示A0limAdAdA 壓強(qiáng)和切應(yīng)力的單位：壓強(qiáng)和切應(yīng)力的單位：N/m2（Pa），），kN/m2（kPa）up2.質(zhì)量力質(zhì)量力質(zhì)量力是作用于流體的每一個(gè)質(zhì)點(diǎn)上且與質(zhì)量成正比的力；質(zhì)量力是作用于流體的每一個(gè)質(zhì)點(diǎn)上且與質(zhì)量成正比的力；對(duì)于均質(zhì)流體，質(zhì)量力與體積成正比，又稱體積力；對(duì)于均質(zhì)流體，質(zhì)量力與體積成正比，又稱體積力；質(zhì)量力包括重力和慣性力；質(zhì)量力包括重力和慣性力；單位質(zhì)量的流體受到的質(zhì)量力稱為單位質(zhì)量的流體受到的質(zhì)量力稱為單位質(zhì)量力單位質(zhì)量力，用，用“ ” 表表示示對(duì)于均質(zhì)流體對(duì)于均質(zhì)流體慣性力）重力），(ammamFfgmm

15、gmFf單位質(zhì)量力在直角坐標(biāo)系的投影分別為 X，Y，Z。第二章第二章 流體的物理特性流體的物理特性主要內(nèi)容主要內(nèi)容2.1 2.1 流體的密度與重度流體的密度與重度2.2 2.2 流體的粘度流體的粘度2.3 2.3 流體的壓縮性與膨脹性流體的壓縮性與膨脹性2.1 2.1 流體的密度與重度流體的密度與重度密度密度單位體積的質(zhì)量。單位體積的質(zhì)量。均質(zhì)流體的密度均質(zhì)流體的密度 （ kg/m3) 水的密度水的密度=1000 =1000 /m3 （標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)：（標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)：1 1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，55） 水銀的密度水銀的密度 =13.61000 （/m3）重度重度單位體積的重量。單位體積的重量。均質(zhì)

16、流體的均質(zhì)流體的重度重度 (/m3) 水的重度水的重度 =9800 （N/m3） 比重比重VmgVmgVG（1 1）定義：流體流動(dòng)時(shí)，相鄰流層或質(zhì)點(diǎn)間產(chǎn)生內(nèi)摩擦力）定義：流體流動(dòng)時(shí)，相鄰流層或質(zhì)點(diǎn)間產(chǎn)生內(nèi)摩擦力以反抗剪切變形的特性稱粘性，（內(nèi)摩擦力稱粘性力）。以反抗剪切變形的特性稱粘性，（內(nèi)摩擦力稱粘性力）。牛頓平板試驗(yàn)牛頓平板試驗(yàn)（2 2）牛頓內(nèi)摩擦定律）牛頓內(nèi)摩擦定律 粘性剪切應(yīng)力粘性剪切應(yīng)力 粘性切應(yīng)力與速度梯度成正比，比例系數(shù)稱動(dòng)力粘性粘性切應(yīng)力與速度梯度成正比，比例系數(shù)稱動(dòng)力粘性系數(shù)，簡稱粘度。系數(shù)，簡稱粘度。FduAdyu=0u=Udyu+ duuFF2.2 2.2 流體的粘度流體

17、的粘度板間距很小時(shí)，速度分布視為線性分布。板間距很小時(shí)，速度分布視為線性分布。剪切應(yīng)力剪切應(yīng)力 u=Uu=0FFdyu+duuFUAh（3 3）流體的粘性系數(shù)）流體的粘性系數(shù)1 1）動(dòng)力粘性系數(shù)）動(dòng)力粘性系數(shù)（物理常數(shù)）物理常數(shù)）NSmas2 2）運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù)）運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù) 3)3)與溫度的關(guān)系與溫度的關(guān)系氣體：溫度上升氣體：溫度上升, , 升高升高 液體液體: : 溫度上升，溫度上升，下降下降水的動(dòng)力粘度與溫度之間的關(guān)系采用經(jīng)驗(yàn)公式近視計(jì)算。水的動(dòng)力粘度與溫度之間的關(guān)系采用經(jīng)驗(yàn)公式近視計(jì)算。（4 4）粘性產(chǎn)生的原因）粘性產(chǎn)生的原因 兩層液體之間的粘性力主要由分子內(nèi)聚力形成兩層液體之間的粘性力

18、主要由分子內(nèi)聚力形成 兩層氣體之間的粘性力主要由分子動(dòng)量交換形成兩層氣體之間的粘性力主要由分子動(dòng)量交換形成例例1 1 兩平行平板間充滿液體，平板移動(dòng)速度兩平行平板間充滿液體，平板移動(dòng)速度0.25m/s0.25m/s，單位，單位面積上所受的作用力面積上所受的作用力2Pa(2Pa(m m) )。試確定平板間液體的粘性系數(shù)試確定平板間液體的粘性系數(shù)。解：解： 000.25/uum s 由牛頓內(nèi)摩擦定律得由牛頓內(nèi)摩擦定律得: :d uud yy20.000520.004(/)0.25N s m0.5mm0.25m/sd uud yyy0.5mm。故。故例例2 2 滑塊從斜面滑下，底面積為滑塊從斜面滑下，底面積為10mm 10mm, ,其質(zhì)量為其質(zhì)量為30kg，其，其間底油膜厚度為間底油膜厚度為0.01cm , ,當(dāng)滑塊底速度恒定為當(dāng)滑塊底速度恒定為1m/s時(shí)時(shí), , 試求油底粘試求油底粘性系數(shù)。性系數(shù)。解：由牛頓第二定理和牛頓內(nèi)摩解：由牛頓