工程流體力學(xué)課件1

1、第一章第一章 緒緒 論論第一節(jié)第一節(jié) 流體的概述流體的概述第二節(jié)第二節(jié) 流體的主要物理性質(zhì)流體的主要物理性質(zhì)第三節(jié)第三節(jié) 作用在流體的力作用在流體的力v重、難點(diǎn)1.1.連續(xù)介質(zhì)和理想液體的概念。連續(xù)介質(zhì)和理想液體的概念。2.2.流體的主要物理力學(xué)性質(zhì)，重點(diǎn)是流體的流體的主要物理力學(xué)性質(zhì)，重點(diǎn)是流體的流動(dòng)性和粘滯性。牛頓內(nèi)摩擦定律。流動(dòng)性和粘滯性。牛頓內(nèi)摩擦定律。3.3.作用在液體上的力：質(zhì)量力、表面力。作用在液體上的力：質(zhì)量力、表面力。 什么是流體？什么是流體？第一節(jié)第一節(jié) 流體的概述流體的概述流體流體 指具有流動(dòng)性且自身不能保持一定指具有流動(dòng)性且自身不能保持一定 形狀的物體，如氣體和液體形狀

2、的物體，如氣體和液體。一一. 流體的定義流體的定義固體固體：有固定的平衡位置，具有一定的體積，有固定的平衡位置，具有一定的體積， 一定的形狀。一定的形狀。觸變質(zhì)觸變質(zhì)：如膠狀物和油漆、瀝青等。如膠狀物和油漆、瀝青等。二二. 流體的特征流體的特征（或物理屬性）：（或物理屬性）：1.1.流動(dòng)性：流動(dòng)性：2.2.連續(xù)性：連續(xù)性：是流體區(qū)別于固體的是流體區(qū)別于固體的根本標(biāo)志根本標(biāo)志。氣體的流動(dòng)性大于液體；氣體的流動(dòng)性大于液體；靜止流體不能承受拉力；靜止流體不能承受拉力；流體在平衡狀態(tài)下不能承受剪切力。流體在平衡狀態(tài)下不能承受剪切力。沒(méi)有固定的形狀，液體的形狀取決于沒(méi)有固定的形狀，液體的形狀取決于盛裝它

3、的容器；氣體完全充滿容器。盛裝它的容器；氣體完全充滿容器。設(shè)流體由很多個(gè)質(zhì)點(diǎn)組成，質(zhì)點(diǎn)之間沒(méi)有縫隙。設(shè)流體由很多個(gè)質(zhì)點(diǎn)組成，質(zhì)點(diǎn)之間沒(méi)有縫隙。即假設(shè)流體是各向同性的即假設(shè)流體是各向同性的連續(xù)介質(zhì)連續(xù)介質(zhì)( (理論模型理論模型) )。有無(wú)固定的有無(wú)固定的體積？體積？能否形成能否形成自由表面？自由表面？是否容易是否容易被壓縮？被壓縮？流體流體氣體氣體無(wú)無(wú)否否易易液體液體有有能能不易不易呈現(xiàn)流動(dòng)性？呈現(xiàn)流動(dòng)性？ 流體流體固體固體 液體、氣體與固體的區(qū)別液體、氣體與固體的區(qū)別二二. . 流體的特征流體的特征 流體質(zhì)點(diǎn)的理論模型：流體質(zhì)點(diǎn)的理論模型：1 1）質(zhì)點(diǎn)的宏觀尺寸非常小，即）質(zhì)點(diǎn)的宏觀尺寸非常小

4、，即limV0 ；2 2）質(zhì)點(diǎn)的微觀尺寸足夠大；）質(zhì)點(diǎn)的微觀尺寸足夠大；3 3）質(zhì)點(diǎn)是一個(gè)物理實(shí)體；）質(zhì)點(diǎn)是一個(gè)物理實(shí)體；4 4）質(zhì)點(diǎn)的形狀可任意劃定，以做到質(zhì)點(diǎn)之間）質(zhì)點(diǎn)的形狀可任意劃定，以做到質(zhì)點(diǎn)之間 無(wú)縫隙。無(wú)縫隙。2.2.連續(xù)介質(zhì)假設(shè)連續(xù)介質(zhì)假設(shè)個(gè)分子個(gè)分子16107.2 1mm3空氣空氣( 1個(gè)大氣壓，個(gè)大氣壓，00C)二二. . 流體的特征流體的特征2）流體質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程是連續(xù)的；表征流體的一 切特性可看成是時(shí)間和空間連續(xù)分布的函數(shù)。1）流體介質(zhì)是由連續(xù)的流體質(zhì)點(diǎn)所組成，流體 質(zhì)點(diǎn)占滿空間而沒(méi)有間隙。2.2.連續(xù)介質(zhì)假設(shè)連續(xù)介質(zhì)假設(shè) 連續(xù)介質(zhì)的內(nèi)涵：連續(xù)介質(zhì)的內(nèi)涵：二二. . 流體

5、的特征流體的特征如如 p，v，a，f（x，y，z，t）三三. 流體力學(xué)的研究?jī)?nèi)容流體力學(xué)的研究?jī)?nèi)容流體力流體力學(xué)分類學(xué)分類 理論流體力學(xué)（流體力學(xué)）理論流體力學(xué)（流體力學(xué)） 應(yīng)用流體力學(xué)應(yīng)用流體力學(xué)（工程流體力學(xué)）（工程流體力學(xué)）工程流體力學(xué)工程流體力學(xué)研究流體靜止和運(yùn)動(dòng)的力學(xué)規(guī)律及研究流體靜止和運(yùn)動(dòng)的力學(xué)規(guī)律及其在工程技術(shù)上的應(yīng)用的一門(mén)學(xué)科其在工程技術(shù)上的應(yīng)用的一門(mén)學(xué)科。 流體力學(xué)的主要研究?jī)?nèi)容流體力學(xué)的主要研究?jī)?nèi)容固定邊界：水工固定邊界：水工建筑物、河床、建筑物、河床、海洋平臺(tái)等海洋平臺(tái)等運(yùn)動(dòng)邊界：飛運(yùn)動(dòng)邊界：飛機(jī)、船只等機(jī)、船只等研究?jī)?nèi)容研究?jī)?nèi)容流體在外力作用下，靜止與運(yùn)動(dòng)的規(guī)律；流體在

6、外力作用下，靜止與運(yùn)動(dòng)的規(guī)律；流體與流體與 邊界邊界 的相互作用。的相互作用。課程地位數(shù)理、力學(xué)數(shù)理、力學(xué) 基礎(chǔ)課程基礎(chǔ)課程流體力學(xué)流體力學(xué)專業(yè)基礎(chǔ)課程專業(yè)基礎(chǔ)課程 學(xué)科有關(guān)學(xué)科有關(guān) 專業(yè)課程專業(yè)課程流體力學(xué)的使用領(lǐng)域流體力學(xué)的使用領(lǐng)域 空氣和水是地球上廣泛存在的物質(zhì)，所以與流體運(yùn)空氣和水是地球上廣泛存在的物質(zhì)，所以與流體運(yùn)動(dòng)關(guān)聯(lián)的力學(xué)問(wèn)題是很普遍的。流體力學(xué)在許多學(xué)科和動(dòng)關(guān)聯(lián)的力學(xué)問(wèn)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。工程領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。流體力學(xué)流體力學(xué)海洋海洋 水利水利航空航天航空航天土木工程土木工程環(huán)境環(huán)境 氣象氣象 石油化工石油化工 機(jī)械冶金機(jī)械冶金 生物生物

7、 航天航空工業(yè)航天航空工業(yè) （空氣動(dòng)力學(xué)）（空氣動(dòng)力學(xué)）造船工業(yè)造船工業(yè) （水動(dòng)力學(xué)）（水動(dòng)力學(xué)）深潛達(dá)數(shù)百米的核動(dòng)力潛艇；深潛達(dá)數(shù)百米的核動(dòng)力潛艇； 石油化工工業(yè)石油化工工業(yè)單價(jià)超過(guò)單價(jià)超過(guò)1010億美元，億美元，能抵御大風(fēng)浪的海上采油平臺(tái)；能抵御大風(fēng)浪的海上采油平臺(tái)；電力工業(yè)電力工業(yè) 水電站、火電站、水電站、火電站、 核電站、地?zé)犭娬竞穗娬尽⒌責(zé)犭娬緳C(jī)械工業(yè)中機(jī)械工業(yè)中 澗滑、冷卻、液壓傳動(dòng)澗滑、冷卻、液壓傳動(dòng) 汽輪機(jī)葉片水輪機(jī)水利工程水利工程 水資源運(yùn)用、泄洪消能、水資源運(yùn)用、泄洪消能、 河道整治河道整治 土建工程公路與橋梁工程土建工程公路與橋梁工程 路基的沉陷、崩竭、滑坡、路基的沉陷、

8、崩竭、滑坡、 橋梁、涵洞、倒虹橋梁、涵洞、倒虹吸管和透水貽堤的修建等吸管和透水貽堤的修建等 楊浦大橋大型水利樞紐工程，超高層建筑，大跨度橋梁大型水利樞紐工程，超高層建筑，大跨度橋梁等的設(shè)計(jì)和建造離不開(kāi)水力學(xué)和風(fēng)工程。等的設(shè)計(jì)和建造離不開(kāi)水力學(xué)和風(fēng)工程。楊浦大橋 災(zāi)害預(yù)報(bào)與控制；災(zāi)害預(yù)報(bào)與控制；發(fā)展更快更安全更舒適的交通工具；發(fā)展更快更安全更舒適的交通工具；各種工業(yè)裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)，降低能耗，減少污各種工業(yè)裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)，降低能耗，減少污染等等。染等等。排球排球足球足球網(wǎng)球網(wǎng)球游泳游泳賽艇賽艇鐵餅鐵餅高爾夫球高爾夫球賽跑賽跑賽車賽車標(biāo)槍標(biāo)槍乒乓球乒乓球羽毛球羽毛球大部分競(jìng)技體育項(xiàng)目與流體力學(xué)有關(guān)

9、大部分競(jìng)技體育項(xiàng)目與流體力學(xué)有關(guān) 30一一. .慣性慣性第二節(jié)第二節(jié) 流體的主要物理性質(zhì)流體的主要物理性質(zhì)VmV0lim ：重度或容重重度或容重gVmgV0lim單位：?jiǎn)挝唬篘/m3 ，或，或 kN/m3單位：?jiǎn)挝唬?kg/m3 熟記：熟記：3333kN/m3.133,kg/m13600N/m9800,kg/m1000HgHgww以密度以密度來(lái)衡量來(lái)衡量 牛頓在牛頓在自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理(1687)(1687)中指出：中指出： 相鄰兩層流體作相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)存在相鄰兩層流體作相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)存在內(nèi)摩擦內(nèi)摩擦作用作用, ,稱為粘性力。稱為粘性力。 庫(kù)侖實(shí)驗(yàn)庫(kù)侖實(shí)驗(yàn)(1784)(1784)庫(kù)侖

10、用液體內(nèi)懸吊圓盤(pán)擺動(dòng)實(shí)驗(yàn)證實(shí)流體存在庫(kù)侖用液體內(nèi)懸吊圓盤(pán)擺動(dòng)實(shí)驗(yàn)證實(shí)流體存在內(nèi)摩擦內(nèi)摩擦。 二二. .粘性粘性 粘性定義粘性定義流體內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)間或流層間因相對(duì)運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生內(nèi)摩擦力流體內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)間或流層間因相對(duì)運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生內(nèi)摩擦力 （內(nèi)力（內(nèi)力/ /粘性力）粘性力）以以反抗反抗相對(duì)運(yùn)動(dòng)的性質(zhì)相對(duì)運(yùn)動(dòng)的性質(zhì) 粘性特性粘性特性 粘性是流體抵抗變形的能力，粘性是流體抵抗變形的能力， 是流體的固有屬性，是流體的固有屬性， 是運(yùn)動(dòng)流體產(chǎn)生機(jī)械能損失的根源是運(yùn)動(dòng)流體產(chǎn)生機(jī)械能損失的根源二二. .粘性粘性 拉力拉力T與接觸面積與接觸面積A、速度梯度速度梯度 成正比，即成正比，即 dyduyuATdd或或yuATdd上

11、兩式均稱為上兩式均稱為牛頓內(nèi)摩擦阻力定律牛頓內(nèi)摩擦阻力定律。 牛頓內(nèi)摩擦定律牛頓內(nèi)摩擦定律二二. .粘性粘性實(shí)驗(yàn)測(cè)得：實(shí)驗(yàn)測(cè)得： 牛頓內(nèi)摩擦阻力定律適用于空氣、水、牛頓內(nèi)摩擦阻力定律適用于空氣、水、石油等大多數(shù)流體。石油等大多數(shù)流體。 凡符合這一定律的流體稱為凡符合這一定律的流體稱為牛頓流體牛頓流體，不，不符合的流體為符合的流體為非牛頓流體非牛頓流體。流變圖（流變曲線）流變圖（流變曲線） 理想流體理想流體（無(wú)粘性流體）（無(wú)粘性流體）: : =0 實(shí)際流體實(shí)際流體（粘性流體）（粘性流體） : : 0 牛頓內(nèi)摩擦阻力定律牛頓內(nèi)摩擦阻力定律二二. .粘性粘性 當(dāng)當(dāng)h很小時(shí)，阻力定律可寫(xiě)為很小時(shí)，阻力

12、定律可寫(xiě)為 ，即速度為即速度為線性分布線性分布。hUyudd 速度分布圖形不同時(shí)，剪應(yīng)力速度分布圖形不同時(shí)，剪應(yīng)力分布也不同。分布也不同。拋物線分布拋物線分布u直線分布直線分布u二二. .粘性粘性 動(dòng)力粘滯系數(shù)。動(dòng)力粘滯系數(shù)。 N.s/mN.s/m2 2 ；Pa.SPa.S 運(yùn)動(dòng)粘滯系數(shù)。運(yùn)動(dòng)粘滯系數(shù)。 m m2 2/S/S ),(PTf、 1 1泊泊=1g/s.cm=0.1kg/s.m =0.1N.s/m=1g/s.cm=0.1kg/s.m =0.1N.s/m2 2=0.102kgf.s/m=0.102kgf.s/m2 2 1m1m2 2/s = 10/s = 104 4 cmcm2 2/s

13、 = 10/s = 104 4 斯斯 T T的影響較大，的影響較大，P P的影響不大；的影響不大；表征量粘度表征量粘度反應(yīng)粘性大小的一個(gè)物理量，與流體種類有關(guān)反應(yīng)粘性大小的一個(gè)物理量，與流體種類有關(guān) 單位換算單位換算 : :粘度的影響因素粘度的影響因素: :二二. .粘性粘性 容易解釋為什么容易解釋為什么 是剪切是剪切（角）變形速率，它表示流體（角）變形速率，它表示流體 直角減小的速度。直角減小的速度。 滿足牛頓內(nèi)摩擦定律的流體稱為牛頓流體，滿足牛頓內(nèi)摩擦定律的流體稱為牛頓流體， 否則稱為非牛頓流體否則稱為非牛頓流體。yudd角變形速率角變形速率yudd二二. .粘性粘性 分子間的吸引力分子間

14、的吸引力 分子運(yùn)動(dòng)引起流分子運(yùn)動(dòng)引起流體層間的動(dòng)量交換體層間的動(dòng)量交換液體液體以此以此為主為主氣體氣體以此以此為主為主形成牛頓形成牛頓內(nèi)摩擦力內(nèi)摩擦力物理機(jī)理物理機(jī)理二二. .粘性粘性水空氣 隨著溫度升高，液體的粘隨著溫度升高，液體的粘性系數(shù)下降；氣體的粘性系性系數(shù)下降；氣體的粘性系數(shù)上升。數(shù)上升。 今后在談及粘性系數(shù)時(shí)今后在談及粘性系數(shù)時(shí)一定指明當(dāng)時(shí)的溫度。一定指明當(dāng)時(shí)的溫度。 運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù)運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù)具有運(yùn)動(dòng)學(xué)量綱。具有運(yùn)動(dòng)學(xué)量綱。注意注意二二. .粘性粘性【例例】一底面積為一底面積為4550cm2，高，高1cm的木塊，質(zhì)量的木塊，質(zhì)量為為5kg，沿涂有潤(rùn)滑油的斜角為，沿涂有潤(rùn)滑油的斜角為

15、30的的斜面向下作等斜面向下作等速運(yùn)動(dòng)，木塊運(yùn)動(dòng)速度速運(yùn)動(dòng)，木塊運(yùn)動(dòng)速度u=1m/s，油層厚度，油層厚度1cm，求，求油的粘度。油的粘度。 udsinduumgTAAy001. 0145. 04 . 030sin8 . 95sinuAmgsPa136. 0【解解】木塊重量沿斜坡分力木塊重量沿斜坡分力F 與切力與切力T 平衡時(shí)，等速下平衡時(shí)，等速下滑。由于油層厚度很小，速度分布可看成線性分布?；?。由于油層厚度很小，速度分布可看成線性分布。三三. .壓縮性壓縮性壓強(qiáng)增大使體積減小的性質(zhì)壓強(qiáng)增大使體積減小的性質(zhì)pVVdd單位：?jiǎn)挝唬簃2/N，Pa-1 可壓縮流體可壓縮流體不可壓縮流體不可壓縮流體：密

16、度密度為變量，即為變量，即= (x,y,z,t)：密度密度為常數(shù)，即為常數(shù)，即=C 注：通常情況下，液體為不可壓縮流體，注：通常情況下，液體為不可壓縮流體，氣體為可壓縮流體。氣體為可壓縮流體。壓縮系數(shù)：壓縮系數(shù)：四四. .膨脹性膨脹性溫度升高使體積增大的性質(zhì)溫度升高使體積增大的性質(zhì)膨脹系數(shù)：膨脹系數(shù)：tVVVdd單位：?jiǎn)挝唬?，/K氣體狀態(tài)方程：氣體狀態(tài)方程：nRTpVVV-Vpp+p1 1、連續(xù)介質(zhì)模型（、連續(xù)介質(zhì)模型（continuum continuous medium modelcontinuum continuous medium model）：）： 不考慮水分子間隙。不考慮水分子間

17、隙。 把水視為沒(méi)有間隙地充滿它所占據(jù)的整個(gè)把水視為沒(méi)有間隙地充滿它所占據(jù)的整個(gè)空間的一種空間的一種連續(xù)介質(zhì)，連續(xù)介質(zhì)，且其所有的物理量都是且其所有的物理量都是空間坐標(biāo)和時(shí)間的連續(xù)函數(shù)的一種空間坐標(biāo)和時(shí)間的連續(xù)函數(shù)的一種假設(shè)假設(shè)模型模型 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)： (1)(1)排除分子運(yùn)動(dòng)的干擾排除分子運(yùn)動(dòng)的干擾 (2)(2)可可運(yùn)用數(shù)學(xué)連續(xù)函數(shù)運(yùn)用數(shù)學(xué)連續(xù)函數(shù)作為水運(yùn)動(dòng)分析的工具作為水運(yùn)動(dòng)分析的工具2 2、理想液體模型、理想液體模型： 不考慮水的粘度不考慮水的粘度 3 3、不可壓縮液體模型：、不可壓縮液體模型： 不考慮水的壓縮性不考慮水的壓縮性 把水視為沒(méi)有粘性，即粘性系數(shù)為零，在把水視為沒(méi)有粘性，即粘性系

18、數(shù)為零，在分析問(wèn)題的過(guò)程中可以分析問(wèn)題的過(guò)程中可以不考慮粘滯力不考慮粘滯力的影響，的影響，可容易得到液體運(yùn)動(dòng)的一些規(guī)律。然后再對(duì)粘可容易得到液體運(yùn)動(dòng)的一些規(guī)律。然后再對(duì)粘性進(jìn)行專門(mén)研究加以性進(jìn)行專門(mén)研究加以修正修正。 液體的壓縮性與膨脹性都很液體的壓縮性與膨脹性都很小小，在壓強(qiáng)與，在壓強(qiáng)與溫度變化不大時(shí)，可把液體看作不可壓縮水。溫度變化不大時(shí)，可把液體看作不可壓縮水。 第三節(jié)第三節(jié) 作用在流體上的力作用在流體上的力質(zhì)量力質(zhì)量力：作用在流體的每一個(gè)質(zhì)點(diǎn)上，與流作用在流體的每一個(gè)質(zhì)點(diǎn)上，與流體質(zhì)點(diǎn)的質(zhì)量大小成正比。體質(zhì)點(diǎn)的質(zhì)量大小成正比。（如重力、慣性力、電場(chǎng)力）（如重力、慣性力、電場(chǎng)力）以單位質(zhì)量的質(zhì)量力表示：以單位質(zhì)量的質(zhì)量力表示：kFjFi