《流体力学》全册配套完整教学课件.pptx

1、流体力学全册配套完整流体力学全册配套完整教学课件教学课件2工程流体力学工程流体力学3 参考书参考书答疑：答疑：周三周三15：0017：00，机电学院，机电学院A319成绩：成绩：试卷成绩试卷成绩70%，实验成绩，实验成绩15%，平时成绩，平时成绩15%考试方式：考试方式：闭卷闭卷工程流体力学工程流体力学周光炯编周光炯编 流体力学（上下册）流体力学（上下册） 高教版高教版陈卓如编工程流体力学高教版陈卓如编工程流体力学高教版孔珑编工程流体力学水电版孔珑编工程流体力学水电版邹正龙编流体力学学习辅导与习题解答邹正龙编流体力学学习辅导与习题解答4工程流体力学工程流体力学前言前言工程流体力学的研究对象工程

2、流体力学的研究对象流体力学是以流体流体力学是以流体(包括液体和气体包括液体和气体)为对象，研究为对象，研究其平衡和运动时宏观基本规律的科学。主要研究流体在其平衡和运动时宏观基本规律的科学。主要研究流体在平衡和运动时的压力分布、速度分布、与固体之间的相平衡和运动时的压力分布、速度分布、与固体之间的相互作用以及流动过程中的能量转换等。互作用以及流动过程中的能量转换等。流体力学在许多工程技术领域和国民经济各生产部流体力学在许多工程技术领域和国民经济各生产部门有着广泛的应用。水利工程、采暖通风、石油化工、门有着广泛的应用。水利工程、采暖通风、石油化工、航空航天等，都会涉及到流体的平衡和运动。因此，流航

3、空航天等，都会涉及到流体的平衡和运动。因此，流体力学是一门重要的技术基础课程。体力学是一门重要的技术基础课程。5工程流体力学工程流体力学前言前言知识准备知识准备流体力学在研究流体平衡和机械运动规律时，要应用物理学流体力学在研究流体平衡和机械运动规律时，要应用物理学及理论力学中有关物理平衡及运动规律的原理，如力系平衡及理论力学中有关物理平衡及运动规律的原理，如力系平衡定理、动量定理、机械能守恒定理，等等。因为流体在平衡定理、动量定理、机械能守恒定理，等等。因为流体在平衡或运动状态下，也同样遵循这些普遍的原理。所以物理学和或运动状态下，也同样遵循这些普遍的原理。所以物理学和理论力学的知识是学习流体

4、力学课程必要的基础。理论力学的知识是学习流体力学课程必要的基础。 工程流体力学分类：工程流体力学分类：根据流体力学在各个工程领域的应用，流体力学可分为以根据流体力学在各个工程领域的应用，流体力学可分为以下三类：下三类： 水利类流体力学：面向水工、水动、海洋等；水利类流体力学：面向水工、水动、海洋等； 机械类流体力学：面向机械、冶金、化工、水机等；机械类流体力学：面向机械、冶金、化工、水机等； 土木类流体力学：面向市政、工民建、道桥、城市防洪等土木类流体力学：面向市政、工民建、道桥、城市防洪等6研究方法研究方法:理论分析理论分析: :流体力学引用的主要定理有：流体力学引用的主要定理有： （1）质

5、量守恒定律：）质量守恒定律： （2）动量守恒定律：）动量守恒定律： （3）牛顿运动第二定律：）牛顿运动第二定律： （4）能量守恒定律：动能）能量守恒定律：动能+压能压能+位能位能+能量损失能量损失 =const 实验研究方法实验研究方法: : 实验研究形式：原型观测实验研究形式：原型观测 、系统实验、模型试验、系统实验、模型试验 数值计算方法数值计算方法 ：数值方法是在计算机应用的基础上，采用各种离散化方法数值方法是在计算机应用的基础上，采用各种离散化方法（有限差分法、有限元法等），建立各种数值模型，通过（有限差分法、有限元法等），建立各种数值模型，通过计算机进行数值计算和数值实验，得到在时间

6、和空间上许计算机进行数值计算和数值实验，得到在时间和空间上许多数字组成的集合体，最终获得定量描述流场的数值解。多数字组成的集合体，最终获得定量描述流场的数值解。近二三十年来，这一方法得到很大发展，已形成专门学近二三十年来，这一方法得到很大发展，已形成专门学科科计算流体力学。计算流体力学。 工程流体力学工程流体力学前言前言7流体力学在土木中的应用流体力学在土木中的应用 1.在流体力学已广泛用于土木工程的各个领域，如建筑工程和土在流体力学已广泛用于土木工程的各个领域，如建筑工程和土建工程中的应用。如基坑排水、路基排水、地下水渗透、地基坑建工程中的应用。如基坑排水、路基排水、地下水渗透、地基坑渗稳定

7、处理、围堰修建、海洋平台在水中的浮性和抵抗外界扰动渗稳定处理、围堰修建、海洋平台在水中的浮性和抵抗外界扰动的稳定性等。的稳定性等。 2.在市政工程中的应用。如桥涵孔径设计、给水排水、管网计算、在市政工程中的应用。如桥涵孔径设计、给水排水、管网计算、 泵站和水塔的设计、隧洞通风等，特别是给水排水工程中，无论泵站和水塔的设计、隧洞通风等，特别是给水排水工程中，无论取水、水处理、输配水都是在水流动过程中实现的。流体力学理取水、水处理、输配水都是在水流动过程中实现的。流体力学理论是给水排水系统设计和运行控制的理论基础。论是给水排水系统设计和运行控制的理论基础。 3.城市防洪工程中的应用。如堤、坝的作用

8、力与渗流问题、防洪闸城市防洪工程中的应用。如堤、坝的作用力与渗流问题、防洪闸坝的过流能力等。坝的过流能力等。 4.在建筑环境与设备工程中的应用。如供热、通风与空调设计，在建筑环境与设备工程中的应用。如供热、通风与空调设计，以及设备的选用等。以及设备的选用等。 工程流体力学工程流体力学前言前言8流体力学的发展简史流体力学的发展简史 模糊的认知； 经典流体力学； 现代流体力学； 当代流体力学。 在古代，随着人类的农业灌溉和水上航行活动的增加，人类开始定性地认识水流动的规律。大约在公元前250年，阿基米德提出了浮力定律，这是人类运用流体力学原理定量地分析实际问题的开始。直到17和18世纪欧拉提出流体

9、运动的描述方法和无粘性流体运动的微分方程，经典流体力学才建立起来。 在19世纪末期，物理学家和数学家的流体力学理论研究和工程师们的经验研究结合起来，相互交融，使流体力学产生了突破性进展。20世纪初普朗特提出了边界层概念和边界层理论，标志现代流体力学建立。边界层理论为飞机制造和航空业的发展铺平了道路。 当代流体力学仍是非常活跃的学科。流体力学与多种学科渗透、交叉形成许多流体力学新的分支，如研究两相或三相共存的流动的两相和多相流体力学、研究流动中有化学反应的化学流体力学、研究磁流体发电的磁流体力学、研究星云运动的天体流体力学、研究土壤内水流动的渗流力学，以及研究生物体内流体传输运动的生物流体力学等

10、等。流体力学的发展简史流体力学的发展简史17世纪：流体力学初步形成；世纪：流体力学初步形成；1653年：帕斯卡，流体静力学；年：帕斯卡，流体静力学；1738年：伯努力管流的伯努力利定理；年：伯努力管流的伯努力利定理；1775年：欧拉提出无粘流体运动方程，理论基础；年：欧拉提出无粘流体运动方程，理论基础；1823年：纳维，斯托克斯：粘性流体的运动微分方年：纳维，斯托克斯：粘性流体的运动微分方程；程；我国的水利工程；大禹治水、都江堰、郑国渠、现我国的水利工程；大禹治水、都江堰、郑国渠、现代的葛洲坝、三峡。代的葛洲坝、三峡。流体力学的发展简史流体力学的发展简史11流体力学的发展简史流体力学的发展简史

11、流体力学在中国流体力学在中国大禹治水大禹治水 40004000多年前的大禹治水，说明我国古代已有大规模的治多年前的大禹治水，说明我国古代已有大规模的治河工程。河工程。 ( (公元前公元前256210256210年年) ) 秦代，在公元前秦代，在公元前256-256-前前210210年间便修建了都江堰、郑国年间便修建了都江堰、郑国渠、灵渠三大水利工程，说明当时对明槽水流和堰流流动规渠、灵渠三大水利工程，说明当时对明槽水流和堰流流动规律的认识已经达到相当水平。律的认识已经达到相当水平。龙首渠龙首渠（公元前（公元前156-156-前前8787） 西汉武帝时期，为引洛水灌溉农田，在黄土高原上修建了西汉

12、武帝时期，为引洛水灌溉农田，在黄土高原上修建了龙首渠，创造性地采用了井渠法，即用竖井沟通长十余里的龙首渠，创造性地采用了井渠法，即用竖井沟通长十余里的穿山隧洞，有效地防止了黄土的塌方。穿山隧洞，有效地防止了黄土的塌方。12水利风力机械 在古代，以水为动力的简单机械也有了长足的发展，例如用水轮提水，或通过简单的机械传动去碾米、磨面等。东汉杜诗任南阳太守时（公元37年）曾创造水排水排（水力鼓风机），利用水力，通过传动机械，使皮制鼓风囊连续开合，将空气送入冶金炉，较西欧约早了一千一百年。流体力学的发展简史流体力学的发展简史流体力学在中国流体力学在中国13流体力学的发展简史流体力学的发展简史流体力学在

13、中国流体力学在中国真州船闸真州船闸 北宋（北宋（960-1126960-1126）时期，在运河上修建的真州船闸与十四）时期，在运河上修建的真州船闸与十四世纪末荷兰的同类船闸相比，约早三百多年。世纪末荷兰的同类船闸相比，约早三百多年。潘季顺潘季顺明朝的水利家潘季顺（明朝的水利家潘季顺（1521-15951521-1595）提出了）提出了“筑堤防溢，筑堤防溢，建坝减水，以堤束水，以水攻沙建坝减水，以堤束水，以水攻沙”和和“借清刷黄借清刷黄”的的治黄原则，并著有，并著有两河管见两河管见、两河经略两河经略和和河防一揽河防一揽。流 量清朝雍正年间，何梦瑶在清朝雍正年间，何梦瑶在算迪算迪一书中提出一书中提

14、出流量等于过等于过水断面面积乘以断面平均流速的计算方法。水断面面积乘以断面平均流速的计算方法。14流体力学的发展简史流体力学的发展简史流体力学在中国流体力学在中国钱学森钱学森 钱学森（钱学森（19111911）浙江省杭州市人，）浙江省杭州市人， 他在火箭、导弹、航天器的总体、动力、他在火箭、导弹、航天器的总体、动力、制导、气动力、结构、材料、计算机、质制导、气动力、结构、材料、计算机、质量控制和科技管理等领域的丰富知识，为量控制和科技管理等领域的丰富知识，为中国火箭导弹和航天事业的创建与发展作中国火箭导弹和航天事业的创建与发展作出了杰出的贡献。出了杰出的贡献。19571957年获中国科学院年获

15、中国科学院自然科学一等奖，自然科学一等奖，19791979年获美国加州理年获美国加州理工学院杰出校友奖，工学院杰出校友奖，19851985年获国家科技年获国家科技进步奖特等奖。进步奖特等奖。19891989年获小罗克维尔奖年获小罗克维尔奖章和世界级科学与工程名人称号，章和世界级科学与工程名人称号，19911991年被国务院、中央军年被国务院、中央军委授予委授予“国家杰出贡献科学家国家杰出贡献科学家”荣誉称号和一级英模奖章。荣誉称号和一级英模奖章。15流体力学的发展简史流体力学的发展简史流体力学在中国流体力学在中国周培源周培源（ 190219021993)1993)。 19021902年年8 8

16、月月2828日出生，江苏宜兴人。理论日出生，江苏宜兴人。理论学家、流体力学家学家、流体力学家, ,主要从事物理学的基础理主要从事物理学的基础理论中难度最大的两个方面即爱因斯坦广义相对论中难度最大的两个方面即爱因斯坦广义相对论引力论和流体力学中的湍流理论的研究与教论引力论和流体力学中的湍流理论的研究与教学并取得出色成果。学并取得出色成果。吴仲华吴仲华（Wu Zhonghua）在1952年发表的在轴流式、 径流式和混流式亚声速和超声速叶轮机械中的三元流普遍理论和在1975年发表的使用非正交曲线坐标的叶轮机械三元流动的基本方程及其解法两篇论文中所建立的叶轮机械三元流理论，至今仍是国内外许多优良叶轮机

17、械设计计算的主要依据。16流体力学的发展简史流体力学的发展简史流体力学在西方流体力学在西方阿基米德阿基米德（Archimedes，公元前，公元前287212）西方诸国历史上有记载的最西方诸国历史上有记载的最早从事流体力学现象研究的是古早从事流体力学现象研究的是古希腊学者阿基米德在公元前希腊学者阿基米德在公元前250年发表学术论文年发表学术论文论浮体论浮体，第，第一个阐明了相对密度的概念，发一个阐明了相对密度的概念，发现了物体在流体中所受浮力的基现了物体在流体中所受浮力的基本原理本原理阿基米德原理。阿基米德原理。 17流体力学的发展简史流体力学的发展简史流体力学在西方流体力学在西方列列奥纳德.达

18、.芬奇（Leonardo.da.Vinci,14521519） 著名物理学家和艺术家著名物理学家和艺术家 设计建造了一小型水设计建造了一小型水渠，系统地研究了物体的沉浮、孔口出流、物渠，系统地研究了物体的沉浮、孔口出流、物体的运动阻力以及管道、明渠中水流等问题。体的运动阻力以及管道、明渠中水流等问题。 列列奥纳德.达.芬奇（Leonardo.da.Vinci,14521519） 著名物理学家和艺术家著名物理学家和艺术家 设计建造了一小型水设计建造了一小型水渠，系统地研究了物体的沉浮、孔口出流、物渠，系统地研究了物体的沉浮、孔口出流、物体的运动阻力以及管道、明渠中水流等问题。体的运动阻力以及管道

19、、明渠中水流等问题。 帕斯卡（B.Pascal,1623-1662） 提出了密闭流体能传递压强的原理提出了密闭流体能传递压强的原理-帕斯卡帕斯卡原理。原理。18流体力学的发展简史流体力学的发展简史流体力学在西方流体力学在西方牛 顿 是英国伟大的数学家、物理学家、天文学是英国伟大的数学家、物理学家、天文学家和自然哲学家。家和自然哲学家。1642年年12月月25日生于英格日生于英格兰林肯郡格兰瑟姆附近的沃兰林肯郡格兰瑟姆附近的沃 尔索普村，尔索普村，1727年年3月月20日在伦敦病逝。牛顿在科学上最日在伦敦病逝。牛顿在科学上最卓越的贡献是微积分和经典力学的创建。卓越的贡献是微积分和经典力学的创建。

20、牛顿的成就，恩格斯中概括得最为完整：牛牛顿的成就，恩格斯中概括得最为完整：牛顿由于发明了万有引力定律而创立了科学的天文学，由于进行顿由于发明了万有引力定律而创立了科学的天文学，由于进行了光的分解而创立了科学的光学，由于创立了二项式定理和无了光的分解而创立了科学的光学，由于创立了二项式定理和无限理论而创立了科学的数学，由于认识了力的本性而创立了科限理论而创立了科学的数学，由于认识了力的本性而创立了科学的力学学的力学。19伯努利（D.Bernoulli，17001782）瑞士科学家瑞士科学家 在在1738年出版的名著年出版的名著流流体动力学体动力学中，建立了流体位势中，建立了流体位势能、压强势能和

21、动能之间的能量能、压强势能和动能之间的能量转换关系转换关系伯努利方程。在此历伯努利方程。在此历史阶段，诸学者的工作奠定了流史阶段，诸学者的工作奠定了流体静力学的基础，促进了流体动体静力学的基础，促进了流体动力学的发展。力学的发展。 流体力学的发展简史流体力学的发展简史流体力学在西方流体力学在西方20流体力学的发展简史流体力学的发展简史流体力学在西方流体力学在西方欧 拉（L.Euler，17071783） 是经典流体力学的奠基是经典流体力学的奠基人，人，1755年发表年发表流体运动的流体运动的一般原理一般原理，提出了流体的连，提出了流体的连续介质模型，建立了连续性微续介质模型，建立了连续性微分方

22、程和理想流体的运动微分分方程和理想流体的运动微分方程，给出了不可压缩理想流方程，给出了不可压缩理想流体运动的一般解析方法。他提体运动的一般解析方法。他提出了研究流体运动的两种不同出了研究流体运动的两种不同方法及速度势的概念，并论证方法及速度势的概念，并论证了速度势应当满足的运动条件了速度势应当满足的运动条件和方程。和方程。21流体力学的发展简史流体力学的发展简史流体力学在西方流体力学在西方达朗伯（J.le R.dAlembert,17171783） 1744年提出了达朗伯疑题（又称达朗伯佯谬），即在理年提出了达朗伯疑题（又称达朗伯佯谬），即在理想流体中运动的物体既没有升力也没有阻力。从反面说明

23、了想流体中运动的物体既没有升力也没有阻力。从反面说明了理想流体假定的局限性。理想流体假定的局限性。拉格朗日（J.-L.Lagrange,17361813） 提出了新的流体动力学微分方提出了新的流体动力学微分方程，使流体动力学的解析方法有了程，使流体动力学的解析方法有了进一步发展。严格地论证了速度势进一步发展。严格地论证了速度势的存在，并提出了流函数的概念，的存在，并提出了流函数的概念，为应用复变函数去解析流体定常的为应用复变函数去解析流体定常的和非定常的平面无旋运动开辟了道和非定常的平面无旋运动开辟了道路。路。22流体力学的发展简史流体力学的发展简史流体力学在西方流体力学在西方弗劳德（W.Fr

24、oude，1810-1879）对船舶阻力和摇摆的研究）对船舶阻力和摇摆的研究颇有贡献，他提出了船模试验的相似准则数颇有贡献，他提出了船模试验的相似准则数-弗劳德数，建立弗劳德数，建立了现代船模试验技术的基础。了现代船模试验技术的基础。亥姆霍兹（H.von Helmholtz,1821-1894）和基尔霍夫）和基尔霍夫（G.R.Kirchhoff,1824-1887）对旋涡运动和分离流动进行了）对旋涡运动和分离流动进行了大量的理论分析和实验研究，提出了表征旋涡基本性质的旋大量的理论分析和实验研究，提出了表征旋涡基本性质的旋涡定理、带射流的物体绕流阻力等学术成就。涡定理、带射流的物体绕流阻力等学术

25、成就。23流体力学的发展简史流体力学的发展简史流体力学在西方流体力学在西方纳维纳维（C.-L.-M.-H.Navier）首先提出了不可压缩粘性流体的）首先提出了不可压缩粘性流体的运动微分方程组。运动微分方程组。斯托克斯斯托克斯（G.G.Stokes）严格地导出了这）严格地导出了这些方程，并把流体质点的运动分解为平动、转动、线变形、些方程，并把流体质点的运动分解为平动、转动、线变形、角变形。后来引用时，便统称该方程为纳维角变形。后来引用时，便统称该方程为纳维-斯托克斯方程。斯托克斯方程。纳维（L.Navier，17851836，法国）斯托克斯（G.Stokes，18191903，英国）24流体力

26、学的发展简史流体力学的发展简史流体力学在西方流体力学在西方谢 才（A.de Chzy法国法国 ）在）在1755年便总结出明渠均匀流公式年便总结出明渠均匀流公式-谢才公式，一直沿用至今。谢才公式，一直沿用至今。雷 诺（O.Reynolds，1842-1912）1883年用实验证实了粘性流体的年用实验证实了粘性流体的两种流动状态两种流动状态层流和紊流的客层流和紊流的客观存在，找到了实验研究粘性流观存在，找到了实验研究粘性流体流动规律的相似准则数体流动规律的相似准则数雷诺雷诺数，以及判别层流和紊流的临界数，以及判别层流和紊流的临界雷诺数，为流动阻力的研究奠定雷诺数，为流动阻力的研究奠定了基础。了基础

27、。25流体力学的发展简史流体力学的发展简史流体力学在西方流体力学在西方瑞 利（L.J.W.Reyleigh，1842-1919英国）在相似原理的基础英国）在相似原理的基础上，提出了实验研究的量纲分析法中的一种方法上，提出了实验研究的量纲分析法中的一种方法-瑞利法。瑞利法。库 塔（M.W.KuttaM.W.Kutta，1867186719441944）19021902年就曾提出过绕流物年就曾提出过绕流物体上的升力理论，但没有在通行的刊物上发表。体上的升力理论，但没有在通行的刊物上发表。儒科夫斯基（.,1847.,184719211921）从）从19061906年起，发表了年起，发表了论依附涡流论

28、依附涡流等论文，找到了翼型升力等论文，找到了翼型升力和绕翼型的环流之间的关系，建立了二维升力理论的数学基和绕翼型的环流之间的关系，建立了二维升力理论的数学基础。他还研究过螺旋桨的涡流理论以及低速翼型和螺旋桨桨础。他还研究过螺旋桨的涡流理论以及低速翼型和螺旋桨桨叶剖面等。他的研究成果，对空气动力学的理论和实验研究叶剖面等。他的研究成果，对空气动力学的理论和实验研究都有重要贡献，为近代高效能飞机设计奠定了基础。都有重要贡献，为近代高效能飞机设计奠定了基础。26流体力学的发展简史流体力学的发展简史流体力学在西方流体力学在西方普朗特（L.Prandtl，18751953） 建立了边界层理论，解释了阻力

29、产生的机制。建立了边界层理论，解释了阻力产生的机制。以后又针对航空技术和其他工程技术中出现的以后又针对航空技术和其他工程技术中出现的紊流边界层，提出混合长度理论。紊流边界层，提出混合长度理论。1918-1919年间，论述了大展弦比的有限翼展机翼理论，年间，论述了大展弦比的有限翼展机翼理论，对现代航空工业的发展作出了重要的贡献。对现代航空工业的发展作出了重要的贡献。卡 门（T.von Krmn，1881-1963）在）在1911-1912年连续发表的论文中，提出了分析带旋涡年连续发表的论文中，提出了分析带旋涡尾流及其所产生的阻力的理论，人们称这种尾尾流及其所产生的阻力的理论，人们称这种尾涡的排列

30、为涡的排列为卡门涡街。在。在1930年年的论文中，提的论文中，提出了计算紊流粗糙管阻力系数的理论公式。嗣出了计算紊流粗糙管阻力系数的理论公式。嗣后，在紊流边界层理论、超声速空气动力学、后，在紊流边界层理论、超声速空气动力学、火箭及喷气技术等方面都有不少贡献。火箭及喷气技术等方面都有不少贡献。27流体力学的发展简史流体力学的发展简史流体力学在西方流体力学在西方布拉休斯布拉休斯（H.Blasius）在）在1913年发表的论文中，提出了计算紊年发表的论文中，提出了计算紊流光滑管阻力系数的经验公式。流光滑管阻力系数的经验公式。伯金汉伯金汉（E.Buckingham）在）在1914年发表的年发表的在物理

31、的相似系统在物理的相似系统中量纲方程应用的说明中量纲方程应用的说明论文中，提出了著名的论文中，提出了著名的定理，进一步定理，进一步完善了量纲分析法。完善了量纲分析法。尼古拉兹尼古拉兹（J.Nikuradze）在）在1933年发表的论文中，公布了他对年发表的论文中，公布了他对砂粒粗糙管内水流阻力系数的实测结果砂粒粗糙管内水流阻力系数的实测结果-尼古拉兹曲线，据此他尼古拉兹曲线，据此他还给紊流光滑管和紊流粗糙管的理论公式选定了应有的系数。还给紊流光滑管和紊流粗糙管的理论公式选定了应有的系数。28流体力学的发展简史流体力学的发展简史流体力学在西方流体力学在西方科勒布茹克（C.F.Colebrook）

32、在）在1939年发表的论文中，提出年发表的论文中，提出了把紊流光滑管区和紊流粗糙管区联系在一起的过渡区阻力了把紊流光滑管区和紊流粗糙管区联系在一起的过渡区阻力系数计算公式。系数计算公式。莫迪（L.F.Moody）在）在1944年发表的论文中，给出了他绘制的年发表的论文中，给出了他绘制的实用管道的当量糙粒阻力系数图实用管道的当量糙粒阻力系数图-莫迪图。至此，有压管流的莫迪图。至此，有压管流的水力计算已渐趋成熟。水力计算已渐趋成熟。29流体力学在工程中的应用航空航天航海航空航天航海 船舶运动船舶运动地效翼艇地效翼艇 （WIG）浮标浮标 海洋平台海洋平台 潜器潜器 30能源动力能源动力飞机发动机蒸汽

33、机车流体力学在工程中的应用31建筑与环境杨浦大桥节能型建筑流体力学在工程中的应用32气象科学气象科学气象云图龙卷风流体力学在工程中的应用33环境控制环境控制污水净化设备模型电厂冷却塔流体力学在工程中的应用34生物仿生学生物仿生学 应用广泛，已派生出很多新的分支:电磁流体力学、生物流体力学化学流体力学、地球流体力学高温气体动力学、非牛顿流体力学爆炸力学、流变学、计算流体力学等流体力学在工程中的应用 流体的定义流体的定义 连续介质假说连续介质假说 流体的物理性质流体的物理性质教学目的：教学目的：了解并掌握流体的物理性质。了解并掌握流体的物理性质。教学要求：教学要求：1.理解流体的概念；理解流体的概

34、念；2.记忆水、空气、汞的密度和重度；记忆水、空气、汞的密度和重度；3.理解粘性的概念，并掌握牛顿内摩擦定律。理解粘性的概念，并掌握牛顿内摩擦定律。4.熟悉流体的压缩性和膨胀性。熟悉流体的压缩性和膨胀性。教学内容：教学内容：1.流体的概念；流体的概念； 2.流体的密度和重度；流体的密度和重度； 3.流体的压缩性和膨胀性；流体的压缩性和膨胀性； 4.流体的粘性。流体的粘性。流体的定义流体的定义流体与固体的区别流体与固体的区别液体和气体是流体液体和气体是流体固态固态、液态和气态、液态和气态固体既能承受压力，也能承受拉力与抵抗拉伸变形固体既能承受压力，也能承受拉力与抵抗拉伸变形 流体只能承受压力，一

35、般不能承受拉力与抵抗拉伸变形流体只能承受压力，一般不能承受拉力与抵抗拉伸变形 液体和气体的区别：液体和气体的区别： (1)(1)气体易于压缩；而液体难于压缩；气体易于压缩；而液体难于压缩； (2)(2)液体有一定的体积，存在一个自由液面；气体能充满任意形状的液体有一定的体积，存在一个自由液面；气体能充满任意形状的 容器，无一定的体积，不存在自由液面。容器，无一定的体积，不存在自由液面。思考题思考题流体能否承受拉力？流体能否承受拉力？ 流体是一种受任何微小的剪切力作用时，都会产生连续变形的物质。流体是一种受任何微小的剪切力作用时，都会产生连续变形的物质。 流动性是流体的主要特征。流动性是流体的主

36、要特征。 流体的定义流体的定义思考题思考题流体不能够承受剪切力？流体不能够承受剪切力？答案：错误。静止流体不能够承受剪切力答案：错误。静止流体不能够承受剪切力连续介质假说连续介质假说基本假设往往是一门科学的理论基础基本假设往往是一门科学的理论基础17751775年欧拉在建立流体运动的微分方程时建立的科学假设。年欧拉在建立流体运动的微分方程时建立的科学假设。流体充满整个体积时不留任何空隙，其中没有真空，没有分子间间隙，流体流体充满整个体积时不留任何空隙，其中没有真空，没有分子间间隙，流体的温度、密度等物理量是连续分布的。的温度、密度等物理量是连续分布的。连续介质假说连续介质假说流体是由大量做无规

37、则热运动的分子所组成，流体是由大量做无规则热运动的分子所组成， 分子间存有空隙，在空间是不连续的。分子间存有空隙，在空间是不连续的。一般工程中，所研究流体的空间尺度要比分子一般工程中，所研究流体的空间尺度要比分子 距离大得多。距离大得多。问题的引出：问题的引出：连续介质假说连续介质假说流体视为由无流体视为由无 数连续分布的数连续分布的流体微团流体微团组成的连续介质。组成的连续介质。 流体微团必须具备的两个条件流体微团必须具备的两个条件微观上足够大，必须包含足够多的分子；微观上足够大，必须包含足够多的分子；宏观上足够小，体积必须很小。宏观上足够小，体积必须很小。一、流体的一、流体的连续介质假设连

38、续介质假设连续介质假说连续介质假说1.1.避免了流体分子运动的复杂性避免了流体分子运动的复杂性，只需研究流体的宏，只需研究流体的宏 观运动。观运动。2. 可以利用数学工具来研究流体的平衡与运动规律。可以利用数学工具来研究流体的平衡与运动规律。二、二、采用采用流体流体连续介质假设的优点连续介质假设的优点按连续介质的概念，流体质点是指: A、流体的分子； B、流体内的固体颗粒； C、几何的点； D、几何尺寸同流动空间相比是极小量,又含有大 量分子的微元体思考题思考题D、几何尺寸同流动空间相比是极小量,又含有大量分子的微元体1 1、流体的密度、流体的密度单位体积流体所具有的质量。单位体积流体所具有的

39、质量。密度表征物体惯性的物理量。密度表征物体惯性的物理量。dVdM单位：单位：kg/mkg/m3 3 VM常见流体的密度：常见流体的密度： 水水1000 kg/m3 空气空气1.29 kg/m3 水银水银13600kg/m3均匀流体：均匀流体：一、流体的惯性一、流体的惯性2 2、流体的比容、流体的比容单位质量的流体所占有的体积，流体密度的倒数。单位质量的流体所占有的体积，流体密度的倒数。1v单位：单位： m3/kg3 3、混合气体的密度、混合气体的密度混合气体的密度按各组分气体所占体积百分数计算。混合气体的密度按各组分气体所占体积百分数计算。式中：式中： 1， 2， n 各组分气体的密度各组分

40、气体的密度 a1， a2， an各组分气体所占的体积百分数。各组分气体所占的体积百分数。niiinnaaaa12211.一、流体的惯性（续）一、流体的惯性（续）二、流体的压缩性和膨胀性二、流体的压缩性和膨胀性流体体积随着压力流体体积随着压力（压强）（压强）的变化而变化的性质。的变化而变化的性质。1.压缩系数压缩系数)/(d/d2NmpVVk2.体积模量体积模量 )/(dd12mNVpVkK温度一定时温度一定时, ,单位压力变化所引起的体积单位压力变化所引起的体积相对变化量相对变化量3 3、流体的膨胀性、流体的膨胀性流体体积随着温度的变化而变化的性质。流体体积随着温度的变化而变化的性质。膨胀系数

41、：膨胀系数：)/1 (d/dKTVVaV压力一定时压力一定时, ,单位温度增加所引起的体积单位温度增加所引起的体积相对变化量相对变化量例例1-11-1 20C体积为的2.5m3水，当温度升至80C时，其体积增加多少？解： 20C时：1 =998.23kg/m3 80C时： 2 =971.83kg/m3 即 则： 二、流体的压缩性和膨胀性（续）二、流体的压缩性和膨胀性（续）4 4、可压缩性流体和不可压缩性流体、可压缩性流体和不可压缩性流体（1） 可压缩性可压缩性 （2） 可压缩流体和不可压缩流体可压缩流体和不可压缩流体常数 可压缩流体：考虑可压缩性的流体可压缩流体：考虑可压缩性的流体 不可压缩流

42、体：不考虑可压缩性的流体不可压缩流体：不考虑可压缩性的流体常数流体体积随着压力和温度的改变而发生变化的性质。流体体积随着压力和温度的改变而发生变化的性质。( (a)a)严格地说，不存在完全不可压缩的流体。严格地说，不存在完全不可压缩的流体。(b)(b)一般情况下的液体都可视为不可压缩流体（发生水击时除外）。一般情况下的液体都可视为不可压缩流体（发生水击时除外）。 (c)(c)对于气体，当所受压强变化相对较小时，可视为不可压缩流体。对于气体，当所受压强变化相对较小时，可视为不可压缩流体。 (d)(d)管路中压降较大时，应作为可压缩流体。管路中压降较大时，应作为可压缩流体。注：注： 三、流体的粘性

43、三、流体的粘性1. 1. 粘性的定义粘性的定义 流体内部各流体微团之间发生相对运动时，流体内流体内部各流体微团之间发生相对运动时，流体内部会产生摩擦力（即粘性力）的性质。部会产生摩擦力（即粘性力）的性质。(1) (1) 粘性实验粘性实验三、流体的粘性三、流体的粘性( (续续) )1 1.粘性的定义粘性的定义( (续续) ) (2) (2) 流体粘性所产生的两种效应流体粘性所产生的两种效应 流体内部各流体微团之间会产生粘性力；流体内部各流体微团之间会产生粘性力； 流体将粘附于它所接触的固体表面。流体将粘附于它所接触的固体表面。并且与固体并且与固体表面有相同的运动状态。表面有相同的运动状态。2.2

44、.牛顿内摩擦定律牛顿内摩擦定律 (1) (1) 牛顿平板实验牛顿平板实验三、流体的粘性三、流体的粘性( (续续) )nn 实验表明，对于大多数流体，存在实验表明，对于大多数流体，存在UFAh引入比例系数引入比例系数，得：，得：UAFh2.2.牛顿内摩擦定律牛顿内摩擦定律 (1) (1) 牛顿平板实验牛顿平板实验当当h和和u不是不是很大时，两平板间沿很大时，两平板间沿y y方向的流速呈线性分布，方向的流速呈线性分布，ohdyyu+duuyUUh三、流体的粘性三、流体的粘性( (续续) )2.2.牛顿内摩擦定律牛顿内摩擦定律( (续续) ) (2) (2) 牛顿内摩擦定律牛顿内摩擦定律dydu三、

45、流体的粘性三、流体的粘性( (续续) )流速呈非线性分布流速呈非线性分布2.2.牛顿内摩擦定律牛顿内摩擦定律( (续续) ) (2) (2) 牛顿内摩擦定律牛顿内摩擦定律( (续续) )粘性切应力与速度梯度成正比；粘性切应力与速度梯度成正比；(2)(2)粘性切应力与角变形速率成正比；粘性切应力与角变形速率成正比；(3)(3)比例系数称动力粘度，简称粘度。比例系数称动力粘度，简称粘度。牛顿内摩擦定律表明：牛顿内摩擦定律表明：dydudydudtdydudtdtd/)(CDBAdbadydudt三、流体的粘性三、流体的粘性( (续续) ) 流体粘性大小的度量流体粘性大小的度量, ,由流体流动由流体

46、流动的内聚力和分子的动量交换引起。的内聚力和分子的动量交换引起。(1) (1) 动力粘度动力粘度ohdyyu+duuyUdydu(2) (2) 运动粘度运动粘度)/(2sm)/(smkg3.3.粘度粘度三、流体的粘性三、流体的粘性( (续续) )3.3. (3) (3) 粘度的影响因素粘度的影响因素温度对流体粘度的影响很大温度对流体粘度的影响很大气体液体气体粘度o 温度压力对流体粘度的影响不大，一般忽略不计压力对流体粘度的影响不大，一般忽略不计内聚力是产生粘度的主要因素。内聚力是产生粘度的主要因素。温度温度分子间距分子间距分子吸引力分子吸引力内摩擦力内摩擦力粘度粘度分子热运动引起的动量交换是产

47、生粘度的主要因素。分子热运动引起的动量交换是产生粘度的主要因素。温度温度分子热运动分子热运动动量交换动量交换内摩擦力内摩擦力粘度粘度 三、流体的粘性三、流体的粘性( (续续) )3.3. (4) (4) 粘度的测量粘度的测量管流法管流法落球法落球法旋转法旋转法工业粘度计工业粘度计四、粘性流体和理想流体四、粘性流体和理想流体1.1. 具有粘性的流体（具有粘性的流体（00）。）。2.2.理想理想 忽略粘性的流体（忽略粘性的流体（=0 0）。）。一种理想的流体模型。一种理想的流体模型。思考题思考题 时，流体没有粘性。这种说法对否？为什么？时，流体没有粘性。这种说法对否？为什么？答：错误。答：错误。

48、，可能是流体没有粘性，也可能是粘性没有，可能是流体没有粘性，也可能是粘性没有表现出来，如流体处于静止状态时。表现出来，如流体处于静止状态时。已知液体中流速沿已知液体中流速沿y y方向分布如图示三种情况，试根据牛顿方向分布如图示三种情况，试根据牛顿内摩擦定律内摩擦定律 ，定性绘出切应力，定性绘出切应力 沿沿y y方向的分布图方向的分布图yuuuuyuuy= 0yy0=0y思考题思考题例例1 12 2相距为相距为h=10 mmh=10 mm的两固定平板间充满动力粘度的两固定平板间充满动力粘度=1.49 =1.49 PasPas的甘油，若两板间甘油的速度分布为的甘油，若两板间甘油的速度分布为u=40

49、00y(h-y)u=4000y(h-y)，则，则(1) (1) 若上板的面积若上板的面积A=0.2 mA=0.2 m2 2，求使上板固定不动所需的水平作用力，求使上板固定不动所需的水平作用力F F(2) (2) 求求y=h/3y=h/3和和2h/32h/3处的内摩擦应力，并说明正负号的意义。处的内摩擦应力，并说明正负号的意义。解解 ：(1)(1)2(4000yhdydu则使上平板固定所需的力为：则使上平板固定所需的力为： 0.240001.49(0.010.02)11.92yhFAN y = 2/3 hy = 2/3 h时时=4 000=4 0001.491.49(0.01-4(0.01-40

50、.013) = -19.9 (N/m2)0.013) = -19.9 (N/m2)y=h/3y=h/3，内摩擦应力为，内摩擦应力为19.6N19.6N；说明下层流体受到上层流体的拖；说明下层流体受到上层流体的拖动，动， 与与 方向相同。方向相同。 uuy=2h/3 y=2h/3 ，内摩擦应力为，内摩擦应力为-19.6N-19.6N。说明下层流体受阻与上层流体，。说明下层流体受阻与上层流体， 与与 方向相方向相反。反。(2) (2) 求求y=h/3y=h/3和和2h/32h/3处的内摩擦应力，处的内摩擦应力，并说明正负号的意义。并说明正负号的意义。 y =h/3 y =h/3时时=4000=40