第一章-流体力学-绪论课件.ppt

1、目目 录录o 第一章第一章 绪论绪论o 第二章第二章 流体静力学流体静力学 o 第三章第三章 流体运动学流体运动学o 第四章第四章 流体动力学基础流体动力学基础o 第五章第五章 量纲分析和相似原理量纲分析和相似原理o 第六章第六章 流动阻力和水头损失流动阻力和水头损失o 第七章第七章 孔口、管嘴出流和有压管流孔口、管嘴出流和有压管流o 第八章第八章 明渠流动明渠流动o 第九章第九章 堰流堰流o 第十章第十章 渗流渗流第一章第一章 绪论绪论o 本章导读本章导读o 1.1流体力学及流体力学及其任务其任务o 1.2作用在流体上的力作用在流体上的力o 1.3流体的主要物理性质流体的主要物理性质o 1.

2、4牛顿流体和非牛顿流体牛顿流体和非牛顿流体 o 本章小节本章小节本本 章章 导导 读读 本章主要阐述了流体力学的概念与发展简史，分本章主要阐述了流体力学的概念与发展简史，分析了流体所受的作用力，阐述了描述流体运动的两种析了流体所受的作用力，阐述了描述流体运动的两种研究方法及流体的主要物理性质，引入流体的连续介研究方法及流体的主要物理性质，引入流体的连续介质模型概念，以此为基础上引出了理想流体与实际流质模型概念，以此为基础上引出了理想流体与实际流体、可压缩流体与不可压缩流体、牛顿流体与非牛顿体、可压缩流体与不可压缩流体、牛顿流体与非牛顿流体等概念。流体等概念。 第一章第一章 绪论绪论o 本章导读

3、本章导读o 1.1流体力学及流体力学及其任务其任务o1.2作用在流体上的力作用在流体上的力o1.3流体的主要物理性质流体的主要物理性质o1.4牛顿流体和非牛顿流体牛顿流体和非牛顿流体 o 本章小结本章小结1.1 流体力学及其任务流体力学及其任务1.研究对象：流体研究对象：流体 定义：所谓流体就是液体和气体的合称。定义：所谓流体就是液体和气体的合称。 基本特征是具有流动性。基本特征是具有流动性。 所谓流动性是指流体的微小切力作用下，连续变所谓流动性是指流体的微小切力作用下，连续变 形的特性。只要切力存在，流动就持续进行。形的特性。只要切力存在，流动就持续进行。 流动性是区别流体和固体的力学特征。

4、流动性是区别流体和固体的力学特征。2、连续介质模型、连续介质模型1.问题的引出问题的引出 微观：流体是由大量做无规则运动的分子组成的，分子之间存在空隙，在微观：流体是由大量做无规则运动的分子组成的，分子之间存在空隙，在时间和空间上不连续，致使流体的物理量随时间、空间的变化而变化。时间和空间上不连续，致使流体的物理量随时间、空间的变化而变化。 宏观：一般工程中，所研究液体的空间尺度要比分子距离大得多，即考虑宏观：一般工程中，所研究液体的空间尺度要比分子距离大得多，即考虑宏观特性，在流动空间和时间上所采用的一切特征尺度和特征时间都比分宏观特性，在流动空间和时间上所采用的一切特征尺度和特征时间都比分

5、子距离和分子碰撞时间大得多。子距离和分子碰撞时间大得多。2.流体的连续介质假设流体的连续介质假设a 定义：不考虑分子间的间隙，把流体视为由无数连续分布的流体微团组定义：不考虑分子间的间隙，把流体视为由无数连续分布的流体微团组成的连续介质。成的连续介质。b 液体微团必须具备的两个条件：必须包含足够多的分子；体积必须很小。液体微团必须具备的两个条件：必须包含足够多的分子；体积必须很小。.采用流体连续介质假设的优点采用流体连续介质假设的优点a避免了流体分子运动的复杂性，只需研究流体的宏观运动。避免了流体分子运动的复杂性，只需研究流体的宏观运动。b可以利用教学工具来研究流体的平衡与运动规律。可以利用教

6、学工具来研究流体的平衡与运动规律。理论研究方法、实验研究方法、数值研究方法相互配合，互为补充理论研究方法、实验研究方法、数值研究方法相互配合，互为补充o 1.1.理论研究方法理论研究方法力学模型力学模型物理基本定律物理基本定律求解数学方程求解数学方程分析和揭示本质和规律分析和揭示本质和规律 理论方法中，引用的主要定律有：理论方法中，引用的主要定律有： （1 1）质量守恒定律：）质量守恒定律： （2 2）动量守恒定律：）动量守恒定律： （3 3）牛顿运动第二定律：）牛顿运动第二定律： （4 4）机械能转化与守恒定律：动能）机械能转化与守恒定律：动能+ +压能压能+ +位能位能+ +能量损失能量损

7、失=Const=Consto 2.2.实验研究方法实验研究方法相似理论相似理论模型实验装置模型实验装置 主要形式：原型观测、系统实验、模型试验主要形式：原型观测、系统实验、模型试验o 3.3.数值研究方法数值研究方法计算机数值方法是现代分析手段中发展最快的方法之一计算机数值方法是现代分析手段中发展最快的方法之一3、流体力学的研究方法、流体力学的研究方法第一章第一章 绪论绪论o 本章导读本章导读o1.1流体力学及流体力学及其任务其任务o 1.2作用在流体上的力作用在流体上的力o1.3流体的主要物理性质流体的主要物理性质o1.4牛顿流体和非牛顿流体牛顿流体和非牛顿流体 o 本章小结本章小结1.2

8、作用在流体上的力作用在流体上的力1、作用在流体上的力表面力质量力2、定义：表面力：外界对所研究流体表面的作用力，直接作用在外表 面，与表面积大小成正比。质量力：作用在所取流体体积内每一质点上的力，其大小与质 量成正比例，称为质量力。表面力表面力质量力1.2 作用在流体上的力作用在流体上的力1.2 作用在流体上的力作用在流体上的力应力应力 ：表面力在隔离体表面某一点的大小（集度）用应：表面力在隔离体表面某一点的大小（集度）用应力来表示。力来表示。 FFPPTTA AAAV V法向应力pA周围流体作用的表面力切向应力表面力具有传递性(例如某深度的压强随表面压强增大而增大)APpAATAAFAlim

9、0APpAAlim0ATAlim0 为为 上的平均压应力上的平均压应力为为 上的平均剪应力应力上的平均剪应力应力 法向应力：法向应力： 切向应力：切向应力： 为为A点的剪应力点的剪应力应力：应力：为为A点压应力，即点压应力，即A点的压强点的压强应力的单位是帕斯卡（应力的单位是帕斯卡（pa），），1pa=1N/FFPPTTA AAAV V法向应力pA周围流体作用的表面力切向应力二、质量力二、质量力o 质量力中最常见的有重力，惯性力，离心力（非惯性质量力中最常见的有重力，惯性力，离心力（非惯性学）。学）。质量力的大小由单位质量力来表示质量力的大小由单位质量力来表示 设均质流体的质量为设均质流体的质

10、量为m ，所受的，所受的质量力为质量力为 ，则单位质量力，则单位质量力BFBFfm 单位为单位为 2m s单位质量力在各坐标轴的分量分别用X,Y,Z来表示ByBxBzFFFX,Y,ZmmmmFmFmFkZjYiXfBzByBx单位质量力的单位：m/s2 ，与加速度单位一致。 若作用在流体上的质量力只有重力，则BxByBzF0, F0, Fmg 单位质量力 X=0 ，Y=0， mgZg .m 负号表示质量力的方向与Z轴方向相反.其中1.3 流体的主要物理性质流体的主要物理性质主要指：主要指：惯性、粘性、压缩、膨胀性惯性、粘性、压缩、膨胀性p 一一 流体的基本特征流体的基本特征 1.物质的三态物质

11、的三态 主要形式有：固体、液体和气体。主要形式有：固体、液体和气体。流体和固体的区别流体和固体的区别: 从力学分析，对外力抵抗能力不同。从力学分析，对外力抵抗能力不同。 a 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。 b 流体：只能承受压力，一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)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)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液体有一定的体积，存在一个自由液面；气体能充满任意

12、形状的容器，无一定的体积，不存在自由液面。器，无一定的体积，不存在自由液面。 液体和气体的共同点：液体和气体的共同点： 两者均具有易流动性，即在任何微小切应力作用下都会发生变形或流动。两者均具有易流动性，即在任何微小切应力作用下都会发生变形或流动。 o 二、惯性二、惯性惯性是物体保持原有状态的性质，凡改变物体的运动状态，都必须克服惯性是物体保持原有状态的性质，凡改变物体的运动状态，都必须克服惯性的作用。惯性的作用。质量是物质的基本属性之一，是物体惯性大小的量度质量是物质的基本属性之一，是物体惯性大小的量度，质量越大，惯性，质量越大，惯性也越大。单位体积流体的质量称为密度（也越大。单位体积流体的

13、质量称为密度（density），以），以表示，单位：表示，单位：kg/m3。对于均质流体，设其体积为。对于均质流体，设其体积为V，质量，质量m ，则为密度，则为密度对于非均质流体，密度随点而异。若取包含某点在内的体积，其中对于非均质流体，密度随点而异。若取包含某点在内的体积，其中质量，则该点密度需要用极限方式表示质量，则该点密度需要用极限方式表示常见的密度（在一个标准大气压下）：常见的密度（在一个标准大气压下）：44时的水时的水 2020时的空气时的空气3/1000mkg3/2 .1mkg容重（重度）容重（重度）go 三、黏性三、黏性1.黏性的表象黏性的表象huu+duUzydyx 上平板带动

14、粘附在板上的流层运动，而且能影响到内上平板带动粘附在板上的流层运动，而且能影响到内部各流层运动，表明内部各流层之间，存在着剪切力，即部各流层运动，表明内部各流层之间，存在着剪切力，即内摩擦力，这就是粘性的表象。由此得出，黏性时流体的内摩擦力，这就是粘性的表象。由此得出，黏性时流体的内摩擦特性。内摩擦特性。 2.牛顿内摩擦定律牛顿内摩擦定律a 定义定义: 牛顿内摩擦定律：牛顿内摩擦定律： 流体运动时，相邻流层间所产流体运动时，相邻流层间所产生的切应力与剪切变形的速率成正比。即生的切应力与剪切变形的速率成正比。即 duTAdy以应力表示以应力表示 粘性切应力，是单位面积上的内摩擦力。粘性切应力，是

15、单位面积上的内摩擦力。 说明：说明：1）流体的切应力与剪切变形速率，或角变形率成正比。）流体的切应力与剪切变形速率，或角变形率成正比。 2）流体的切应力与动力粘度）流体的切应力与动力粘度成正比。成正比。 3）对于平衡流体）对于平衡流体dr/dt =0，对于，对于理想流体理想流体=0，所以均，所以均不产生切应力，即不产生切应力，即 =0。dtdrdydub.速度梯度的物理意义速度梯度的物理意义由上图可知：由上图可知：duudyh由右图可知由右图可知 速度梯度，剪切应变率（剪切变形速度）速度梯度，剪切应变率（剪切变形速度）(u+du)-udtdudtdr=tan(dr)=dydydudrdydt

16、剪应变率剪应变率 流体与固体在摩擦规律上完全不同的。流体与固体在摩擦规律上完全不同的。 udt(u+du)dtdudtdyddtdrdyduc 粘度粘度 1）是比例系数，称为动力黏度，单位是比例系数，称为动力黏度，单位“pas”。动力黏度是流体黏性大。动力黏度是流体黏性大小的度量，小的度量，值越大，流体越粘，流动性越差。值越大，流体越粘，流动性越差。2）是运动粘度：由于粘度是运动粘度：由于粘度和密度和密度都是液体的内在属性，在分析粘性流都是液体的内在属性，在分析粘性流体运动规律时，体运动规律时，和和经常以比的形式出现，将其定义为流体的运动粘度经常以比的形式出现，将其定义为流体的运动粘度。，单位

17、：，单位：m2/s 同加速度的单位同加速度的单位说明：说明：1）气体的粘度不受压强影响，液体的粘度受压强影响也很小。）气体的粘度不受压强影响，液体的粘度受压强影响也很小。 2）液体粘度随温度升高而减小，气体的粘度随温度升高而增大。（见）液体粘度随温度升高而减小，气体的粘度随温度升高而增大。（见P7水的粘度和空气的粘度）水的粘度和空气的粘度）微观机制：微观机制：液体吸引力液体吸引力T气体热运动气体热运动T动力粘度运动粘度d 无黏性流体无黏性流体无粘性流体，是指无粘性即=0的液体。无粘性液体实际上是不存在的，它只是一种对物性简化的力学模型。 无粘性流体不考虑粘性，所以对流动的分析大为简无粘性流体不

18、考虑粘性，所以对流动的分析大为简化，从而容易得出理论分析的结果。所得结果，对于某化，从而容易得出理论分析的结果。所得结果，对于某些粘性影响很小的流动，能够较好地符合实际；对粘性些粘性影响很小的流动，能够较好地符合实际；对粘性影响不能忽略的流动，则可通过实验加以修正，从而能影响不能忽略的流动，则可通过实验加以修正，从而能比较容易地解决实际流动问题。比较容易地解决实际流动问题。o例例1-1. 一底面积为一底面积为40cm45cm，高，高1cm的木块，质量为的木块，质量为5kg，沿着，沿着涂有润滑油的斜面等速向下运动。已知速度涂有润滑油的斜面等速向下运动。已知速度v=1m/s，=1mm，求润滑，求润

19、滑油的动力粘度系数。油的动力粘度系数。dydu解：设木块所受的摩擦力为解：设木块所受的摩擦力为T。 木块均匀下滑木块均匀下滑, T - Gsin=0 T=Gsin=59.85/13=18.8N 又有牛顿剪切公式又有牛顿剪切公式=T/(Av)=18.80.001/(0.400.451)=0.105PaS/45. 040. 0vdyduAT四、可压缩性与热膨胀性四、可压缩性与热膨胀性可压缩性可压缩性热膨胀性热膨胀性o 四、可压缩性与热膨胀性四、可压缩性与热膨胀性 1.概念概念（1）可压缩性：流体受压，体积缩小，密度增大，除去外力后能恢复原）可压缩性：流体受压，体积缩小，密度增大，除去外力后能恢复原

20、状的性质。状的性质。 T一定，一定，dp增大，增大，dv减小减小（2）热膨胀性：流体受热，体积膨胀，密度减小，温度下降后能恢复原）热膨胀性：流体受热，体积膨胀，密度减小，温度下降后能恢复原状的性质。状的性质。 P一定，一定，dT增大，增大，dV增大增大 2.液体的可压缩性和热膨胀性液体的可压缩性和热膨胀性液体的压缩系数液体的压缩系数和体积弹性模量和体积弹性模量K液体的压缩系数液体的压缩系数表示为在一定的温度下，压强增加表示为在一定的温度下，压强增加1个单位，体积的个单位，体积的相对缩小率。即为在一定温度下，体积的相对减小值与压强增加值的比值。相对缩小率。即为在一定温度下，体积的相对减小值与压强

21、增加值的比值。若液体的原体积为若液体的原体积为V，压强增加，压强增加dP后，体积变化为后，体积变化为dV，则压缩系数为：，则压缩系数为：dPdVVdPVdV1/ 由于液体受压体积减小，由于液体受压体积减小，dP与与dV异号，以使异号，以使为正值；其值愈大，为正值；其值愈大，愈容易压缩。愈容易压缩。的单位是的单位是“1/Pa”。根据增压前后质量无变化根据增压前后质量无变化0)(VddVVddm得得 dVdVdPd1体积弹性模量体积弹性模量K是压缩系数的倒数，用是压缩系数的倒数，用K表示，单位是表示，单位是“Pa”ddPdVdPVK1例例 当水的压强增加当水的压强增加1个大气压时，水的密度增大约为

22、多少？个大气压时，水的密度增大约为多少？ 解，一般认为水的压缩系数为定值，约为解，一般认为水的压缩系数为定值，约为510-10 1/Pa。dP=1105。dPd1d/=510-5=1/20000（2）液体热膨胀系数，它表示在一定的压强下，温度增加）液体热膨胀系数，它表示在一定的压强下，温度增加1度，体积的度，体积的相对增加率。相对增加率。若液体的原体积为若液体的原体积为V，温度增加，温度增加dT后，体积增加后，体积增加dV，热膨胀系数为，热膨胀系数为单位为单位为“1/K”或或“1/”dTddTdVVV11在一定压强下，体积的变化速度与温度成正比。在一定压强下，体积的变化速度与温度成正比。从从p

23、9-10表表1-5和表和表1-6可知，水的压缩系数和热膨胀系数都很小。可知，水的压缩系数和热膨胀系数都很小。 例例 活塞加压，缸体内液体的压强为活塞加压，缸体内液体的压强为0.1MPa时，体积为时，体积为1000cm3，压强为压强为10MPa时，体积为时，体积为995 cm3。试求液体的体积弹性模量。试求液体的体积弹性模量。 PaPadVdPVK96631098. 1105109 . 9100 . 11 3.气体的可压缩性和热膨胀性气体的可压缩性和热膨胀性气体具有显著的可压缩性，一般情况下，常用气体（如空气、氮、氧、气体具有显著的可压缩性，一般情况下，常用气体（如空气、氮、氧、CO2等）的密度

24、、压强和温度三者之间符合完全气体状态方程，即等）的密度、压强和温度三者之间符合完全气体状态方程，即理想气体状态方程理想气体状态方程RTP式中：式中：P P 气体的绝对压强（气体的绝对压强（PaPa）；）； 气体的密度（气体的密度（Kg/cmKg/cm3 3）；）； T T 气体的热力学温度（气体的热力学温度（K K）；）； R R 气体常数；在标准状态下，气体常数；在标准状态下，)/(8314RKKgJM，M为气体的分子量，空气的气体常数为气体的分子量，空气的气体常数R=287J/KgK。适用范围：当气体在很高的压强，很低温度下，或接近于液态时，其适用范围：当气体在很高的压强，很低温度下，或接

25、近于液态时，其不再适用。不再适用。 4.流体的分类流体的分类a 根据流体受压体积缩小的性质，流体可分为：根据流体受压体积缩小的性质，流体可分为： 可压缩流体（可压缩流体（compressible flow）：流体密度随压强变化不能忽略的）：流体密度随压强变化不能忽略的流体流体(Const)。 不可压缩流体（不可压缩流体（incompressible flow）：流体密度随压强变化很小，）：流体密度随压强变化很小，流体的密度可视为常数的流体流体的密度可视为常数的流体(=Const)。注：注： (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)一般情况下的液体都

26、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)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)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。 b根据流体是否具有粘性，可分为：根据流体是否具有粘性，可分为： 实际流体：指具有粘度的流体，在运动时具有抵抗剪切变形的能力，即存实际流体：指具有粘度的流体，在运动时具有抵抗剪切变形的能力，即存在摩擦力，粘度在摩擦力，粘度0。 理想流体：是指既无粘性（理想流体：是指既无粘性（=0）又完全不可压缩）又完全不

27、可压缩(=Const) 流体，在流体，在运动时也不能抵抗剪切变形。运动时也不能抵抗剪切变形。例例 汽车上路时，轮胎内空气的温度为汽车上路时，轮胎内空气的温度为20，绝对压强为，绝对压强为395KPa，行，行驶后轮胎内空气温度上升到驶后轮胎内空气温度上升到50，试求此时的压强。，试求此时的压强。解：在温度由解：在温度由20增加到增加到50的过程中，轮胎的体积变化很小，的过程中，轮胎的体积变化很小，可以忽略，则此过程中可以忽略，则此过程中也是常数。由理想气体状态方程，也是常数。由理想气体状态方程，RTP，则，则 2211TPTPKPaKPaTTPP44.43529332339521121.4牛顿流

28、体和非牛顿流体牛顿流体和非牛顿流体p 一、牛顿流体（一、牛顿流体（newtonian fluidsnewtonian fluids） 指任一点上的剪应力都同剪切变形速率呈线性函数关指任一点上的剪应力都同剪切变形速率呈线性函数关系的流体，即系的流体，即遵循牛顿内摩擦定律的流体遵循牛顿内摩擦定律的流体称为牛顿流体称为牛顿流体（水、大部分轻油、气体等）（水、大部分轻油、气体等） 。牛顿流体du/dy流变曲线p 二、非牛顿流体二、非牛顿流体不符合牛顿内摩擦定律的流体称为非牛顿流体不符合牛顿内摩擦定律的流体称为非牛顿流体0du/dyo塑性流体，也叫宾汉体 塑性流体塑性流体克服初始应力克服初始应力0 0后

29、，后，才与速度梯度成正比（牙膏、才与速度梯度成正比（牙膏、新拌水泥砂浆、中等浓度的悬浮液等）新拌水泥砂浆、中等浓度的悬浮液等）du/dyo拟塑性流体，也称伪塑体 拟塑性流体拟塑性流体的的增长率增长率随随du/dy的增大而降低（高分的增大而降低（高分子溶液、纸浆、血液等）子溶液、纸浆、血液等）du/dyo膨胀型流体 膨胀型流体膨胀型流体的的增长率增长率随随du/dy的增大而增加（淀粉的增大而增加（淀粉糊、挟沙水流）糊、挟沙水流）0du/dyo膨胀型流体牛顿流体拟塑性流体塑性流体本章小结本章小结o 1.流体力学的任务是研究流体的宏观机械运动，提出流体力学的任务是研究流体的宏观机械运动，提出了流体的

30、易流动性概念，即流体在静止时，不能抵抗剪了流体的易流动性概念，即流体在静止时，不能抵抗剪切变形，在任何微小切应力作用下都会发生变形或流动。切变形，在任何微小切应力作用下都会发生变形或流动。同时又引入了连续介质模型假设，把流体看成没有空隙同时又引入了连续介质模型假设，把流体看成没有空隙的连续介质，则流体中的一切物理量（如速度的连续介质，则流体中的一切物理量（如速度u和密度和密度）都可看作时空的连续函数，可采用函数理论作为分）都可看作时空的连续函数，可采用函数理论作为分析工具。析工具。o 2.流体的压缩性，一般可用体积压缩率流体的压缩性，一般可用体积压缩率和体积模量和体积模量来描述，通常情况下，压

31、强变化不大时，都可视为不来描述，通常情况下，压强变化不大时，都可视为不可压缩流体。可压缩流体。 o3.粘滞性是流体的主要物理性质，它是流动流体抵抗剪切变形的粘滞性是流体的主要物理性质，它是流动流体抵抗剪切变形的一种性质，不同的流体粘滞性大小用动力粘度一种性质，不同的流体粘滞性大小用动力粘度或运动粘度或运动粘度v来反来反映。其中温度是粘度的影响因素：随温度升高，气体粘度上升、映。其中温度是粘度的影响因素：随温度升高，气体粘度上升、液体粘度下降。液体粘度下降。 o4.牛顿内摩擦定律牛顿内摩擦定律 表明流体的切应力大小与速度梯度或角变形率或剪切变形速率成表明流体的切应力大小与速度梯度或角变形率或剪切变形速率成正比，这是流体区别于固体（固体的切应力与剪切变形大小成正正比，这是流体区别于固体（固体的切应力与剪切变形大小成正比）的一个重要特性。根据是否遵循牛顿内摩擦定律，可将流体比）的一个重要特性。根据是否遵循牛顿内摩擦定律，可将流体分为牛顿流体和非牛顿流体。分为牛顿流体和非牛顿流体。 谢谢 谢！谢！