流体及其主要物理性质课件.pptx
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- 流体 及其 主要 物理性质 课件
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1、方丽萍方丽萍工程流体力学工程流体力学人类的祖先在海洋里生活了人类的祖先在海洋里生活了4040亿年亿年 人类在空气里也生活了人类在空气里也生活了700700万年万年 虽然生活在流体环境中,人们对一些流体虽然生活在流体环境中,人们对一些流体运动却缺乏认识,比如:运动却缺乏认识,比如:1. 1. :表面光滑还是粗糙表面光滑还是粗糙?高尔夫球高尔夫球2. 2. :来自前部还是后部来自前部还是后部?汽车阻力汽车阻力3. 3. :来自下部还是上部来自下部还是上部?机翼升力机翼升力3 3倍声速战斗机倍声速战斗机50wt50wt排水量油轮排水量油轮长江三峡长江三峡动力机械应用:水泵与水轮机、发电站动力机械应用
2、:水泵与水轮机、发电站水能利用水能利用风能利用风能利用汽车流线型设计汽车流线型设计 血液在血管流动血液在血管流动研究对象:研究对象:流体流体研究任务:研究流体研究任务:研究流体静止静止和和运动运动的的力学规律力学规律及及其在工程技术中的其在工程技术中的应用应用。流体力学是本专业的一门重要基础课,流体力学是本专业的一门重要基础课,供热、供冷、通风、空调、给排水都是供热、供冷、通风、空调、给排水都是以流体为介质的以流体为介质的(液体和气体)(液体和气体)工程流体力学工程流体力学本课程的学习方法、要点本课程的学习方法、要点 学会应用工程流体力学分析和解决实际问学会应用工程流体力学分析和解决实际问 题
3、的思路和方法,培养综合分析问题的能题的思路和方法,培养综合分析问题的能 力和创造性的思维能力;力和创造性的思维能力; 重视对基本概念和基本理论的学习,做到重视对基本概念和基本理论的学习,做到 对所对所研究的物理过程有深刻的理解;研究的物理过程有深刻的理解; 注意学习方法,及时复习与小结。注意学习方法,及时复习与小结。 工程流体力学工程流体力学 加强工程实际训练,理论与实践相结合,培养加强工程实际训练,理论与实践相结合,培养 工程工程分析能力和灵活应用经验公式、计算图表分析能力和灵活应用经验公式、计算图表 的能力;的能力; 充分认识自学的重要性,培养独立地获取知识充分认识自学的重要性,培养独立地
4、获取知识 的能力;的能力;流体力学的研究方法流体力学的研究方法 理论分析方法理论分析方法 实验方法实验方法 数值方法数值方法建立模型建立模型推导方程推导方程求解方程求解方程解释结果解释结果相似理论相似理论模型试验模型试验测量测量数据分析数据分析数学模型数学模型离散化离散化编程计算编程计算检验结果检验结果网格的划分网格的划分日本名古屋矢田川桥抗风性能数值模拟(同济大学)日本名古屋矢田川桥抗风性能数值模拟(同济大学) 压力分布压力分布速度分布速度分布流体力学的发展简史流体力学的发展简史1.1. 阿基米德(公元前阿基米德(公元前287-287-前前212212年)年)2.2. 牛顿(牛顿(1642-
5、17271642-1727年)年)3.3. 伯努力(伯努力(1700-17821700-1782年)年)4.4. 欧拉(欧拉(1707-17831707-1783年)年)5.5. 拉格朗日(拉格朗日(1736-18311736-1831年)年)6.6. 达朗倍尔(达朗倍尔(1717-17831717-1783年)年)7.7. 亥姆霍兹亥姆霍兹8.8. 纳维、斯托克斯(纳维、斯托克斯(1781-19531781-1953年)年)9.9. 普朗特(普朗特(1875-19531875-1953年)年)第一章第一章 流体及其主要物理性质流体及其主要物理性质引引 言言m流体的流体的物理性质物理性质决定了
6、流体平衡和运动规律的决定了流体平衡和运动规律的内内部原因部原因。 m流体上的流体上的作用力作用力决定了流体平衡和运动规律的决定了流体平衡和运动规律的外外部原因部原因。 m在没有讨论流体力学规律之前,应首先了解流体在没有讨论流体力学规律之前,应首先了解流体的概念、流体的主要物理性质以及作用在流体上的概念、流体的主要物理性质以及作用在流体上的力。的力。第一章第一章 流体及其主要物理性质流体及其主要物理性质1.1 1.1 流体的概念流体的概念基础知识基础知识1.2 1.2 流体及其物理性质流体及其物理性质流体宏观表象的内因流体宏观表象的内因1.3 1.3 作用在流体上的力作用在流体上的力流体宏观表象
7、的外因流体宏观表象的外因第一章第一章 流体及其主要物理性质流体及其主要物理性质教学教学 目的目的 1.【了解了解】流体的概念和特性流体的概念和特性 2.【掌握掌握】连续介质假设连续介质假设教学教学 基本基本 内容内容 1.1.流体的定义和特性流体的定义和特性 2.2.连续介质模型连续介质模型1.1 流体的概念第一章第一章 流体及其主要物理性质流体及其主要物理性质定义一定义一:流体流体包括气体和液体,既不能保持一定的形状,而包括气体和液体,既不能保持一定的形状,而 且具有很大的流动性。且具有很大的流动性。 定义二定义二:在静力平衡时,不能承受剪切力的物质就是:在静力平衡时,不能承受剪切力的物质就
8、是流体流体。 定义三定义三:流体流体是一种受任何微小剪切力都能连续变形的物质,是一种受任何微小剪切力都能连续变形的物质,是气体和液体的通称。是气体和液体的通称。 一、流体的概念一、流体的概念 要点:要点:流体包括气体和液体,具有易流动性,且在静止状流体包括气体和液体,具有易流动性,且在静止状态下不能承受剪切力。态下不能承受剪切力。第一章第一章 流体及其主要物理性质流体及其主要物理性质物质形态物质形态固态(固体)固态(固体)液态(液体)液态(液体)气态(气体)气态(气体)分子距分子距很小很小分子有效直径分子有效直径分子有效直径分子有效直径分子引力、斥力分子引力、斥力很大很大中等中等很小很小几何特
9、性几何特性保持固定的形状保持固定的形状和体积和体积 体积较固定、形体积较固定、形状不固定状不固定 没有固定的形状没有固定的形状和体积和体积 物理力学特性物理力学特性能承受拉力、压能承受拉力、压力、剪切力力、剪切力 不能承受拉力,不能承受拉力,静止时不能承受静止时不能承受剪切力剪切力 不能承受拉力、不能承受拉力、静止时不能承受静止时不能承受剪切力剪切力 不易压缩,不易压缩,有自由表面有自由表面易压缩,没易压缩,没有自由表面有自由表面压缩性为气体、液体的主要区别压缩性为气体、液体的主要区别二、流体的基本特征二、流体的基本特征液体、气体具有流液体、气体具有流 动性,通称为流体动性,通称为流体若不超过
10、弹性极若不超过弹性极限,除去作用力限,除去作用力后固体应变消失后固体应变消失易流动性为固体与流体的主要区别易流动性为固体与流体的主要区别第一章第一章 流体及其主要物理性质流体及其主要物理性质m微观上讲,流体由分子组成,分子间是有间隙、不连续的。微观上讲,流体由分子组成,分子间是有间隙、不连续的。但流体力学的研究着眼于但流体力学的研究着眼于宏观流体的机械运动宏观流体的机械运动,而非微观分而非微观分子运动。子运动。 m连续介质假设由瑞士学者欧拉(连续介质假设由瑞士学者欧拉(EulerEuler)在)在17531753年提出,即年提出,即:不考虑流体分子的存在,而是把真实流体看成由无数连续分不考虑流
11、体分子的存在,而是把真实流体看成由无数连续分布的布的流体微团(或流体质点)流体微团(或流体质点)所组成的连续介质,流体质点所组成的连续介质,流体质点紧密接触,彼此间无任何间隙。紧密接触,彼此间无任何间隙。 三、连续介质假设三、连续介质假设 流体微团(流体质点)流体微团(流体质点)作为研究问题的基本单位,作为研究问题的基本单位,满足:满足: 宏观上无穷小:宏观上无穷小:以致于可以将其看成一个几何以致于可以将其看成一个几何上没有维度的点上没有维度的点。 微观上无穷大:微观上无穷大:包含着许许多多的分子,其行包含着许许多多的分子,其行为已经表现出大量分子的统计学性质为已经表现出大量分子的统计学性质。
12、第一章第一章 流体及其主要物理性质流体及其主要物理性质m引入连续介质假设的意义:引入连续介质假设的意义: 流体看成连续介质的单元体,则流体的一切宏观物理流体看成连续介质的单元体,则流体的一切宏观物理量(如质量、流速、压力、能量等)都是时间和空间的连量(如质量、流速、压力、能量等)都是时间和空间的连续函数。因此,可以引用连续函数等数学解析方法、特别续函数。因此,可以引用连续函数等数学解析方法、特别是微积分方法,来研究流体平衡和运动状态下有关物理参是微积分方法,来研究流体平衡和运动状态下有关物理参数之间的数量关系,解决流体力学问题,这对于流体力学数之间的数量关系,解决流体力学问题,这对于流体力学的
13、理论研究具有重要意义。的理论研究具有重要意义。 m 连续介质假设对于大多数流体是适用的,连续介质假设对于大多数流体是适用的,但对于稀薄的气体而言,必须作为不连续流体但对于稀薄的气体而言,必须作为不连续流体考虑,此时连续介质假设不适用。考虑,此时连续介质假设不适用。第一章第一章 流体及其主要物理性质流体及其主要物理性质1.2 流体的主要物理性质教学教学 目的目的 1.1.【掌握掌握】密度、重度、相对密度、膨胀密度、重度、相对密度、膨胀性、性、 压缩性压缩性 2.2.【重点掌握重点掌握】流体的粘性、牛顿内摩擦流体的粘性、牛顿内摩擦定律。定律。教学教学 基本基本 内容内容 流体的主要物理性质流体的主
14、要物理性质第一章第一章 流体及其主要物理性质流体及其主要物理性质m定义:单位体积流体的质量定义:单位体积流体的质量 均质:均质: 单位:千克单位:千克/米米3 (kg/m3) 一、密度一、密度 (Density) VM流体质量(流体质量(kg)流体体积(流体体积(m3)非均质:非均质:0limVMdMVdV 第一章第一章 流体及其主要物理性质流体及其主要物理性质二、重度二、重度 (Specific weight) m定义:单位体积流体的重量,又称为容重定义:单位体积流体的重量,又称为容重 均质:均质: m单位:单位: 牛顿牛顿/米米3(N/m3)VG流体重量(流体重量(N)流体体积(流体体积(
15、m3)非均质非均质0limVGdGVdV g密度与重度的关系密度与重度的关系:第一章第一章 流体及其主要物理性质流体及其主要物理性质m相对密度相对密度比重(比重(d) 液体的相对密度液体的相对密度液体的质量与同体积液体的质量与同体积4C蒸馏蒸馏水质量之比水质量之比 气体的相对密度气体的相对密度气体的密度与同温同压下的空气体的密度与同温同压下的空气密度之比气密度之比 、 分别为标准密度和标准重度。分别为标准密度和标准重度。 00d00第一章第一章 流体及其主要物理性质流体及其主要物理性质三、压缩性三、压缩性 (Compressibility)p压力改变量压力改变量原体积原体积 体积改变量体积改变
16、量pdVVdP 定义:定义:在温度不变的条件下,流体在压力作用下体积在温度不变的条件下,流体在压力作用下体积缩小的性质缩小的性质 表征:表征:体积压缩系数体积压缩系数 (coefficient of volume compressibility) 体积相对变化量体积相对变化量物理意义:物理意义:温度不变,压力增加一个单位时的体积相温度不变,压力增加一个单位时的体积相对变化量。对变化量。 负号的含义:负号的含义:压力增加使得流体体积缩小,比值压力增加使得流体体积缩小,比值dP/dV 永远为负。为保持永远为负。为保持 永远为正,冠以负号。永远为正,冠以负号。 单位:单位: 米米2 /牛顿(牛顿(m
17、2/N=1/Pa) 液体压缩时保持质量守恒,即液体压缩时保持质量守恒,即 ,因此有:因此有:p0dMdVVd11pdVdV dPdP 第一章第一章 流体及其主要物理性质流体及其主要物理性质m定义:定义:温度不变条件下,压缩流体在压力撤除后恢复温度不变条件下,压缩流体在压力撤除后恢复原状的性质原状的性质 m表征:表征:体积弹性系数体积弹性系数(coefficient of volume flexibility )(E),又称为体积弹性模量。),又称为体积弹性模量。 1pdPEdVV 弹性弹性 (Flexibility)物理意义:物理意义:温度不变,体积相对增加一个单位时的温度不变,体积相对增加一
18、个单位时的压力变化量压力变化量。弹性模量越大、压缩性越小,流体越不易被压缩。弹性模量越大、压缩性越小,流体越不易被压缩。 单位:单位:牛顿牛顿/米米2 (N/m2) 、帕斯卡(、帕斯卡(Pa)1pdPEdVV 第一章第一章 流体及其主要物理性质流体及其主要物理性质m定义:定义:在压力不变的条件下,温度升高时,流体体积在压力不变的条件下,温度升高时,流体体积增大的性质增大的性质 m表征:表征:体积膨胀系数体积膨胀系数( coefficient of volume expansibility )( ) 四、膨胀性四、膨胀性 (Expansibility)t温度改变量温度改变量原体积原体积 体积改变
19、量体积改变量tdVVdt物理意义:物理意义:压力不变,温度增加一个单位时的体压力不变,温度增加一个单位时的体积相对变化量。积相对变化量。 单位:单位: 1/C 或或 1/K温度改变量温度改变量原体积原体积 体积改变量体积改变量tdVVdt第一章第一章 流体及其主要物理性质流体及其主要物理性质A 说明:说明:m对于具体流动问题而言,是否考虑流体的压缩性、对于具体流动问题而言,是否考虑流体的压缩性、膨胀性不决定于流体是气体还是液体,而是由具体膨胀性不决定于流体是气体还是液体,而是由具体条件决定。条件决定。 m工程上一般把液体视为不可压缩流体(工程上一般把液体视为不可压缩流体(=常数),常数),忽略
20、它的压缩性、膨胀性。但特殊情况例外,如水忽略它的压缩性、膨胀性。但特殊情况例外,如水击压力计算。击压力计算。 例:例:压力为压力为5atm情况下,压力每增加情况下,压力每增加1atm,水体体积相对减小万分之水体体积相对减小万分之0.529。 压力为压力为1atm情况下,温度情况下,温度1020oC时,温时,温度每增加度每增加1oC,水体体积相对增加万分之,水体体积相对增加万分之1.5。 可见,水的压缩性和膨胀性都很小。可见,水的压缩性和膨胀性都很小。m气体易压缩、易膨胀,通常作为可压缩流体处理。气体易压缩、易膨胀,通常作为可压缩流体处理。但对于低速流动的气体而言,在工程计算中可以忽但对于低速流
21、动的气体而言,在工程计算中可以忽略不计气体的压缩性。略不计气体的压缩性。 m气体的密度随压力、温度的改变而发生明显变化,气体的密度随压力、温度的改变而发生明显变化,这与热力学过程密切相关。这与热力学过程密切相关。 A 说明:说明:例:例:由气体状态方程由气体状态方程 ,R为气体常数为气体常数(空气空气 R=287.06 J/(kgK))。在等温条件下:)。在等温条件下: pRT1121122211,pppcpcpconstp10.1pp10.1设压力由设压力由1atm增加到增加到1.1atm,有:有: , 。 可见,气体易于压缩。可见,气体易于压缩。五、粘性五、粘性 (Viscosity)m定
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