流体力学

1、第第1章章 流体力学基本知识流体力学基本知识 教学目标：教学目标： 了解流体的主要力学性质；了解流体的主要力学性质； 理解流体静力学和流体动力学的基本概念；理解流体静力学和流体动力学的基本概念； 掌握流动阻力与能量损失的基本概念。掌握流动阻力与能量损失的基本概念。 流体力学是力学的一个分支，它是研究流流体力学是力学的一个分支，它是研究流 体静止和运动的力学规律，及其在工程技体静止和运动的力学规律，及其在工程技 术中的应用。术中的应用。 本章介绍流体静力学、流体动力学、流体本章介绍流体静力学、流体动力学、流。

2、1 应用流体力学基本概念应用流体力学基本概念 摘自水利科技名词1997 (全国科学技术名词审定委员会公布) 03.001 流体力学流体力学 fluid mechanics 研究流体(液体和气体)的力学运动规律及其应用的学科。 03.002 水静力学水静力学 hydrostatics 研究水和其他液体在静止状态下的力学运动规律及其应用的学科。 03.003 水动力学水动力学 bydrodynamics 研究水和其他液体在运动状态下的力学运动规律及其应用的学科。 03.004 连续介质连续介质 continuum, continuous medium 质点连续地充满所占空间的流体或固体。 03.005 流体流体 fluid 一受到。

3、本系列实验报告依据吉林大学 2013 版本科生教学大纲编制 吉林大学机械科学与工程学院机械电子工程实验室编制 圆管局部阻力系数测定圆管局部阻力系数测定 实验指导与报告实验指导与报告 学院专业班级 姓名同组者指导教师 学号日期成绩 吉林大吉林大学学 本系列实验报告依据吉林大学 2013 版本科生教学大纲编制 1 圆管局部阻力系数测定圆管局部阻力系数测定实验实验 一一实验目的实验目的 1. 在不同雷诺数条件下，测定液体流经管路断面突然扩大和突然缩小 部分时局部阻力系数 的值，并与经验值比较，分析误差产生原因； 2. 通过对圆管突扩局。

4、第三章作业答案 3-9 解：解：水箱下降的体积就是排出的流体体积，为： 34322 10043. 9108 . 02 . 1 4 14. 3 4 mhDV 则泄流量为：sm t V Q/10043. 9 34 小孔截面积 2422 10065. 703. 0 4 14. 3 4 mdA 平均流速为： A Q v1.28 m/s 3-15（3）解：解：根据已知条件 yxuxyu yx 2 2 22 则 022 y u x u y x 显然满足不可压流动的连续性条件。 根据流线方程，有 yx u dy u dx 则 yx dy xy dx 22 22 积分得流线方程为： Cxyyx2 3 1 3 1 33 第四章作业答案 4-8 解解: 取无限远处为 1-1 截面，测压管的地方取截面 2-2。 列出截面 1-1、2-2 的伯努利方。

5、第五章作业答案 5-15 解：解：为保证管内流动为层流，必须有 2000Re 。则 2000 105 . 1 3 . 0 Re 4 VVd 1 V 于是：1 4 2 d Q V 可求出 071. 0 Q （m3/s） 也即层流状态下，最大的流量为 0.071 m3/s。 5-20 解：解：管内流速为 )/( 944. 0 4 2 sm d Q v 流动的雷诺数为： 3 .1132 105 . 2 3 . 0944. 0 Re 4 vd ，显然流动为层流。 则沿程阻力系数为： 05652. 0 Re 64 沿程阻力损失为：)( 26.34 2 2 m g v d l hf 为克服阻力需要增加的功率为： (W) 9 .18801 QghN f 5-22 解：解：由沿程阻力计算公式 g v d l hf 2 2 则水力坡度： g v dl h 。

6、第二章作业第二章作业参考答案参考答案 2-10 解：解：由于容器是密闭的，本题按绝对压强进行计算。 容器内气体压力为 11 ghPP 汞气 因为 221 ghPP 水 332 ghPP 汞 大气 PP 3 所以 231 )ghhhgPP 水汞大气气 （ = 3.08 5 10 (Pa) 2-13 解：解： 如图设两杯中初始液面高度为 1 H及 2 H。当 U 型管中液体交界面上升h 时，左杯液面下降和右杯液面上升高度均为h。 由初始平衡状态得： 2211 HH U 型管与杯中生降的液体体积相等： 2 2 2 1 44 dhdh 以变化后的 U 型管液体交界面为基准，得 ghhHpghhHp)()( 222111 由以上三式整理得 g d d hppp 2 1 。

7、32 学时流体力学课复习题学时流体力学课复习题 一、填空题一、填空题 1、流体是一种受任何微小的 都会产生连续 的物质。 2、牛顿内摩擦定律： ，其中的比例系数称为 。 3、温度升高时，液体的粘度 ，而气体的粘度 。 4、作用在流体上的力可分为 和 两类。 5、单位质量力是指作用在单位_____ 液体上的质量力。 6、单位质量力的量纲是 。 7、对于不同的流体，体积弹性系数的值不同，弹性模量越 ，流体越不易被压缩。 8、某点处的绝对压强等于该处的 加上该处的 。 9、某点处的真空等于该处的 减去该处的 。 10、某点处的相对压强等于该处的 。

8、本系列实验报告依据吉林大学 2013 版本科生教学大纲编制 吉林大学机械科学与工程学院机械电子工程实验室编制 圆管圆管沿程沿程阻力系数测定阻力系数测定 实验指导与报告实验指导与报告 学院专业班级 姓名同组者指导教师 学号日期成绩 吉林大吉林大学学 本系列实验报告依据吉林大学 2013 版本科生教学大纲编制 1 圆管圆管沿程沿程阻力系数测定阻力系数测定实验实验 一一实验目的实验目的 1. 测定不同雷诺数 Re 时沿程阻力系数 的值； 2. 观察流体以定常流动流经圆管时，沿程水头损失 hf与流速 v 之间的 关系； 二实验设备二实验设备 三实验。

9、本系列实验报告依据吉林大学 2013 版本科生教学大纲编制 吉林大学机械科学与工程学院机械电子工程实验室编制 动量方程验证动量方程验证 实验指导与报告实验指导与报告 学院专业班级 姓名同组者指导教师 学号日期成绩 吉林大学吉林大学 本系列实验报告依据吉林大学 2013 版本科生教学大纲编制 1 定常流动的动方程实验定常流动的动方程实验 一一实验目的实验目的 1. 实测射流对垂直平板的作用力，同理论公式的计算值相比较，验证 恒定总流动量方程； 2. 了解浮子流量计测量流量的方法； 二实验设备二实验设备 三实验原理三实验原理 定常流动。

10、本系列实验报告依据吉林大学 2013 版本科生教学大纲编制 吉林大学机械科学与工程学院机械电子工程实验室编制 伯努利方程验证伯努利方程验证水头线绘制水头线绘制 实验指导与报告实验指导与报告 学院专业班级 姓名同组者指导教师 学号日期成绩 吉林大吉林大学学 本系列实验报告依据吉林大学 2013 版本科生教学大纲编制 1 伯努利方程验证伯努利方程验证水头线绘制水头线绘制 一一实验目的实验目的 1. 定性的验证伯努利方程，并掌握相关压力水头、速度水头、总水头 的测量和绘制方法； 2. 通过对动水力学现象的实验分析和研讨，进一步掌握管。

11、32 学时流体力学课复习题学时流体力学课复习题 一、填空题一、填空题 1、剪切力，变形 2、 dy du ，动力粘度 3、降低，增大 4、表面力，质量力 5、质量 6、LT-2 7、大 8、大气压强，相对压强 9、大气压强，绝对压强 10、绝对压强，大气压强 11、等压面，质量力，等压面 12、理想，粘性 13、雷诺数，层流，紊流 14、理想流体，粘性流体 15、定常，非定常 16、质量守恒定律 17、能量守恒定律（或机械能守恒定律） 18、 g v hj 2 2 ， g v d l hf 2 2 19、几何相似，运动相似，动力相似 20、流体与管壁的摩擦，流体与管壁或流体微团间的相互。

12、流体力学 电子教案,第一章 绪论,11 工程流体力学的研究对象、任务和方法 12 流体质点与连续介质的概念 13 流体的密度 14 流体的压缩性和膨胀性 15 流体的粘性,11 工程流体力学的研究 对象、任务和方法,一、研究对象 探讨和研究宏观流体的平衡与机械运动的基本规律,以及这些规律在工程中的实际应用。 例如：1、水泵、通风机和油压机等，都是以流体作为对象 的工作机械；其工作原理、性能和试验，都是以 流体力学作为理论基础的。 2、机床、汽车、采矿冶金机械等，广泛采用的液压 传动和气压传动，是以流体为工作介质的传动机 械。,二、任务。

13、流体力学,流体力学,中国矿业大学电力工程学院,第二章,2.1 作用在流体上的力,2.2 流体静压力及其特性,2.3 流体平衡微分方程,2.4 流体静力学基本方程,2.5 压力的单位及测量方法,2.6 液体的相对平衡,2.7 静止液体对壁面的作用力,第二章 流体静力学,2.1 作用在流体上的力,一、表面力,大小与表面积有关，且分布作用在流体微团表面上的力。,在流体中任取一分离体；,作用在该微元面积上的表面力为 ；,将该表面力沿法向和切向进行分解：,内法向应力，即流体的压强。,切向应力，即流体的粘性力。,质量力也称为体积力，或彻体力。,二、质量力,与流体。

14、流体力学 电子教案,第一章 绪论,11 工程流体力学的研究对象、任务和方法 12 流体质点与连续介质的概念 13 流体的密度 14 流体的压缩性和膨胀性 15 流体的粘性,11 工程流体力学的研究对象、 任务和方法,一、研究对象 探讨和研究宏观流体的平衡与机械运动的基本规 律,以及这些规律在工程中的实际应用。 例如：1、水泵、通风机和油压机等，都是以流体作为对象的工作 机械；其工作原理、性能和试验，都是以流体力学作为 理论基础的。 2、机床、汽车、采矿冶金机械等，广泛采用的液压传动和 气压传动，是以流体为工作介质的传动机械。,二、任务。

15、流体力学 教学课件,第五章 管中流动,本章将介绍伯努利方程中=？hW=? 以及动量方程中=？ 流动阻力的两种形式： 1、沿程阻力（沿程损失） 沿流程的摩擦阻力，叫作沿程阻力， 由此产生的能量损失称为沿程损失。,2、局部阻力（局部损失） 流体流经管道局部障碍时所受到的阻力称为局部阻力； 由局部阻力而引起的能量损失称为 局部损失。,计算公式 1、沿程损失 :单位重量流体的沿程损失水头损失； :沿程阻力系数； :损失段长度； :管内径； :管中平均流速。,2、局部损失 ：单位重量流体的局部损失； ：局部阻力系数； ：一般指局部装置后面管中。

16、小测试,1. 在重力作用下沿倾斜平面等速向下流动的薄液层，若为层流流动，试证：,小测试,2. 已知：下部水箱重300N，其中成水量800克，如果此水箱放在称台上，受下如图所示的恒定流作用，问秤的读书是多少？,小测试,3.图示为管径不同的两段管路，已知A点的参数为dA=0.25m，pA=0.89.81104N/m2，B点的参数为dB=0.50m，pB=0.59.81104N/m2，流速VB=1.2m/s，ZB=1m。试求A、B两断面间能量差及判断水流运动的流向。,小测试,4.直角三通水平放置，如下图所示。已知出、入接口直径均为d=500mm，入口水流量qv=0.6m3/s，压强p=70kPa（表压），两出口流量。

17、流体力学,流体力学,中国矿业大学电力工程学院,第七章,第七章 相似原理与量纲分析,7.1 相似原理,7.2 量纲分析与定理,7.1 相似原理,二、相似条件,几何相似,几何相似是指模型与原型中的对应线性长度成比例。,几何相似常数指模型与原型的线性长度之比：,运动相似,运动相似是指模型和原型中对应点上的速度方向相同，大小成比例。,一、流动现象相似的概念,实验结果如何推广？,7.1 相似原理,动力相似,动力相似是指模型和原型中对应点上的流体质点所受到的同名力方向相同，大小成比例。,力相似常数：,三个相似条件的关系,几何相似是必要的前提； 。

18、工程流体力学B,2.2.1 流体平衡微分方程式的导出,从静止流体中取出一个边长为dx、dy、dz的微元平行六面体，对其进行受力分析， 受力情况如图。 由于微元六面体处于平衡状态，故在X方向有： 化简，得 同理可求得y、z方向的平衡方程。,2.2流体平衡微分方程式,2.2.2 欧拉平衡方程式的综合形式,欧拉平衡方程的综合形式，也叫做压强微分公式。,2.3.1 不可压缩流体的静压强基本公式 综合方程： 现 故有： 即有： 即：,2.3 重力场中的平衡流体,静压强基本公式,C点的总势能：,A点的总势能：,（1）静压强基本方程的物理意义,z 代表单位重力流体的位。

19、流体力学,流体力学,中国矿业大学电力工程学院,第四章,4.1 理想流体运动方程式,4.2 粘性流体运动方程式,4.3 理想流体伯努利方程,4.4 伯努利方程的能量和几何意义,4.5 相对运动的伯努利方程,4.6 总流伯努利方程,4.7 伯努利方程的应用,4.8 动量方程,4.9 动量矩方程,4.1 理想流体的运动方程,理想流体运动微分方程：,或改写成：,4.2 粘性流体运动方程,流体微团受力分析,根据牛顿第二定律，可得：,dx,dy,dz,（1）法向应力：,（2）切向应力： 、,4.2 粘性流体运动方程,应用广义牛顿内摩擦定律，可得：,上式称为Navier-Stokes方程，简称N-S方程。,。

20、流体力学 电子课件,第三章 流体动力学基础,本章是流体动力学的基础知识、基本原理 和基本方程,是整个课程的重点。 三个重要方程：连续方程、伯努利方程、 动量方程。,31 描述流体运动的两种方法,表征运动流体的物理量，诸如流体质点的位移、速度、加速度、密度、压强、动量、动能等等统称为流体的流动参数。描述流体运动就是要表达这些流动参数分布和变化规律。 解决问题方法：拉格朗日法(Lagrange)、欧拉 (Euler)法。,一、拉格朗日法 出发点：追踪每一个流体质点，研究各个流体 质点的运动规律，然后综合所有流体质点， 从而得到整个流场。

21、流体力学,流体力学,中国矿业大学电力工程学院,第一章,第一章 流体及其物理性质,1.1 流体的概念,1.2 流体的密度和重度,1.3 流体的压缩性与膨胀性,1.4 流体的粘性,1.1 流体的概念,物质的存在状态,气态,液态,固态,分子间距大、相互作用微弱，不能保持一定的体积和形状。可压缩性大。,分子间距较小、相互作用较大，可保持其固有体积，但不能保持形状。,分子间距很小、作用力很大，分子排列规则整齐，能保持一定的形态和体积。,物质的受力和运动特性,流体,固体,不能抵抗切向力，在切向力的作用下可以无限的变形，这种变形称为流动。,能承受一定。

22、流体力学,流体力学,中国矿业大学电力工程学院,第六章,第六章 能量损失及管路计算,6.1 沿程阻力系数,6.2 局部阻力系数,6.3 管路计算,6.4 有压管路中的水击,6.5 明渠均匀流,6.1 沿程阻力系数,一、尼古拉兹实验,（1）层流区：,（2）第一过渡区： 2320Re4000,为层流向紊流过渡的不稳定区域。该区没有经验公式，实际计算时，可借用水力光滑管区的经验公式。,6.1 沿程阻力系数,（4）第二过渡区：,（5）水力粗糙区：,（3）水力光滑区：,6.1 沿程阻力系数,二、莫迪图,莫迪图用各种工业管道进行大量实验，将实验结果绘制成下图所示的曲线。,6.2 局。

23、流体力学,流体力学,中国矿业大学电力工程学院,第三章,第三章 流体运动学,3.1 研究流体运动的方法,3.2 基本概念,3.3 连续性方程,3.4 流体微团运动分析,3.5 势函数和流函数,3.6 平面势流及其叠加,3.1 研究流体运动的方法,一、拉格朗日法,拉格朗日法的着眼点：特定的流体质点。,拉格朗日法的标记法：某一时刻流体质点的 坐标（a、b、c）,质点在各方向的位移：,3.1 研究流体运动的方法,一、拉格朗日法,流体质点的速度：,流体质点的加速度：,二、欧拉法,流场的定义,充满运动流体的空间称为流场。,欧拉法的着眼点：流场中的空间点。,欧拉法的标。

24、流体力学 电子课件,第四章 相似原理和量纲分析,4-1 相似原理,一、力学相似的基本概念 力学相似是指实物流动与模型流动在对应点上物理量 都应该有一定的比例关系，具体包括下列三个方面： 1、几何相似： 即模型流动与实物流动有相似的边界形 状，一切对应的线性尺寸成比例。 如果用无上标的物理量符号来表示实物流动，用有上标 “”的物理量符号表示模型流动。则有下述比例尺：,线性比例尺 面积比例尺 体积比例尺,2、运动相似：即实物流动与模型流动的流线应该几何相似， 而且对应点上的速度成比例。,速度比例尺 时间比例尺 加速度比例尺,。

25、流体力学 电子教案,第二章 流体静力学,研究平衡流体的力学规律及其应用 平衡包括两种： 1、重力场中的流体平衡 流体对地球无相对运动； 2、流体的相对平衡 流体对运动容器无相对运动。,21 作用在流体上的力,一、质量力 定义：与流体微团质量大小有关并且集中作用在微团质量中心上的力。 质量力： 单位质量力：单位质量流体所受的质量力。 分量形式：,二、表面力 定义：作用在所取分离体的表面上，大小与表面积有关的力。 表面力分为两种： 切向力（平衡流体=0） 法向力（流体静压力） 流体静压强： 静压力（强）特性： 方向性：指向作用面。

26、流体力学,流体力学,中国矿业大学电力工程学院,第五章,第五章 粘性流动及阻力,5.1 流动阻力的分类,5.2 粘性流体的两种流动状态,5.3 附面层及管流起始段的概念,5.4 圆管中的层流流动,5.5 缝隙流,5.6 圆管中的紊流流动,5.7 不可压缩流体绕流,5.1 流动阻力的分类,一、沿程阻力及沿程损失,沿程阻力：流体在缓变流整个流程中受到的流动阻力。 沿程阻力主要由流体与壁面的摩擦造成。,沿程损失：因沿程阻力造成的能量损失。, 沿程阻力系数；,d 管道直径或水力直径。,5.1 流动阻力的分类,二、局部阻力及局部损失,局部阻力：流体流过局部装置时受到。

27、第4章 流体在圆管中的流动,1.流体在固体内部的管中流动和缝隙中流动; 2.流体在固体外部的绕流; 3.流体在固体一侧的明渠流动; 4.流体与固体不相接触的孔口出流和射流。,流体运动按与物体的接触情况分类：,在机械工程方面，涉及最多的就是流体在管路中流动，如机床的润滑系统、汽车发动机的冷却系统，车间的供水、供风、供油及通风除尘设备等。,4.1 雷诺实验,19世纪末，英国物理学家雷诺通过实验装置，发现流体在管道中流动时，有两种完全不同的流动状态。,流速很小时，管内液体沿轴向流动，层与层之间、流束之间不互相混杂，流体质点之间没。