流體力學(xué)第一章PPT課件

1、1第一章第一章 流體及其主要物理性質(zhì)流體及其主要物理性質(zhì)basic considerationsbasic considerations21 11 1流體的連續(xù)介質(zhì)假設(shè)流體的連續(xù)介質(zhì)假設(shè) 問(wèn)題：流體由什么組成？問(wèn)題：流體由什么組成？ 基本組成單元是什么？基本組成單元是什么？3連續(xù)介質(zhì)假設(shè)的內(nèi)容：連續(xù)介質(zhì)假設(shè)的內(nèi)容： 連續(xù)介質(zhì)假設(shè)認(rèn)為實(shí)際流體是由大量的流體連續(xù)介質(zhì)假設(shè)認(rèn)為實(shí)際流體是由大量的流體質(zhì)點(diǎn)所組成的，每一個(gè)流體質(zhì)點(diǎn)無(wú)間隙地、連續(xù)質(zhì)點(diǎn)所組成的，每一個(gè)流體質(zhì)點(diǎn)無(wú)間隙地、連續(xù)地分布在所占據(jù)的體積之中，而且每一個(gè)流體質(zhì)地分布在所占據(jù)的體積之中，而且每一個(gè)流體質(zhì)點(diǎn)在任一時(shí)刻都具有確定的物理參量（密度

2、、速點(diǎn)在任一時(shí)刻都具有確定的物理參量（密度、速度、壓力、溫度等）。度、壓力、溫度等）。4 類比：能不能把液體分成若干小液滴？這些小液滴類比：能不能把液體分成若干小液滴？這些小液滴密密麻麻地?cái)D在一起？每一個(gè)小液滴相當(dāng)于一個(gè)流密密麻麻地?cái)D在一起？每一個(gè)小液滴相當(dāng)于一個(gè)流體質(zhì)點(diǎn)。體質(zhì)點(diǎn)。51. 1. 為什么為什么流體力學(xué)流體力學(xué)一開始就提出這樣一一開始就提出這樣一個(gè)假設(shè)？個(gè)假設(shè)？流體力學(xué)是以數(shù)學(xué)、物理學(xué)為基礎(chǔ)發(fā)展的。流體力學(xué)是以數(shù)學(xué)、物理學(xué)為基礎(chǔ)發(fā)展的。流體力學(xué)尤其是流體動(dòng)力學(xué)作為一門嚴(yán)密的科學(xué)，卻是隨著流體力學(xué)尤其是流體動(dòng)力學(xué)作為一門嚴(yán)密的科學(xué)，卻是隨著經(jīng)典力學(xué)建立了速度、加速度，力、流場(chǎng)等概念，

3、以及質(zhì)量、經(jīng)典力學(xué)建立了速度、加速度，力、流場(chǎng)等概念，以及質(zhì)量、動(dòng)量、能量三個(gè)守恒定律的奠定之后才逐步形成的。動(dòng)量、能量三個(gè)守恒定律的奠定之后才逐步形成的。研究流體力學(xué)問(wèn)題必然要借助數(shù)學(xué)這個(gè)工具，而最終歸屬是研究流體力學(xué)問(wèn)題必然要借助數(shù)學(xué)這個(gè)工具，而最終歸屬是其物理解釋。其物理解釋。6流體運(yùn)動(dòng)：微積分流體運(yùn)動(dòng)：微積分 建立數(shù)學(xué)方程建立數(shù)學(xué)方程 求解求解流體運(yùn)動(dòng)的流體運(yùn)動(dòng)的物理規(guī)律物理規(guī)律 物理定律物理定律 邊界條件邊界條件 物理性質(zhì)物理性質(zhì) 初始條件初始條件數(shù)學(xué)方程：微積分，函數(shù)在定義域內(nèi)是連續(xù)的。數(shù)學(xué)方程：微積分，函數(shù)在定義域內(nèi)是連續(xù)的。因此，流體力學(xué)研究也必須建立在連續(xù)性基礎(chǔ)上。因此，流體

4、力學(xué)研究也必須建立在連續(xù)性基礎(chǔ)上。流體力學(xué)中第一個(gè)根本性假設(shè)是連續(xù)介質(zhì)假設(shè)。流體力學(xué)中第一個(gè)根本性假設(shè)是連續(xù)介質(zhì)假設(shè)。72 2、為什么連續(xù)介質(zhì)假設(shè)是成立的、為什么連續(xù)介質(zhì)假設(shè)是成立的? ? 流體力學(xué)主要研究的是流體的宏觀運(yùn)動(dòng)。流體力學(xué)主要研究的是流體的宏觀運(yùn)動(dòng)。 8（1 1）流體質(zhì)點(diǎn)（）流體質(zhì)點(diǎn)（ 流體質(zhì)點(diǎn)與分子之間的關(guān)系）流體質(zhì)點(diǎn)與分子之間的關(guān)系） 定義：所謂流體質(zhì)點(diǎn)指的是微觀上充分大，定義：所謂流體質(zhì)點(diǎn)指的是微觀上充分大， 宏觀上充分小的分子團(tuán)。宏觀上充分小的分子團(tuán)。 這個(gè)分子團(tuán)包含有足夠多的分子數(shù)目，而這些這個(gè)分子團(tuán)包含有足夠多的分子數(shù)目，而這些分子的統(tǒng)計(jì)平均特性足以反映流體的宏觀特性。

5、分子的統(tǒng)計(jì)平均特性足以反映流體的宏觀特性。9小液滴：由一定數(shù)目的水分子組成，即水分子團(tuán)。小液滴：由一定數(shù)目的水分子組成，即水分子團(tuán)。 這個(gè)水分子團(tuán)具有一定的尺寸，它相對(duì)于水這個(gè)水分子團(tuán)具有一定的尺寸，它相對(duì)于水分子自由程是充分大的，相對(duì)于所研究流場(chǎng)的特分子自由程是充分大的，相對(duì)于所研究流場(chǎng)的特征尺度是微不足道的。征尺度是微不足道的。 10壓力壓力 p p（x,y,z,tx,y,z,t）速度速度 u u（x,y,z,tx,y,z,t）溫度溫度 t t（x,y,z,tx,y,z,t）11思考題： 設(shè)稀薄氣體的分子自由程是幾米的數(shù)量級(jí)，問(wèn)下列兩種情況連續(xù)介質(zhì)假設(shè)是否成立？ a.人造衛(wèi)星在飛離大氣層進(jìn)

6、入稀薄氣體層時(shí)；b.假想地球在這樣的稀薄氣體中運(yùn)動(dòng)。地球的赤道半徑是6380千米，周長(zhǎng)是40080千米 美國(guó)宇航局發(fā)射一顆小型納米級(jí)人造衛(wèi)星，其大小如同面包塊一般 1212 流體的主要物理性質(zhì)： 易流動(dòng)性（慣性）、粘性、壓縮性。13流體的密度流體的密度 kg/m kg/m3 3 重度重度 =g =g n/m3n/m3比容比容=1/ m=1/ m3 3/n/n比重比重( (相對(duì)密度相對(duì)密度) d=/) d=/水水(4(4c c）水水14 流體具有流動(dòng)性，即沒(méi)有固定形狀，流體具有流動(dòng)性，即沒(méi)有固定形狀， 在外力作用下，其內(nèi)部產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)。在外力作用下，其內(nèi)部產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)。 一、流體的易變形性（易流

7、動(dòng)性、慣性）一、流體的易變形性（易流動(dòng)性、慣性）15 流體的力學(xué)定義：流體的力學(xué)定義： 流體不能抵抗任何剪切力作用下的剪切變形流體不能抵抗任何剪切力作用下的剪切變形趨勢(shì)。趨勢(shì)。 流體在靜止時(shí)不能承受切向應(yīng)力，不管多小流體在靜止時(shí)不能承受切向應(yīng)力，不管多小的切向應(yīng)力，只要持續(xù)地施加，都能使流體流動(dòng)的切向應(yīng)力，只要持續(xù)地施加，都能使流體流動(dòng)發(fā)生任意大的變形。流體的這個(gè)宏觀性質(zhì)稱為發(fā)生任意大的變形。流體的這個(gè)宏觀性質(zhì)稱為 易流動(dòng)性。易流動(dòng)性。 16思考題：有人說(shuō)固體具有確定的形狀而流體沒(méi)有。思考題：有人說(shuō)固體具有確定的形狀而流體沒(méi)有。據(jù)此定義常溫下一塊固態(tài)瀝青屬于固體還是流體？據(jù)此定義常溫下一塊固態(tài)

8、瀝青屬于固體還是流體？ 17二、二、 流體的壓縮性流體的壓縮性 是指流體質(zhì)點(diǎn)的體積或密度在受到一定壓是指流體質(zhì)點(diǎn)的體積或密度在受到一定壓力差或溫度差的條件下可以改變的特性。力差或溫度差的條件下可以改變的特性。 18流動(dòng)阻力產(chǎn)生的原因流動(dòng)阻力產(chǎn)生的原因-流體的粘性。流體的粘性。 三、三、 流體的粘性流體的粘性191. 1. 什么是流體粘性什么是流體粘性? ? 流體具有內(nèi)摩擦力的性質(zhì)。流體具有內(nèi)摩擦力的性質(zhì)。 流體具有流動(dòng)性，即沒(méi)有固定形狀，在外力作用流體具有流動(dòng)性，即沒(méi)有固定形狀，在外力作用下，其內(nèi)部產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)。下，其內(nèi)部產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)。 另一方面在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下，流體還有一種抗拒內(nèi)部另一方面在運(yùn)動(dòng)

9、狀態(tài)下，流體還有一種抗拒內(nèi)部運(yùn)動(dòng)的特性，稱為粘性。運(yùn)動(dòng)的特性，稱為粘性。20 易流動(dòng)易流動(dòng)流體內(nèi)部的相對(duì)運(yùn)動(dòng)流體內(nèi)部的相對(duì)運(yùn)動(dòng)內(nèi)摩擦力內(nèi)摩擦力內(nèi)摩擦力：作用在同一流層上的一對(duì)力內(nèi)摩擦力：作用在同一流層上的一對(duì)力 （動(dòng)力、阻力；（動(dòng)力、阻力； 大小相等、方向相反）大小相等、方向相反） /dydu21流體分子可吸附在固體表面，隨固體一起運(yùn)動(dòng)，流體分子可吸附在固體表面，隨固體一起運(yùn)動(dòng)，稱為流體對(duì)固體表面的無(wú)滑移假設(shè)。稱為流體對(duì)固體表面的無(wú)滑移假設(shè)。 no-slip condictionno-slip condiction比如在油面上拉動(dòng)一塊木版，人會(huì)感受到阻力。比如在油面上拉動(dòng)一塊木版，人會(huì)感受到阻

10、力。22思考題：流體內(nèi)摩擦是兩層流體之間的摩擦力，流思考題：流體內(nèi)摩擦是兩層流體之間的摩擦力，流體與固壁之間的摩擦力屬于內(nèi)摩擦力。體與固壁之間的摩擦力屬于內(nèi)摩擦力。 流體粘附于固壁上沒(méi)有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，但鄰近流體與粘流體粘附于固壁上沒(méi)有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，但鄰近流體與粘附點(diǎn)之間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)，這種相對(duì)運(yùn)動(dòng)存在于流體附點(diǎn)之間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)，這種相對(duì)運(yùn)動(dòng)存在于流體內(nèi)部，但對(duì)固壁形成粘性切應(yīng)力。內(nèi)部，但對(duì)固壁形成粘性切應(yīng)力。, , zyxf232. 2. 牛頓粘性定律：如何計(jì)算流體內(nèi)摩擦力？牛頓粘性定律：如何計(jì)算流體內(nèi)摩擦力？ 1717世紀(jì)，力學(xué)奠基人牛頓研究了在流體中運(yùn)動(dòng)的物體所受世紀(jì)，力學(xué)奠基人牛頓研究了在流體中運(yùn)

11、動(dòng)的物體所受到的阻力，到的阻力，得到阻力與流體密度、物體迎流截面積以及運(yùn)動(dòng)速度的平得到阻力與流體密度、物體迎流截面積以及運(yùn)動(dòng)速度的平方成正比的關(guān)系。方成正比的關(guān)系。他針對(duì)粘性流體運(yùn)動(dòng)時(shí)的內(nèi)摩擦力也提出了牛頓粘性定律。他針對(duì)粘性流體運(yùn)動(dòng)時(shí)的內(nèi)摩擦力也提出了牛頓粘性定律。24假設(shè)兩平板間的速度分布遵循假設(shè)兩平板間的速度分布遵循線性規(guī)律：線性規(guī)律： f=f=au/hau/hyxu0dyfu+duuhf=f=adu/dyadu/dy公式的推廣：公式的推廣： 對(duì)于非線性對(duì)于非線性的速度分布的速度分布情況。情況。 牛頓流體粘性實(shí)驗(yàn)：牛頓流體粘性實(shí)驗(yàn)：25 = =du/dydu/dydu/dydu/dy：速

12、度梯度，：速度梯度， 實(shí)質(zhì)上是流體運(yùn)動(dòng)時(shí)的剪切變形角速度。實(shí)質(zhì)上是流體運(yùn)動(dòng)時(shí)的剪切變形角速度。 單位面積的摩擦力為切應(yīng)力單位面積的摩擦力為切應(yīng)力: : 26趣談：趣談： 牛頓指出流體粘性阻力與剪切率成正比。他說(shuō)：流體部分之牛頓指出流體粘性阻力與剪切率成正比。他說(shuō)：流體部分之間由于缺乏潤(rùn)滑性而引起的阻力，如果其他都相同，與流體部分之間間由于缺乏潤(rùn)滑性而引起的阻力，如果其他都相同，與流體部分之間分離速度成比例?，F(xiàn)在把符合這一規(guī)律的流體稱為牛頓流體，其中包分離速度成比例?，F(xiàn)在把符合這一規(guī)律的流體稱為牛頓流體，其中包括最常見(jiàn)的水和空氣，不符合這一規(guī)律的稱為非牛頓流體。括最常見(jiàn)的水和空氣，不符合這一規(guī)律

13、的稱為非牛頓流體。 在給出平板在氣流中所受阻力時(shí)，牛頓對(duì)氣體采用粒子模型，在給出平板在氣流中所受阻力時(shí)，牛頓對(duì)氣體采用粒子模型，得到阻力與攻角正弦平方成正比的結(jié)論。這個(gè)結(jié)論一般地說(shuō)并不正確，得到阻力與攻角正弦平方成正比的結(jié)論。這個(gè)結(jié)論一般地說(shuō)并不正確，但由于牛頓的權(quán)威地位，后人曾長(zhǎng)期奉為信條。但由于牛頓的權(quán)威地位，后人曾長(zhǎng)期奉為信條。2020世紀(jì)世紀(jì),t.von,t.von卡門在卡門在總結(jié)空氣動(dòng)力學(xué)的發(fā)展時(shí)曾風(fēng)趣地說(shuō)，牛頓使飛機(jī)晚一個(gè)世紀(jì)上天?？偨Y(jié)空氣動(dòng)力學(xué)的發(fā)展時(shí)曾風(fēng)趣地說(shuō)，牛頓使飛機(jī)晚一個(gè)世紀(jì)上天。273. 3. 粘度粘度粘性的大小用粘性系數(shù)來(lái)表征。粘性的大小用粘性系數(shù)來(lái)表征。 粘性系數(shù)粘

14、性系數(shù): : 切應(yīng)力與速度梯度成正比的比例系數(shù)。切應(yīng)力與速度梯度成正比的比例系數(shù)。 比例系數(shù)比例系數(shù)：是由流體本身性質(zhì)所決定的量，稱為：是由流體本身性質(zhì)所決定的量，稱為動(dòng)力粘性系數(shù)，或簡(jiǎn)稱粘度動(dòng)力粘性系數(shù)，或簡(jiǎn)稱粘度。國(guó)際單位：國(guó)際單位：paspas（n.s/mn.s/m2 2）；量綱：）；量綱：m/(lt) m/(lt) 物理單位：物理單位：p p（泊），（泊），1p=0.1pa.s,1p=100cp 1p=0.1pa.s,1p=100cp noimage28 粘度的物理意義：粘度的物理意義：粘度是一個(gè)反映流體粘滯性大小的物理粘度是一個(gè)反映流體粘滯性大小的物理量。在數(shù)值上恰等于速度梯度為量。

15、在數(shù)值上恰等于速度梯度為1 1時(shí)，接觸面積上的切應(yīng)力時(shí)，接觸面積上的切應(yīng)力的大小。的大小。29運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù)或運(yùn)動(dòng)粘度：運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù)或運(yùn)動(dòng)粘度：國(guó)際單位：國(guó)際單位：m m2 2/s/s；量綱：；量綱：l l2 2/t/t物理單位：物理單位：cmcm2 2/s/s，stst（斯），（斯），1st=100cst1st=100cst。 , , zyxf30粘度的變化規(guī)律：粘度的變化規(guī)律： 粘度一般不隨壓力變化；粘度一般不隨壓力變化； 對(duì)于氣體溫度升高則粘度變大；對(duì)于氣體溫度升高則粘度變大； 對(duì)于液體溫度升高則粘度變小。對(duì)于液體溫度升高則粘度變小。 （如潤(rùn)滑油冬季粘稠，夏季粘度?。ㄈ鐫?rùn)滑油冬季粘稠，夏

16、季粘度小）31為什么？為什么？ 因?yàn)橐后w分子間的吸引力比氣體要大得多，分子間的吸引力是構(gòu)因?yàn)橐后w分子間的吸引力比氣體要大得多，分子間的吸引力是構(gòu)成液體粘性的主要因素。當(dāng)溫度升高時(shí)，分子間的空隙增大，吸引力成液體粘性的主要因素。當(dāng)溫度升高時(shí)，分子間的空隙增大，吸引力減小，故液體的粘度隨之降低。減小，故液體的粘度隨之降低。相反，氣體分子間的吸引力微不足道，構(gòu)成氣體粘性的主要因素相反，氣體分子間的吸引力微不足道，構(gòu)成氣體粘性的主要因素是氣體分子作紊亂運(yùn)動(dòng)時(shí)，在不同流速的流層間所進(jìn)行的動(dòng)量交換，是氣體分子作紊亂運(yùn)動(dòng)時(shí)，在不同流速的流層間所進(jìn)行的動(dòng)量交換，溫度越高，氣體分子的雜亂運(yùn)動(dòng)越強(qiáng)烈，動(dòng)量交換也越

17、急劇，氣體的溫度越高，氣體分子的雜亂運(yùn)動(dòng)越強(qiáng)烈，動(dòng)量交換也越急劇，氣體的粘度也越大。粘度也越大。321 13 3 流體模型分類流體模型分類 提出一些理想模型或簡(jiǎn)化模型。提出一些理想模型或簡(jiǎn)化模型。33,zyxf341 14 4 作用在流體上的力作用在流體上的力 正確分析流體上的力，是研究流體平衡和運(yùn)動(dòng)規(guī)律正確分析流體上的力，是研究流體平衡和運(yùn)動(dòng)規(guī)律 的基礎(chǔ)。的基礎(chǔ)。 表面力和質(zhì)量力表面力和質(zhì)量力35一、作用在流體上的力的分類一、作用在流體上的力的分類1. 1. 質(zhì)量力（體積力）質(zhì)量力（體積力） 均勻作用于流體質(zhì)點(diǎn)上均勻作用于流體質(zhì)點(diǎn)上, ,其大小與流體的質(zhì)量成正比。其大小與流體的質(zhì)量成正比。 例如重力、引力、慣性力等。例如重力、引力、慣性力等。 單位質(zhì)量力：?jiǎn)挝毁|(zhì)量力：即單位質(zhì)量流體所受到的質(zhì)量力。即