流體力學(xué)第一章38076

1、1流體力學(xué)電子教案流體力學(xué)電子教案12流體力學(xué)電子教案流體力學(xué)電子教案21-2 流體的連續(xù)介質(zhì)假設(shè)流體的連續(xù)介質(zhì)假設(shè)1-3 作用在流體上的力作用在流體上的力1-4流體的主要力學(xué)性質(zhì)流體的主要力學(xué)性質(zhì)第一章 緒 論1-1 流體力學(xué)的研究任務(wù)和方法流體力學(xué)的研究任務(wù)和方法3流體力學(xué)電子教案流體力學(xué)電子教案3 主要任務(wù)： 研究流體在靜止和運動過程中所遵循的基本規(guī)律以及流體與流體、流體與固體之間在靜止和運動時相互之間作用力的計算。 1-1 流體力學(xué)的研究任務(wù)和方法流體力學(xué)的研究任務(wù)和方法4流體力學(xué)電子教案流體力學(xué)電子教案4 研究方法：研究方法：理論分析 根據(jù)工程實際中流動現(xiàn)象的特點，建立流體運動的方程

2、及邊界條件，運用數(shù)學(xué)工具準(zhǔn)確地或近似地求出。 實驗研究 根據(jù)模化理論對所研究的流動進(jìn)行模擬，通過觀察和測量，獲得所需結(jié)果，可直接解決工程中復(fù)雜的問題，并能發(fā)現(xiàn)新的流動現(xiàn)象。 5流體力學(xué)電子教案流體力學(xué)電子教案5 應(yīng)用：應(yīng)用： 流體力學(xué)在工程技術(shù)中有著廣泛的應(yīng)用。在能源、化工、環(huán)保、機(jī)械、建筑（給排水、暖通）等工程技術(shù)領(lǐng)域的設(shè)計、施工和運行等方面都涉及到流體力學(xué)問題。流體力學(xué)也是眾多應(yīng)用科學(xué)和工程技術(shù)的基礎(chǔ)。6流體力學(xué)電子教案流體力學(xué)電子教案6 人類利用超高速氣體動力學(xué)，物理化學(xué)流體力學(xué)和稀薄氣體力學(xué)的研究成果，制造出航天飛機(jī)，建立太空站，實現(xiàn)了人類登月的夢想。7流體力學(xué)電子教案流體力學(xué)電子教案

3、7 排水量達(dá)50萬噸以上的超大型運輸船 時速達(dá)200公里的新型艇它們的設(shè)計都建立在水動力學(xué)，船舶流體力學(xué)的基礎(chǔ)之上。8流體力學(xué)電子教案流體力學(xué)電子教案8在空氣動力學(xué)的研究成果的基礎(chǔ)上人類研制出2-3倍聲速的戰(zhàn)斗機(jī)F-22陣風(fēng)9流體力學(xué)電子教案流體力學(xué)電子教案9使重量超過3百噸，面積達(dá)半個足球場的大型民航客機(jī)，靠空氣的支托象鳥一樣飛行成為可能，創(chuàng)造了人類技術(shù)史上的奇跡。10流體力學(xué)電子教案流體力學(xué)電子教案10 大型水利樞紐工程，超高層建筑，大跨度橋梁等的設(shè)計和建造離不開水力學(xué)和風(fēng)工程。二灘水電站11流體力學(xué)電子教案流體力學(xué)電子教案11 大型水利樞紐工程，超高層建筑，大跨度橋梁等的設(shè)計和建造離不開

4、水力學(xué)和風(fēng)工程?？傞L8346米，其中主橋全長846米 12流體力學(xué)電子教案流體力學(xué)電子教案12塔科馬海峽大橋塔科馬海峽大橋 通車日期：1940年7月1日坍塌日期：1940年11月7日 此次事件由于空氣動力學(xué)和結(jié)構(gòu)分析不嚴(yán)密所致。以后所有的橋梁，無論是整體還是局部，都必須通過嚴(yán)格的數(shù)學(xué)分析和風(fēng)洞測試。 大橋是被風(fēng)吹跨的，當(dāng)時的風(fēng)速大約為每小時40英里。 13流體力學(xué)電子教案流體力學(xué)電子教案13 大型水利樞紐工程，超高層建筑，大跨度橋梁等的設(shè)計和建造離不開水力學(xué)和風(fēng)工程。14流體力學(xué)電子教案流體力學(xué)電子教案14 當(dāng)然，流體力學(xué)需要進(jìn)一步發(fā)展，需要與其他工程交叉，這樣會給人類的生存和生活質(zhì)量的提高提

5、供更大的幫助。氣象預(yù)報（衛(wèi)星云圖）15流體力學(xué)電子教案流體力學(xué)電子教案15災(zāi)害預(yù)報與控制火山與地震預(yù)報16流體力學(xué)電子教案流體力學(xué)電子教案16 流體力學(xué)與生命科學(xué)交叉，在學(xué)科交叉中開拓新領(lǐng)域，建立新理論，創(chuàng)造新方法。毛細(xì)血管流動17流體力學(xué)電子教案流體力學(xué)電子教案17土木工程專業(yè)主要探討以水為代表的液體的平衡和 運動規(guī)律。 流體力學(xué)具體地研究內(nèi)容流體的平衡，流體流動形式中的速度分布、壓力分布、能量損失，以及流體同固體之間的相互作用。流體力學(xué)研究對象液體和氣體。 國際單位制的基本單位：長度單位（m）,時間單位（s）質(zhì)量單位（kg）,其他均為導(dǎo)出單位。 因次的概念量綱。18流體力學(xué)電子教案流體力學(xué)

6、電子教案18 1-2 流體的連續(xù)介質(zhì)假設(shè)流體的連續(xù)介質(zhì)假設(shè) 從微觀角度看，流體和其它物體一樣，都是由大量不連續(xù)分布的分子組成，分子間有間隙。 但是，流體力學(xué)所要研究的并不是個別分子的微觀運動，而是研究由大量分子組成的宏觀流體在外力作用下的宏觀運動。 因此在研究流體宏觀運動時，可以忽略分子間的間隙，而認(rèn)為流體是連續(xù)介質(zhì)。19流體力學(xué)電子教案流體力學(xué)電子教案19 流體作為連續(xù)介質(zhì)的假設(shè)對大部分工程技術(shù)問題都是適用的，但對某些特殊問題則不適用。 例如，火箭在高空非常稀薄的氣體中飛行，其分子距與設(shè)備尺寸可以比擬，不再是可以忽略不計了。這時不能再把流體看成是連續(xù)介質(zhì)來研究。 本書只研究連續(xù)介質(zhì)的力學(xué)規(guī)律

7、。 20流體力學(xué)電子教案流體力學(xué)電子教案20 1-3 作用在流體上的力作用在流體上的力一、質(zhì)量力、質(zhì)量力 質(zhì)量力又稱體積力，它是所在力場作用在流體各質(zhì)點上的力。與周圍流體的存在沒直接關(guān)系。在均勻流體中，質(zhì)量力與受作用流體的體積成正比。單位為N。 由于流體處于地球的重力場中，最普遍的一個質(zhì)量力就是重力。 當(dāng)用達(dá)朗伯原理使動力學(xué)問題變?yōu)殪o力學(xué)問題時，虛加在流體質(zhì)點上的慣性力也屬于質(zhì)量力。 作用在流體上的力可以分為兩大類，質(zhì)量力和表面力。 21流體力學(xué)電子教案流體力學(xué)電子教案21 為方便起見，通常用單位質(zhì)量的質(zhì)量力 來表示質(zhì)量力，簡稱單位質(zhì)量力。單位為m/s2。f 在重力場中，當(dāng)z軸向上時，單位質(zhì)量

8、力重力在坐標(biāo)軸上的投影為： fx=fy=0，fz=-gkfjfiffzyx 在直角坐標(biāo)系中，單位質(zhì)量力的解析表達(dá)式為：22流體力學(xué)電子教案流體力學(xué)電子教案22二、表面力、表面力 表面力是周圍相接觸流體或固體作用于所研究流體（或稱分離體）表面上的力，與周圍流體的存在有直接的關(guān)系。 表面力可分解成兩個分力，即與流體表面垂直的法向力P和與流體表面相切的切向力T。 作用在流體上的表面力23流體力學(xué)電子教案流體力學(xué)電子教案23 在連續(xù)介質(zhì)中，表面力不是一個集中的力，而是沿表面連續(xù)分布的。 因此，通常用單位表面積上所作用的表面力(稱為應(yīng)力)來表示。應(yīng)力可分為法向應(yīng)力和切向應(yīng)力兩種。APAPpAddlim0

9、ATATAddlim024流體力學(xué)電子教案流體力學(xué)電子教案24 1-4 流體的主要力學(xué)性質(zhì)流體的主要力學(xué)性質(zhì) 一一 流動性流動性 流體具有流動性，這是流體區(qū)別于固體的最根本特性。 由于流體的流動性，使得流體不能承受拉力，只能承受壓力。一般靜止流體也不能承受剪切力。25流體力學(xué)電子教案流體力學(xué)電子教案25二二 流體的密度（慣性）流體的密度（慣性） 與固體一樣，流體也具有慣性。密度是慣性的量度。它反映了流體在空間某點質(zhì)量的密集程度，流體的密度定義為：單位體積流體所具有的質(zhì)量，用符號來表示。對于流體中各點密度相同的均質(zhì)流體，其密度Vm對于各點密度不同的非均質(zhì)流體，某點的密度為VmVmVddlim02

10、6流體力學(xué)電子教案流體力學(xué)電子教案26三三 流體的黏性流體的黏性現(xiàn)通過一個實驗來進(jìn)一步說明流體的黏性。 將兩塊板相隔一定距離水平放置，其間充滿液體，使下板固定不動，上板以速度u0向右平行移動。 緊貼上板的一薄層流體將以速度u0跟隨上板一起向右運動，而緊貼下板的一薄層流體將和下板一樣靜止不動。1 1、流體的黏性、流體的黏性 流體內(nèi)部層與層之間發(fā)生相對運動時會產(chǎn)生內(nèi)摩擦力（內(nèi)力），以反抗相對運動的性質(zhì)稱為黏性。此內(nèi)摩擦力又稱為黏滯力。27流體力學(xué)電子教案流體力學(xué)電子教案272 2、牛頓內(nèi)摩擦定律、牛頓內(nèi)摩擦定律 根據(jù)牛頓實驗研究的結(jié)果得知，運動的流體所產(chǎn)生的內(nèi)摩擦力F的大小 （1）與兩流層間速度差

11、du成正比，與層流距離dy成反比； （2）與層流間接觸面的面積A成正比； （3）并與流體的種類有關(guān)； （4）而與接觸面上壓強(qiáng)P無關(guān)。 內(nèi)摩擦力的數(shù)學(xué)表達(dá)式可寫為dyuduu28流體力學(xué)電子教案流體力學(xué)電子教案28yuAFdd寫成等式為yuAFddyuAFdd流層間單位面積上的內(nèi)摩擦力稱為切向應(yīng)力du/dy速度梯度，表示速度沿y方向上的變化率，1/s； 動力黏度，簡稱黏度。單位Pas。29流體力學(xué)電子教案流體力學(xué)電子教案29速度梯度 還代表流體的角變形速率 dudy 故速度梯度不僅反映了速度的變化率，而且反映了角變形的大小。du dtdtgdyduddydtddt30流體力學(xué)電子教案流體力學(xué)電子

12、教案30 由內(nèi)摩擦力公式可知，(1)當(dāng)速度梯度等于零時，內(nèi)摩擦力也等于零。所以，當(dāng)流體處于靜止?fàn)顟B(tài)或以相同速度運動(流層間沒有相對運動)時，內(nèi)摩擦力等于零，此時流體有黏性，流體的黏性作用也表現(xiàn)不出來。(2)當(dāng)流體沒有黏性(=0)時，內(nèi)摩擦力等于零。 在流體力學(xué)中還常引用動力黏度與密度的比值，稱為運動黏度，用符號表示，即 式中運動黏度，m2/s。 31流體力學(xué)電子教案流體力學(xué)電子教案31 水的黏度與溫度的關(guān)系水的黏度與溫度的關(guān)系 32流體力學(xué)電子教案流體力學(xué)電子教案32 空氣的黏度與溫度的關(guān)系空氣的黏度與溫度的關(guān)系 33流體力學(xué)電子教案流體力學(xué)電子教案333 3、影響?zhàn)ば缘囊蛩亍⒂绊戰(zhàn)ば缘囊蛩?

13、（1）流體黏性隨壓強(qiáng)的變化而變化。 在通常的壓強(qiáng)下，壓強(qiáng)對流體的黏性影響很小，可忽略不計。 在高壓下，流體(包括氣體和液體)的黏性隨壓強(qiáng)升高而增大。 （2）流體黏性隨溫度的變化而變化。流體的黏性受溫度影響很大，而且液體和氣體的黏性隨溫度的變化是不同的。 液體的黏性隨溫度升高而減小，氣體的黏性隨溫度升高而增大。34流體力學(xué)電子教案流體力學(xué)電子教案34 造成液體和氣體的黏性隨溫度不同變化的原因是由于構(gòu)成它們黏性的主要因素不同。 分子間的吸引力是構(gòu)成液體黏性的主要因素，溫度升高，分子間的吸引力減小，液體的黏性降低； 構(gòu)成氣體黏性的主要因素是氣體分子作不規(guī)則熱運動時，在不同速度分子層間所進(jìn)行的動量交換

14、。溫度越高，氣體分子熱運動越強(qiáng)烈。35流體力學(xué)電子教案流體力學(xué)電子教案354. .牛頓內(nèi)摩擦定律的適用條件牛頓內(nèi)摩擦定律的適用條件1）層流2）牛頓流體符合牛頓切應(yīng)力公式者為牛頓流體，如水，空氣等。 不符合牛頓切應(yīng)力公式者為非牛頓流體，如油漆，高分子化合物液體。我們所研究的流體僅限于牛頓流體。36流體力學(xué)電子教案流體力學(xué)電子教案36 5 5、理想流體的、理想流體的假設(shè)假設(shè) 實際流體都是具有黏性的，都是黏性流體。不具有黏性的流體稱為理想流體，這是客觀世界上并不存在的一種假想的流體。 當(dāng)黏性的影響較小不起主要作用，可以把黏性流體考慮成理想流體。37流體力學(xué)電子教案流體力學(xué)電子教案37四四 流體的壓縮

15、性和膨脹性流體的壓縮性和膨脹性 流體與固體相比有較大的壓縮性和膨脹性。 1 1、流體的壓縮性、流體的壓縮性 在一定的溫度下，流體的體積隨壓強(qiáng)升高而縮小的性質(zhì)稱為流體的壓縮性。流體壓縮性的大小用體積壓縮系數(shù) 來表示。它表示當(dāng)溫度保持不變時，單位壓強(qiáng)增量引起流體體積的相對縮小量，即 式中 流體的體積壓縮系數(shù)，m2/N；VVpppdd1dd1p38流體力學(xué)電子教案流體力學(xué)電子教案3839流體力學(xué)電子教案流體力學(xué)電子教案39 壓縮系數(shù) 的倒數(shù)E稱為流體的體積彈性模量。pddpdVdpVVdVdpE1E的單位與壓強(qiáng)單位相同。實驗指出，液體的體積壓縮系數(shù)很小。 例如水，當(dāng)壓強(qiáng)在(1490)107Pa、溫度

16、在020的范圍內(nèi)時，水的體積壓縮系數(shù)僅約為二萬分之一。氣體的壓縮性要比液體的壓縮性大得多。RTp對于完全氣體，服從理想氣體狀態(tài)方程氣體常數(shù)；R熱力學(xué)溫度T40流體力學(xué)電子教案流體力學(xué)電子教案402 2、流體的膨脹性、流體的膨脹性 在一定的壓強(qiáng)下，流體的體積隨溫度的升高而增大的性質(zhì)稱為流體的膨脹性。 流體膨脹性的大小用體積膨脹系數(shù) 來表示，它表示當(dāng)壓強(qiáng)不變時，升高一個單位溫度所引起流體體積的相對增加量，即 VVdVTVd1實驗指出，液體的體積膨脹系數(shù)很小。41流體力學(xué)電子教案流體力學(xué)電子教案41 3、可壓縮流體和不可壓縮流體、可壓縮流體和不可壓縮流體 壓縮性是流體的基本屬性。任何流體都是可以壓縮的。液體的壓縮性都很小，隨著壓強(qiáng)和溫度的變化，液體的密度僅有微小的變化，在大多數(shù)情況下，可以忽略壓縮性的影響，認(rèn)為液體的密度是一個常數(shù)。 這樣的的流體稱為不可壓均質(zhì)流體。 我們主要研究不可壓均質(zhì)流體。42流體力學(xué)電子教案流體力學(xué)電子教案42 五五 液體的表面張力和毛細(xì)現(xiàn)象液體的表面張力和毛細(xì)現(xiàn)象 1 1、表面張力、表面張力 由于分子間的吸引力，在液體的自由表面上能夠承受及其微小的張力表面張力。 常會出現(xiàn)一些特殊現(xiàn)象，例如空氣中的