第一章工程流體力學(xué)

1、工程流體力學(xué)工程流體力學(xué) 西南石油大學(xué)石油工程學(xué)院西南石油大學(xué)石油工程學(xué)院考核辦法： 考試 70 作業(yè) 20 考勤 10紀(jì)律：關(guān)閉手機、保持安靜性質(zhì)：性質(zhì)：石工、儲運、土木、水利、建環(huán)、環(huán)境類專業(yè)的石工、儲運、土木、水利、建環(huán)、環(huán)境類專業(yè)的一門必修的專業(yè)基礎(chǔ)課程。一門必修的專業(yè)基礎(chǔ)課程。目的：目的：學(xué)習(xí)專業(yè)理論，培養(yǎng)工程應(yīng)用能力。學(xué)習(xí)專業(yè)理論，培養(yǎng)工程應(yīng)用能力。地位：地位：前修課程：高等數(shù)學(xué)、物理學(xué)、理論力學(xué)、材料前修課程：高等數(shù)學(xué)、物理學(xué)、理論力學(xué)、材料力學(xué)；后續(xù)課程：水文學(xué)、土力學(xué)、水力學(xué)、工程地質(zhì)力學(xué)；后續(xù)課程：水文學(xué)、土力學(xué)、水力學(xué)、工程地質(zhì)等。等。并直接服務(wù)于工程應(yīng)用。并直接服務(wù)于工

2、程應(yīng)用。一、課程的性質(zhì)與目的一、課程的性質(zhì)與目的二、二、 流體力學(xué)在實際工程中的應(yīng)用流體力學(xué)在實際工程中的應(yīng)用1. 石工領(lǐng)域石工領(lǐng)域：石油、天然氣在地下滲透、被開采，鉆井時被驅(qū)：石油、天然氣在地下滲透、被開采，鉆井時被驅(qū)動，地面壓縮機、泵，鉆井液注入和回收系統(tǒng)，油水、油水氣動，地面壓縮機、泵，鉆井液注入和回收系統(tǒng)，油水、油水氣分離器，管路集輸?shù)确蛛x器，管路集輸?shù)?；二、二、 流體力學(xué)在實際工程中的應(yīng)用流體力學(xué)在實際工程中的應(yīng)用2.油氣儲運：石油、天然氣的管路輸運，油氣水多相流體運動油氣儲運：石油、天然氣的管路輸運，油氣水多相流體運動，壓縮機站，輸氣、配氣中轉(zhuǎn)站，油庫，泵站，加油站等等；，壓縮機

3、站，輸氣、配氣中轉(zhuǎn)站，油庫，泵站，加油站等等；3. 土木領(lǐng)域土木領(lǐng)域：建筑工程和土建工程中的應(yīng)用。如坑基排水、路：建筑工程和土建工程中的應(yīng)用。如坑基排水、路基排水、地下水滲透、地基抗?jié)B穩(wěn)定處理、圍堰修建、海洋平基排水、地下水滲透、地基抗?jié)B穩(wěn)定處理、圍堰修建、海洋平臺在水中的浮性和抵抗外界擾動的穩(wěn)定性等；臺在水中的浮性和抵抗外界擾動的穩(wěn)定性等；4.市政工程：如橋涵孔徑設(shè)計、給水排水、管網(wǎng)計算、市政工程：如橋涵孔徑設(shè)計、給水排水、管網(wǎng)計算、 泵站和泵站和水塔的設(shè)計、隧洞通風(fēng)等，特別是給水排水工程中，無論取水水塔的設(shè)計、隧洞通風(fēng)等，特別是給水排水工程中，無論取水、水處理、輸配水都是在水流動過程中實現(xiàn)

4、的。流體力學(xué)理論、水處理、輸配水都是在水流動過程中實現(xiàn)的。流體力學(xué)理論是給水排水系統(tǒng)設(shè)計和運行控制的理論基礎(chǔ)；是給水排水系統(tǒng)設(shè)計和運行控制的理論基礎(chǔ)；5.城市防洪工程：如堤、壩的作用力與滲流問題、防洪閘壩的過城市防洪工程：如堤、壩的作用力與滲流問題、防洪閘壩的過流能力等；流能力等；6.建筑環(huán)境與設(shè)備工程建筑環(huán)境與設(shè)備工程：如供熱、通風(fēng)與空調(diào)設(shè)計，以及設(shè)備的：如供熱、通風(fēng)與空調(diào)設(shè)計，以及設(shè)備的選用等；選用等；7.環(huán)境工程環(huán)境工程：水中、大氣中污染物的遷移擴散，水廠與污水處理：水中、大氣中污染物的遷移擴散，水廠與污水處理廠工藝流程設(shè)計等。廠工藝流程設(shè)計等。飛機、火箭、衛(wèi)星、航天飛機；飛機、火箭、衛(wèi)

5、星、航天飛機；輪船、潛艇、汽車、地鐵、隧洞；輪船、潛艇、汽車、地鐵、隧洞；渦輪機，水輪機，水泵，風(fēng)扇；渦輪機，水輪機，水泵，風(fēng)扇；大橋，大壩，高塔，煙囪；大橋，大壩，高塔，煙囪；環(huán)境污染物的遷移擴散；環(huán)境污染物的遷移擴散；人體內(nèi)的血液流動；人體內(nèi)的血液流動；江河湖海水體的流動，江河湖海水體的流動，氣流的運動，氣流的運動，石油與天然氣的輸運等等。石油與天然氣的輸運等等。都涉及到流體的流動，那么它們是如何運動的，都涉及到流體的流動，那么它們是如何運動的，有著怎樣的規(guī)律，這就是流體力學(xué)所研究的問題。有著怎樣的規(guī)律，這就是流體力學(xué)所研究的問題。研究對象研究內(nèi)容工程中的三大問題： a. 流體荷載 （設(shè)計

6、管道壁厚） b. 流體的輸送能力 （確定流量） c. 流動的形態(tài) （確定能量損耗）解決工程實際問題流體力學(xué)的萌芽流體力學(xué)的萌芽 2200年以前希臘學(xué)者阿基米德寫的年以前希臘學(xué)者阿基米德寫的“論浮體論浮體”。 伯努里、歐拉的古典水動力學(xué)伯努里、歐拉的古典水動力學(xué) 。Navier、Stokes的實際粘性流體的基本運動方程方程；的實際粘性流體的基本運動方程方程；后人又進(jìn)一步開展實驗流體力學(xué)研究。后人又進(jìn)一步開展實驗流體力學(xué)研究。 19世紀(jì)末，發(fā)展成理論，實驗并重的現(xiàn)代流體力學(xué)。世紀(jì)末，發(fā)展成理論，實驗并重的現(xiàn)代流體力學(xué)。發(fā)展三階段發(fā)展三階段流體力學(xué)的形成流體力學(xué)的形成1687年牛頓的名著年牛頓的名著

7、自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理。工程流體力學(xué)的發(fā)展簡史1738年瑞士數(shù)學(xué)家伯努利在名著流體動力學(xué)中提出了伯努利方程。1755年歐拉在名著流體運動的一般原理中提出理想流體概念，并建立了理想流體基本方程和連續(xù)方程，從而提出了流體運動的解析方法，同時提出了速度勢的概念。1781年拉格朗日首先引進(jìn)了流函數(shù)的概念。1823年法國工程師Navier，1845年英國數(shù)學(xué)家、物理學(xué)家Stokes提出了著名的N-S方程。1876年雷諾發(fā)現(xiàn)了流體流動的兩種流體：層流和紊流。主要的流體力學(xué)事件：主要的流體力學(xué)事件：1858年亥姆霍茲指出了理想流體中旋渦的許多基本性質(zhì)及旋渦運動理論，并于1887年提出了脫體繞流

8、理論。19世紀(jì)末，相似理論提出，實驗和理論分析相結(jié)合。1904年普朗特提出了邊界層理論。20世紀(jì)60年代以后，計算流體力學(xué)得到了迅速的發(fā)展，流體力學(xué)內(nèi)涵也不斷地得到了充實與提高。主要的流體力學(xué)事件：主要的流體力學(xué)事件： 李冰（公元前302235）是我國科學(xué)治水的典范，偉大的水利學(xué)家。他領(lǐng)導(dǎo)創(chuàng)建了目前世界上歷史最悠久的水利工程都江堰。 李冰總結(jié)在渠首工程的選點上作了深刻的科學(xué)研究。精心地選擇在成都平原頂點的岷江上游出山口處作為工程地點，采用乘勢利導(dǎo)、因時制宜的治水方略，修建了都江堰水利工程：無壩引水的魚嘴分水堤，泄洪排沙的溢洪道，保證成都平原引足春水和控制洪水的咽喉工程寶瓶口。 丹伯努利（Dan

9、iel Bernoull，1700-1782）：瑞士科學(xué)家，曾在俄國彼得堡科學(xué)院任教，他在流體力學(xué)、氣體動力學(xué)、微分方程和概率論等方面都有重大貢獻(xiàn)，是理論流體力學(xué)的創(chuàng)始人。 伯努利以流體動力學(xué)（1738）一書著稱于世，書中提出流體力學(xué)的一個定理，反映了理想流體（不可壓縮、不計粘性的流體）中能量守恒定律。這個定理和相應(yīng)的公式稱為伯努利定理和伯努利公式。 達(dá)芬奇（Leonardo da Vinci, 1452-1519）：意大利文藝復(fù)興時期的美術(shù)家、自然科學(xué)家、工程師，使力學(xué)理論的奠基者，為水力學(xué)、流體力學(xué)古典理論的形成做出了重要貢獻(xiàn)。在水力學(xué)方面寫有許多重要手稿，并在他死后以水的運動與測量為題出

10、版。 L歐拉（Leonhard Euler ，1707-1783）：瑞士數(shù)學(xué)家、力學(xué)家、天文學(xué)家、物理學(xué)家，變分法的奠基人，復(fù)變函數(shù)論的先驅(qū)者，理論流體力學(xué)的創(chuàng)始人。 他是剛體力學(xué)和流體力學(xué)的奠基者，彈性系統(tǒng)穩(wěn)定性理論的開創(chuàng)人。 歐拉在固體力學(xué)方面的著述也很多，諸如彈性壓桿失穩(wěn)后的形狀，上端懸掛重鏈的振動問題，等等。 四千多年前的 “大禹治水”的故事順?biāo)?，治水須引?dǎo)和疏通。秦朝在公元前256公元前210年修建了我國歷史上的三大水利工程（都江堰、鄭國渠、靈渠）明渠水流、堰流。約2500年前的計時工具“銅壺滴漏”孔口出流。清朝雍正年間，何夢瑤在算迪一書中提出流量等于過水?dāng)嗝婷娣e乘以斷面平均流速

11、的計算方法。隋朝（公元587610年）完成的南北大運河。隋朝工匠李春在冀中洨河修建（公元605617年）的趙州石拱橋拱背的4個小拱，既減壓主拱的負(fù)載，又可宣泄洪水。在我國，水利事業(yè)的歷史十分悠久：在我國，水利事業(yè)的歷史十分悠久：常用單位制國際單位制（SI）物理單位制工程單位制分類：概念：單位：表示物理量的大小，如小時、分、秒。因次（量綱）：表示物理量的種類，如時間、長度、質(zhì)量。單位制單位制基本因次基本因次基本單位基本單位導(dǎo)出單位（量綱）導(dǎo)出單位（量綱）國際單位制國際單位制長度長度L米米 mFma1kg.m/s2=1N（牛頓）（牛頓）時間時間T秒秒 s質(zhì)量質(zhì)量M千克千克 kg物理單位制物理單位制

12、長度長度L厘米厘米 cmFma1g.cm/s2=1dgn(達(dá)因達(dá)因)時間時間T秒秒 s質(zhì)量質(zhì)量M克克 g流體的概念流體的概念固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)w流體與固體的區(qū)別流體與固體的區(qū)別固體：可以抵抗壓力、拉力、剪切力，固體的變形與受力的大小成正比；固體：可以抵抗壓力、拉力、剪切力，固體的變形與受力的大小成正比；流體：無固定形狀，能抵抗壓力，不能抵抗拉力，靜止流體不能抵抗剪切力；流體：無固定形狀，能抵抗壓力，不能抵抗拉力，靜止流體不能抵抗剪切力；任何一個微小的剪切力都能使流體發(fā)生連續(xù)的變形任何一個微小的剪切力都能使流體發(fā)生連續(xù)的變形。具有具有流動性流動性的物體（即能夠流動的物體）的物體（即

13、能夠流動的物體） 流動性：在微小剪切力作用下會發(fā)生連續(xù)變形的特性。流動性：在微小剪切力作用下會發(fā)生連續(xù)變形的特性。流體包括流體包括液體和氣體液體和氣體w液體與氣體的區(qū)別液體與氣體的區(qū)別 液體的流動性小于氣體，很難壓縮液體的流動性小于氣體，很難壓縮； 液體具有一定的體積，并取容器的形狀；液體具有一定的體積，并取容器的形狀； 氣體充滿任何容器，而無一定體積；氣體充滿任何容器，而無一定體積； 氣體可以壓縮氣體可以壓縮。二、流體連續(xù)介質(zhì)模型 實際流體：由大量不斷地作無規(guī)則運動的分子組成 流體的物理量 空間上分布不連續(xù) 時間分布不連續(xù)分子間存在著間隙分子不間斷熱運動cmcmcmcm71938223102

14、 . 3107 . 21101 . 3103 . 31個分子，分子間距氣體有個分子，分子間距液體有因此，以分子為對象研究流體運動規(guī)律極其復(fù)雜。 在實際工程中，所研究的流體的空間尺度遠(yuǎn)比分子尺寸大得多，而且要解決的問題也不是流體微觀運動特性，而是流體宏觀運動特性，即大量分子運動的統(tǒng)計平均特性。 歐拉提出了連續(xù)介質(zhì)假說： 流體所占有的空間連續(xù)而無空隙地充滿著流體質(zhì)點避免了流體分子運動的復(fù)雜性避免了流體分子運動的復(fù)雜性，只需研究流體的宏，只需研究流體的宏 觀運動。觀運動。2. 可以利用數(shù)學(xué)工具來研究流體的平衡與運動規(guī)律?？梢岳脭?shù)學(xué)工具來研究流體的平衡與運動規(guī)律。采用采用流體流體連續(xù)介質(zhì)假設(shè)的優(yōu)點連

15、續(xù)介質(zhì)假設(shè)的優(yōu)點一、流體的密度一、流體的密度dVdM單位：單位：kg/mkg/m3 3 VM常見流體的密度：常見流體的密度： 水水1000 kg/m3 空氣空氣1.23 kg/m3 水銀水銀136000 kg/m3均勻流體：均勻流體：u慣性是物體保持其原有運動狀態(tài)的一種性質(zhì)u表示慣性大小的物理量是質(zhì)量，質(zhì)量的單位為kgu單位體積的質(zhì)量是密度，密度的單位為g/cm3或kg/m3相對密度相對密度流體的密度與流體的密度與4 4o oC C時水的密度的比值。時水的密度的比值。 式中，式中， f f 流體的密度（流體的密度（kg/mkg/m3 3） w w4 4o oC C時水的密度時水的密度（kg/m

16、kg/m3 3）wfd比容比容1v單位：單位： m m3 3/ /kgkg單位質(zhì)量的流體所占有的體積，流體密度的倒數(shù)。單位質(zhì)量的流體所占有的體積，流體密度的倒數(shù)?；旌蠚怏w的密度混合氣體的密度混合氣體的密度按各組分氣體所占體積百分?jǐn)?shù)計算?；旌蠚怏w的密度按各組分氣體所占體積百分?jǐn)?shù)計算。式中：式中： 1， 2， n 各組分氣體的密度各組分氣體的密度 a1， a2， an各組分氣體所占各組分氣體所占的體積百分?jǐn)?shù)的體積百分?jǐn)?shù)niiinnaaaa12211.二、重度gVmgVG三、流體的壓縮性三、流體的壓縮性流體體積隨著壓力的增大而縮小的性質(zhì)。流體體積隨著壓力的增大而縮小的性質(zhì)。1.壓縮系數(shù)壓縮系數(shù) 單位

17、壓力增加所引起的體積單位壓力增加所引起的體積相對變化量相對變化量)/(/2NmdpVdVp2.體積模量體積模量 )/(1E2mNdVVdpp四、流體的膨脹性四、流體的膨脹性流體體積隨著溫度的增大而增大的性質(zhì)。流體體積隨著溫度的增大而增大的性質(zhì)。1.體脹系數(shù)體脹系數(shù) 單位溫度增加所引起的體積單位溫度增加所引起的體積相對變化量相對變化量)/1 (/KdtVdVt五、流體的粘性五、流體的粘性1. 1. 粘性的定義粘性的定義 流體內(nèi)部各流體微團(tuán)之流體內(nèi)部各流體微團(tuán)之間發(fā)生相對運動時，流體間發(fā)生相對運動時，流體內(nèi)部會產(chǎn)生摩擦力阻力內(nèi)部會產(chǎn)生摩擦力阻力（即粘性力）的性質(zhì)。（即粘性力）的性質(zhì)。2.2.牛頓內(nèi)

18、摩擦定律牛頓內(nèi)摩擦定律五、流體的粘性五、流體的粘性2.2.牛頓內(nèi)摩擦定律牛頓內(nèi)摩擦定律(1) (1) 牛頓平板實驗牛頓平板實驗當(dāng)當(dāng)h h和和U U不是很大時，兩平板間不是很大時，兩平板間沿沿y y方向的流速呈線性分布方向的流速呈線性分布o(jì)hdyyu+duuyUyhUyhUuddu 或1 運動較慢的流體層在較快的流體層帶動下才運動；2 快層受到慢層的阻礙，不能運動得更快；3 相鄰流體層發(fā)生相對運動，產(chǎn)生切力和阻力，構(gòu)成了內(nèi)摩擦力。五、流體的粘性五、流體的粘性(2) (2) 牛頓內(nèi)摩擦定律牛頓內(nèi)摩擦定律dydu實驗表明，對于大多數(shù)流體，存在實驗表明，對于大多數(shù)流體，存在單位面積上的剪切力：單位面積

19、上的剪切力：yuAddTohdyyu+duuyU粘性切應(yīng)力與速度梯度成正比；粘性切應(yīng)力與速度梯度成正比；(3)(3)粘性切應(yīng)力與角變形速率成正比；粘性切應(yīng)力與角變形速率成正比；(2)(2)比例系數(shù)稱動力粘度，簡稱粘度。比例系數(shù)稱動力粘度，簡稱粘度。牛頓內(nèi)摩擦定律表明：牛頓內(nèi)摩擦定律表明：五、流體的粘性五、流體的粘性(2) (2) 牛頓內(nèi)摩擦定律牛頓內(nèi)摩擦定律dydudtdddydudttgdCDBAdbadydudt五、流體的粘性五、流體的粘性 流體粘性大小的度量流體粘性大小的度量, ,由流體流由流體流動的內(nèi)聚力和分子的動量交換引起。動的內(nèi)聚力和分子的動量交換引起。ohdyyu+duuyU3.

20、3.粘度粘度五、流體的粘性五、流體的粘性(a)(a)動力粘度動力粘度dydu/單位單位PasPas或或Ns/mNs/m2 2物理單位制中，物理單位制中，1P1P（泊）（泊）=0.1Pas=0.1Pas，1P=100cP1P=100cP物理單位，物理單位，St(St(斯斯)(cm)(cm2 2/s)=10/s)=10-4 -4m m2 2/s/s，1St=100cSt1St=100cSt(b)(b)運動粘度運動粘度/單位單位m m2 2/s/s3.3.(3) (3) 粘度的影響因素粘度的影響因素溫度對流體粘度的影響很大溫度對流體粘度的影響很大壓力對流體粘度的影響不大，一般忽略不計壓力對流體粘度的

21、影響不大，一般忽略不計內(nèi)聚力是產(chǎn)生粘度的主要因素。內(nèi)聚力是產(chǎn)生粘度的主要因素。溫度溫度分子間距分子間距分子吸引力分子吸引力內(nèi)摩擦力內(nèi)摩擦力粘度粘度分子熱運動引起的動量交換是產(chǎn)生粘度的主要因素。分子熱運動引起的動量交換是產(chǎn)生粘度的主要因素。溫度溫度分子熱運動分子熱運動動量交換動量交換內(nèi)摩擦力內(nèi)摩擦力粘度粘度 五、流體的粘性五、流體的粘性 當(dāng)溫度升高時，液體的粘度減小，氣體的粘度增大當(dāng)溫度升高時，液體的粘度減小，氣體的粘度增大氣體液體氣體粘度o 溫度例例1：一底面積為：一底面積為0.40.45 m2，高為，高為0.01 m的木塊，質(zhì)量為的木塊，質(zhì)量為5 kg，沿著涂有潤滑油的斜面向下作等速運動，如

22、圖所示，已，沿著涂有潤滑油的斜面向下作等速運動，如圖所示，已知木塊運動速度知木塊運動速度u =1 m/s，油層厚度，油層厚度 = 0.1 mm，由木塊所帶，由木塊所帶動的油層的運動速度呈直線分布，求油的粘度動的油層的運動速度呈直線分布，求油的粘度 。 su G mgsin 1254 4 粘性流體和理想流體粘性流體和理想流體1 1） 具有粘性的流體（具有粘性的流體（00）。）。2 2）理想）理想 忽略粘性的流體（忽略粘性的流體（=0 0）。）。一種理想的流體模型。一種理想的流體模型。五、流體的粘性五、流體的粘性5 5 牛頓流體和非牛頓流體牛頓流體和非牛頓流體1 1）牛頓）牛頓 2 2）非牛頓）非牛頓 dudyo0膨脹性流體賓漢型塑性流體牛頓流體假塑性流體符合牛頓內(nèi)摩擦定律的流體符合牛頓內(nèi)摩擦定律的流體如水、空氣、汽油和水銀等如水、空氣、汽油和水銀等不符合牛頓內(nèi)摩擦定律的流體不符合牛頓內(nèi)摩擦定律的流體如泥漿、血漿、新拌水泥砂漿、