流體力學(xué) 1第一章 緒論

流體力學(xué)江蘇理工學(xué)院材料工程學(xué)院1第一章緒論§1-1工程流體力學(xué)的研究對象、任務(wù)和方法§1-2流體質(zhì)點(diǎn)與連續(xù)介質(zhì)概念§1-3流體的密度、比體積和相對密度§1-4流體的壓縮性和膨脹比§1-5流體的粘性§1-6流體的表面張力與汽化壓強(qiáng)2空氣動力學(xué)：航空航天。水利類流體力學(xué)：面向水工、水動、海洋等；機(jī)械類流體力學(xué)：面向機(jī)械、冶金、化工、電力、水機(jī)等；土木類流體力學(xué)：面向市政、工民建、道橋、城市防洪等；生物。。。流體力學(xué)是研究流體平衡、運(yùn)動規(guī)律和應(yīng)用的科學(xué)，流體力學(xué)是眾多應(yīng)用科學(xué)和工程技術(shù)的基礎(chǔ)?！?-1工程流體力學(xué)的研究對象、任務(wù)和方法3航空航天4使重量超過3百噸，面積達(dá)半個(gè)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。5船舶：排水量達(dá)50萬噸以上的超大型運(yùn)輸船；6航速達(dá)30節(jié)，深潛達(dá)數(shù)百米的核動力潛艇；7汽車、賽車問題：尾翼什么用？風(fēng)阻系數(shù)？8動力機(jī)械：用翼柵及高溫，化學(xué)，多相流動理論設(shè)計(jì)制造成功大型氣輪機(jī)，水輪機(jī)，渦噴發(fā)動機(jī)等動力機(jī)械，為人類提供單機(jī)達(dá)百萬千瓦的強(qiáng)大動力。汽輪機(jī)葉片9楊浦大橋建筑：大型水利樞紐工程，超高層建筑，大跨度橋梁等的設(shè)計(jì)和建造離不開水力學(xué)和風(fēng)工程。10衛(wèi)星云圖氣象11“卡特里娜”颶風(fēng)衛(wèi)星云圖氣象12龍卷風(fēng)氣象13生命：流體力學(xué)需要與其他學(xué)科交叉，如工程學(xué)，地學(xué)，天文學(xué)，物理學(xué)，材料科學(xué)，生命科學(xué)等，在學(xué)科交叉中開拓新領(lǐng)域，建立新理論，創(chuàng)造新方法。14流體力學(xué)的內(nèi)容和發(fā)展1.流體力學(xué)的內(nèi)容流體靜力學(xué)：流體內(nèi)壓力分布、壓力測量、作用在平面和曲面上的靜壓力。流體運(yùn)動學(xué)：流場、流線、速度分布、有旋與無旋流動、流函數(shù)、勢函數(shù)、流網(wǎng)。流體動力學(xué)：流體的質(zhì)量、動量和能量守恒定律，流動阻力等。152.流體力學(xué)發(fā)展簡史第一階段（16世紀(jì)以前）：流體力學(xué)形成的萌芽階段第二階段（16世紀(jì)文藝復(fù)興以后-18世紀(jì)中葉）流體力學(xué)成為一門獨(dú)立學(xué)科的基礎(chǔ)階段第三階段（18世紀(jì)中葉-19世紀(jì)末）流體力學(xué)沿著兩個(gè)方向發(fā)展——?dú)W拉、伯努利第四階段（19世紀(jì)末以來）流體力學(xué)飛躍發(fā)展16第一階段（16世紀(jì)以前）：流體力學(xué)形成的萌芽階段公元前2286年－公元前2278年大禹治水——疏壅導(dǎo)滯（洪水歸于河）公元前300多年

李冰都江堰——深淘灘，低作堰公元584年－公元610年隋朝南北大運(yùn)河、船閘應(yīng)用埃及、巴比倫、羅馬、希臘、印度等地水利、造船、航海產(chǎn)業(yè)發(fā)展系統(tǒng)研究古希臘哲學(xué)家阿基米德《論浮體》（公元前250年）奠定了流體靜力學(xué)的基礎(chǔ)17返回18第二階段（16世紀(jì)文藝復(fù)興以后-18世紀(jì)中葉）流體力學(xué)成為一門獨(dú)立學(xué)科的基礎(chǔ)階段1586年斯蒂芬——水靜力學(xué)原理1650年帕斯卡——“帕斯卡原理”1612年伽利略——物體沉浮的基本原理1686年牛頓——牛頓內(nèi)摩擦定律1738年伯努利——理想流體的運(yùn)動方程即伯努利方程1775年歐拉——理想流體的運(yùn)動方程即歐拉運(yùn)動微分方程19第三階段（18世紀(jì)中葉-19世紀(jì)末）流體力學(xué)沿著兩個(gè)方向發(fā)展——?dú)W拉（理論）、伯努利（實(shí)驗(yàn)）工程技術(shù)快速發(fā)展，提出很多經(jīng)驗(yàn)公式

1769年謝才——謝才公式（計(jì)算流速、流量）

1895年曼寧——曼寧公式（計(jì)算謝才系數(shù)）

1732年畢托——畢托管（測流速）

1797年文丘里——文丘里管（測流量）理論

1823年納維，1845年斯托克斯分別提出粘性流體運(yùn)動方程組（N-S方程）（光滑解的存在性，還沒有得到證明，克萊數(shù)學(xué)促進(jìn)會懸賞100萬美元20第四階段（19世紀(jì)末以來）流體力學(xué)飛躍發(fā)展理論分析與試驗(yàn)研究相結(jié)合量綱分析和相似性原理起重要作用

1883年

雷諾——雷諾實(shí)驗(yàn)（判斷流態(tài)）

1903年普朗特——邊界層概念（繞流運(yùn)動）

1933-1934年尼古拉茲——尼古拉茲實(shí)驗(yàn)（確定阻力系數(shù)）

馮.卡門(1929)—加州理工學(xué)院航天實(shí)驗(yàn)室

20世紀(jì)初人類進(jìn)入航空時(shí)代

—40-50年代跨聲障、越熱障

—60年代載人宇宙航行……流體力學(xué)與相關(guān)的鄰近學(xué)科相互滲透，形成很多新分支和交叉學(xué)科21流體力學(xué)研究方法：理論分析法實(shí)驗(yàn)方法(如風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)）?直接解決生產(chǎn)問題，檢驗(yàn)和建立理論；?發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象；?普適性較差，受到費(fèi)用和環(huán)境限制。?明確給出各物理量與流動參數(shù)的函數(shù)關(guān)系；?建立簡化的數(shù)學(xué)模型時(shí)需要一定的假設(shè)，必須證實(shí)簡化模型的合理性；?由于數(shù)學(xué)上的困難，能獲得分析解的問題的數(shù)量有限。22數(shù)值方法:?計(jì)算機(jī)性能提高，計(jì)算方法改進(jìn)，作用越來越大；?數(shù)值計(jì)算是近似方法，需要用實(shí)驗(yàn)和分析的結(jié)果驗(yàn)證方法的可靠性；?數(shù)值方法對復(fù)雜而又缺乏完善數(shù)學(xué)模型的問題是無能為力的。23NASA,LangleyLab.24建筑風(fēng)洞25§1-2流體質(zhì)點(diǎn)與連續(xù)介質(zhì)概念1.流體的易變形性流體不能抵抗任何剪切力作用下的剪切變形趨勢，不能承受拉力，這是流體與固體在宏觀力學(xué)行為方面的主要差異；微觀上，流體分子間吸引力??；2.流體質(zhì)點(diǎn)為了符合數(shù)學(xué)分析的需要，引入流體質(zhì)點(diǎn)模型:流體中宏觀尺寸非常小，微觀尺寸又足夠大的任意物理實(shí)體。包含有足夠多分子，其形狀可以任意劃定。26

(1)流體質(zhì)點(diǎn)無線尺度，無熱運(yùn)動，只在外力作用下作宏觀平移運(yùn)動;(2)具有宏觀物理特性---溫度、壓強(qiáng)、密度。。。

1mm3體積水:3.31019

個(gè)分子空氣:2.71016個(gè)分子

10-10mm3

體積

(相當(dāng)于一?；覊m體積)空氣:2.7106個(gè)分子273.連續(xù)介質(zhì)模型：假設(shè)流體是由連續(xù)分布的流體質(zhì)點(diǎn)組成的介質(zhì)。(1)可用連續(xù)性函數(shù)u(x,y,z,t)描述流體質(zhì)點(diǎn)物理量的空間分布和時(shí)間變化；(2)由物理學(xué)基本定律建立流體運(yùn)動微分或積分方程，并用連續(xù)函數(shù)理論求解方程。

*除了稀薄氣體與激波的絕大多數(shù)工程問題，均可用連續(xù)介質(zhì)模型作理論分析。281、流體的密度常溫下取ρ水=1000kg/m3

ρ空氣=1.2kg/m3

2、相對密度：§1-3流體的密度、比體積和相對密度均勻流體：一般流體：3、比體積（比容）：1個(gè)大氣壓，4oC水(kg/m3)(m3/kg)29§1-4流體的壓縮性和膨脹性理想氣體的狀態(tài)方程：30（1）流體的體積壓縮系數(shù)：（3）體積模量（2）流體的體積膨脹系數(shù)：物理意義：在溫度不變時(shí)，每產(chǎn)生一個(gè)單位體積相對變化率所需要的壓強(qiáng)變化量。31（4）不可壓縮流體液體以及低速運(yùn)動的氣體的壓縮性對運(yùn)動和平衡問題并無太大影響，可以忽略其壓縮性。液體在研究水擊現(xiàn)象、液壓沖擊、水中爆炸波的傳播等問題必須考慮壓縮性。氣體對于低速壓氣機(jī)、通風(fēng)機(jī)、內(nèi)燃機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)、低壓氣體輸送、低溫?zé)煹赖瓤梢圆豢紤]氣體的壓縮性。321.流體內(nèi)摩擦概念

牛頓在《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》(1687)中指出：相鄰兩層流體作相對運(yùn)動時(shí)存在內(nèi)摩擦作用,稱為粘性力。?庫侖實(shí)驗(yàn)(1784)§1-5流體的粘性(viscosity)33

流體粘性形成原因:(1)兩層液體之間的粘性力主要由分子內(nèi)聚力形成(2)兩層氣體之間的粘性力主要由分子動量交換形成34牛頓內(nèi)摩擦定律/粘性定律:表明：粘性切應(yīng)力與速度梯度成正比；YXU0dyFu+duuH35a.速度梯度的物理意義——角變形速度（剪切變形速度）udt(u+du)dtdudtdydθ流體與固體在摩擦規(guī)律上完全不同正比于du/dy正比于正壓力，與速度無關(guān)36b.動力粘度（系數(shù)）μ：與流體性質(zhì)有關(guān)Pa·s運(yùn)動粘度（系數(shù)）：m２/s37τdu/dy牛頓流體o牛頓流體——服從牛頓內(nèi)摩擦定律的流體（水、大部分輕油、氣體等）c.牛頓流體與非牛頓流體38ττ0dv/dyo塑性流體非牛頓流體

塑性流體——克服初始應(yīng)力τ0后，τ才與速度梯度成正比（牙膏、新拌水泥砂漿、中等濃度的懸浮液等）39τdv/dyo擬塑性流體擬塑性流體——τ的增長率隨dv/dy的增大而降低（高分子溶液、紙漿、血液等）40τdv/dyo膨脹型流體

膨脹型流體——τ的增長率隨dv/dy的增大而增加（淀粉糊、挾沙水流）41ττ0du/dyo膨脹型流體牛頓流體擬塑性流體塑性流體42(2)運(yùn)動粘度(kinematicviscosity)

(3)粘度測定和恩氏粘度(1)動力粘度(viscosity)

(Pa?s)2.粘性：在外力作用下，流體微元間出現(xiàn)相對運(yùn)動時(shí)，隨之產(chǎn)生阻抗相對運(yùn)動的內(nèi)摩擦力經(jīng)驗(yàn)公式43（4）粘度的變化規(guī)律溫度升高，液體的動力粘度明顯下降；氣體動力粘度與運(yùn)動粘度增大，當(dāng)壓強(qiáng)提高時(shí)，氣體動力粘度與運(yùn)動粘度減小。443理想流體流體內(nèi)部不存在摩擦力流體與固體接觸的邊界上也不存在摩擦力45例1-1：汽缸內(nèi)壁的直徑D=12cm，活塞的直徑d=11.96cm，活塞長度L=14cm，活塞往復(fù)運(yùn)動的速度為1m/s，潤滑油的μ=0.1Pa·s。求作用在活塞上的粘性力。解：注意：面積、速度梯度的取法dDL１．同心環(huán)形縫隙中的直線運(yùn)動46例1-2：旋轉(zhuǎn)圓筒粘度計(jì)，外筒固定，內(nèi)筒轉(zhuǎn)速n=10r/min。內(nèi)外筒間充入實(shí)驗(yàn)液體。內(nèi)筒r1=1.93cm，外筒r2=2cm，內(nèi)筒高h(yuǎn)=7cm，轉(zhuǎn)軸上扭距M=0.0045N·m。求該實(shí)驗(yàn)液體的粘度。解：注意：1.面積A的取法；

2.單位統(tǒng)一hnr1r2得２．同心環(huán)形縫隙中的回轉(zhuǎn)運(yùn)動47§1-6流體的表面張力48表面張力和接觸角PP0R液體氣體表面張力:

-----單位長度所受拉力(N/m)接觸角概念:當(dāng)液體與固體壁面接觸時(shí),在液體,固體壁面作液體表面的切面,此切面與固體壁在液體內(nèi)部所夾部分的角度稱為接觸角,當(dāng)為銳角時(shí),液體潤濕固體,當(dāng)為鈍角時(shí),液體不潤濕固體。水與玻璃的

=80—90

水銀的

=1