流體力學(xué)-01緒論

2023/2/6流體力學(xué)泵與風(fēng)機(jī)蔡增基主編中國建筑工業(yè)出版社

流體力學(xué)2023/2/6第一章緒論

§1.1

流體力學(xué)的任務(wù)及其發(fā)展簡史§1.2

作用在流體上的力§1.3

流體的主要物理力學(xué)性質(zhì)§1.4流體的力學(xué)模型2023/2/6目的要求：了解流體力學(xué)課程在本專業(yè)中的應(yīng)用，認(rèn)識到流體力學(xué)是建筑環(huán)境與設(shè)備工程專業(yè)主要專業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)課，了解流體力學(xué)的研究對象、任務(wù)以及流體力學(xué)的研究方法；掌握表面力和質(zhì)量力的區(qū)別。掌握流體的連續(xù)介質(zhì)模型、流體的主要物理性質(zhì)：易流動性、密度與重度、粘性與理想流體模型、壓縮性與不可壓模型、表面張力特性、汽化壓強(qiáng)特性。教學(xué)重點(diǎn)：作用在流體上的力：表面力和質(zhì)量力；流體的連續(xù)介質(zhì)模型、密度與重度、粘性與理想流體模型、牛頓內(nèi)摩擦定律、壓縮性與不可壓縮性流體模型。教學(xué)難點(diǎn)：表面力和質(zhì)量力的區(qū)別，連續(xù)介質(zhì)模型、牛頓內(nèi)摩擦定律。2023/2/6一、流體力學(xué)的研究對象

流體力學(xué)是近代力學(xué)的一大分支，它是研究流體的平衡和機(jī)械運(yùn)動規(guī)律以及流體與周圍物體之間相互作用的科學(xué)，主要是確定流體的速度分布，壓強(qiáng)分布與能量損失，以及流體與固體相互間的作用力與作用力矩。流體力學(xué)中研究得最多的流體是水和空氣。除水和空氣以外流體還包括作為汽輪機(jī)工作介質(zhì)的水蒸汽、潤滑油、石油、含泥沙的水體、血液、溶化狀態(tài)下的金屬和燃燒后產(chǎn)生的成分復(fù)雜的氣體，高溫條件下的等離子體等等。§1.1

流體力學(xué)的任務(wù)及其發(fā)展簡史2023/2/6

流體力學(xué)是一門即古老又新興的學(xué)科，存在著極為廣闊的研究天地。二、流體力學(xué)的任務(wù)例如：航空、航天、航海、天文氣象、地球物理、水利水電、熱能制冷、土建環(huán)保、石油化工、氣液輸送、燃燒爆炸、冶金采礦、生物海洋、軍工核能、機(jī)械制造、機(jī)械工程等等部門都有許多流體力學(xué)問題。2023/2/6三、流體力學(xué)的研究方法流體力學(xué)有三種研究方法。一種是理論方法，分析問題的主次因素提出適當(dāng)?shù)募俣?，抽象出理論模型（如連續(xù)介質(zhì)、理想流體、不可壓縮流體等等），適用數(shù)學(xué)工具尋求流體運(yùn)動的普遍解。一種是實(shí)驗(yàn)方法，將實(shí)驗(yàn)流動問題概括為相似的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，在?shí)驗(yàn)中觀察現(xiàn)象、測定數(shù)據(jù)并進(jìn)而按照一定方法推測實(shí)驗(yàn)結(jié)果。再一種是計算方法，根據(jù)理論分析與實(shí)驗(yàn)觀測擬訂實(shí)驗(yàn)方案，通過編制程序輸入數(shù)據(jù)，用計算機(jī)算出數(shù)值解。這三種研究方法各有所長，也各有所短。需要相輔相成才有利于推進(jìn)流體力學(xué)的發(fā)展?，F(xiàn)代流體力學(xué)已將這三種方法有機(jī)地結(jié)合起來，推動了流體力學(xué)的飛速發(fā)展。2023/2/6側(cè)重于理論分析的流體力學(xué)稱為理論流體力學(xué)側(cè)重于工程應(yīng)用的流體力學(xué)稱為工程流體力學(xué)2023/2/6

古希臘的阿基米德對流體力學(xué)學(xué)科的形成作出第一貢獻(xiàn)。他建立了包括物理浮力定律和浮力穩(wěn)定性在內(nèi)的液體平衡理論。奠定了流體靜力學(xué)的基礎(chǔ)。

四、流體力學(xué)的發(fā)展史流體力學(xué)的形成和發(fā)展大致分為五個時期：第一時期：公元前二十世紀(jì)前。拋射體在流體中的運(yùn)動問題的提出。第二時期：公元前二十世紀(jì)至十七世紀(jì)下葉。阿基米德——浮力的定量理論；馬里奧特——測量運(yùn)動物體阻力的天稱；帕斯卡——流體靜力學(xué)的基本關(guān)系式；第三時期：十七世紀(jì)下葉至二十世紀(jì)初葉。牛頓——粘性流體的剪應(yīng)力公式；2023/2/6伯努力——定常不可壓縮流體的伯努力定理；第四時期：二十世紀(jì)初葉至中葉。普朗特——邊界層理論。歐拉——流體運(yùn)動的描述方法和無粘性流體運(yùn)動的方程組;拉格朗日——流函數(shù)；雷諾——雷諾實(shí)驗(yàn)、雷諾方程式；納維－斯托克斯——粘性流體運(yùn)動微分方程。第五時期：二十世紀(jì)中葉以后。流體力學(xué)開始研究氣象、海洋、石油、化工、能源、環(huán)保和建筑等領(lǐng)域中的流體力學(xué)問題，并與有關(guān)鄰近學(xué)科相互滲透，形成許多新分支。2023/2/61732年皮托發(fā)明了量測流體流速的皮托管2023/2/61738年伯努利給出理想流體運(yùn)動的能量方程2023/2/61755年歐拉導(dǎo)出理想流體運(yùn)動微分方程2023/2/61769年謝才建立了計算均勻流的謝才公式2023/2/61856年達(dá)西提出了線性滲流的達(dá)西定律2023/2/6五、如何學(xué)好流體力學(xué)

1.掌握從一般到特殊的學(xué)習(xí)方法從物體機(jī)械運(yùn)動普遍規(guī)律出發(fā)，掌握一般形式的基本方程組，再根據(jù)具體條件分析具體問題，派生方程只是基本方程在不同條件下的簡化應(yīng)用。

2.在掌握“三基”上下功夫

掌握基本原理、基本概念、基本方法，反復(fù)訓(xùn)練，深刻理解。

3.認(rèn)真聽課，適當(dāng)記筆記對自己認(rèn)為的重點(diǎn)、難點(diǎn)認(rèn)真聽老師的講解和處理方法，對典型的課堂例題，應(yīng)記錄分析問題的思路、解題步驟。2023/2/6

4.作好預(yù)習(xí)，有準(zhǔn)備地聽課對較難章節(jié)，一定要預(yù)習(xí)，看不懂的地方重點(diǎn)聽老師講解，要把70％的精力放在看書上，重要的是理解，不要死記硬背。

5.解題規(guī)范化，加強(qiáng)基本功訓(xùn)練作業(yè)最好抄題，便于復(fù)習(xí)時參考。堅持用物理方法解題，要拆題型，認(rèn)真歸納，明確其中知識點(diǎn)，掌握解題思路和方法步驟，達(dá)到解題觸類旁通，舉一反三的目的。

6.重視實(shí)驗(yàn)，親手去做對教學(xué)大綱中規(guī)定的實(shí)驗(yàn)都親自認(rèn)真去做，加強(qiáng)對所學(xué)知識的理解、應(yīng)用和升華。培養(yǎng)獨(dú)立的動手能力，也為將來進(jìn)行科學(xué)實(shí)驗(yàn)研究奠定基礎(chǔ)。2023/2/6一、質(zhì)量力

質(zhì)量力是作用在流體的每一個質(zhì)點(diǎn)（或微團(tuán)）上的力，與流體微團(tuán)質(zhì)量成正比并且集中作用在微團(tuán)質(zhì)量中心上。定義：

§1.2

作用在流體上的力⊿FB⊿m為單位質(zhì)量的質(zhì)量力，簡稱單位質(zhì)量力。其單位為N/kg或m/s2，與加速度的單位因次相同。2023/2/6質(zhì)量力重力直線運(yùn)動慣性力離心慣性力

------質(zhì)量力上式以向量形式表示。2023/2/6二、表面力表面力是作用在流體表面或截面上且與作用面的面積成正比的力，表面力又稱面積力或接觸力⊿P⊿T⊿F⊿A2023/2/6作用于單位面積上的切力稱為切應(yīng)力，以τ表示壓強(qiáng)和切應(yīng)力的單位：N/m2（Pa），KN/m2（KPa）作用于單位面積上的壓力稱為壓強(qiáng)，以p表示表面力分為壓力和切力2023/2/6§1.3

流體的主要力學(xué)性質(zhì)一、慣性

慣性是物體保持其原有運(yùn)動狀態(tài)的一種性質(zhì)。表征某一流體的慣性大小可以用該流體的(1)密度,(2)重度(容重)。對于均質(zhì)流體的密度：對于非均質(zhì)流體的密度：(1)密度2023/2/6重度（容重）是單位體積流體的重量，以符號γ表示，單位是N/m3對于均質(zhì)流體的密度：對于非均質(zhì)流體的密度：(2)重度（容重）2023/2/6水和空氣的密度（一個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下）溫度T(℃)水ρ（㎏/m3）空氣ρ（㎏/m3）0510152025303540999.91000.0999.7999.1998.2997.1995.7994.1992.21.2931.2701.2481.2261.2051.1851.1651.1471.1282023/2/6

流體具有流動性，流體內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)間或流層間因相對運(yùn)動而產(chǎn)生內(nèi)摩擦力（內(nèi)力）以反抗相對運(yùn)動的性質(zhì)（流體在流動狀態(tài)下抵抗減切變形的性質(zhì)）稱為流體的粘性。

二、粘性2023/2/6牛頓內(nèi)摩擦定律

2023/2/6流速梯度可以表示為流體的切應(yīng)變率或角變形率

2023/2/6動力粘度μ的單位為N/m2·s運(yùn)動粘度ν的單位為m2/s流體的粘度與流體的種類、溫度和壓強(qiáng)有關(guān)。但對某種流體而言，粘度值受溫度的影響較大流體的運(yùn)動粘度和動力粘度2023/2/6水和空氣的物理性質(zhì)溫度T(℃)水的動力粘度μ（10-3N·s/m2）水的運(yùn)動粘度ν（10-6m2/s）空氣的動力粘度μ（10-3N·s/m2）空氣的運(yùn)動粘度ν（10-6m2/s）05101520253035401.7921.5191.3081.1001.0050.8940.8010.7230.6561.7921.5191.3081.1411.0070.8970.8040.7270.6610.01720.01780.01830.01870.019213.714.715.716.617.62023/2/6凡是滿足牛頓內(nèi)摩擦定律的流體，稱為牛頓流體；反之為非牛頓流體2023/2/6例題兩平行平板間隙δ=1cm，水溫為20℃，下板固定不動，上板以u=2m/s的速度向右運(yùn)動。設(shè)流速沿間隙δ按線性分布。試求：（1）切應(yīng)力τ沿間隙的分布（2）薄板的面積為2m2，薄板的拖曳力。2023/2/6解：（1）查表得μ=1.005×10-3N·s/m2，

（2）F=T=τ·A=0.201×2=0.402N2023/2/6

四、壓縮性和膨脹性

壓縮性體積壓縮系數(shù)E的單位為N/m2液體的壓縮性很小，一般可將水作為不可壓縮液體處理

β的單位為m2/N流體的彈性模量2023/2/6熱脹性

a單位為T-1氣體具有顯著的壓縮性和膨脹性當(dāng)氣體運(yùn)動速度小于一定的速度，如50m/s，可不考慮其壓縮性體積膨脹系數(shù)在供熱通風(fēng)工程中，所遇到的大多數(shù)氣體流動，速度遠(yuǎn)小于音速，其密度變化不大（當(dāng)速度等于68m/s時，密度變化為1%；當(dāng)速度等于150m/s時，密度的變化也只有10%

），可當(dāng)作不可壓縮流體看待。2023/2/6

液體表層的分子受到上下兩側(cè)分子的引力不同，在合引力的作用下，液體表面仿佛是一張拉緊的彈性膜。從宏觀上看，這種存在于液體表面上的拉力稱為液體的表面張力液體表面張力的大小可用表面張力系數(shù)σ表示，σ的單位為N/m五、表面張力特性2023/2/6毛細(xì)現(xiàn)象

h由于表面張力的作用，管內(nèi)的液體表面會高于或低于管外的液面，稱為毛細(xì)管現(xiàn)象2023/2/6接觸角PP0R液體氣體接觸角概念：當(dāng)液體與固體壁面接觸時，在液體與固體壁面接觸處作液體表面的切面，此切面與固體壁面在液體內(nèi)部所夾部分的角度稱為接觸角，當(dāng)為銳角時，液體潤濕固體，當(dāng)為鈍角時，液體不潤濕固體。水與玻璃的=80—900

水銀的=13802023/2/62023/2/6當(dāng)溫度為20℃時，水在玻璃管中的升高值的計算公式計算公式中的單位以mm計水銀在玻璃管中的降低值的計算公式2023/2/6§1.4流體的力學(xué)模型連續(xù)介質(zhì)流體的宏觀特性和微觀運(yùn)動質(zhì)點(diǎn)的概念：宏觀看非常小，可視為空間的一個點(diǎn)；微觀看又很大，每個質(zhì)點(diǎn)包含足夠多的分子并保持著宏觀運(yùn)動的的一切特性連續(xù)介質(zhì)模型將流體看作由無數(shù)沒有微觀運(yùn)動的質(zhì)點(diǎn)組成的沒有空隙的連續(xù)體，表征流體運(yùn)動的各物理量在時間和空間上都是連續(xù)分布和連續(xù)變化的2023/2/6無黏性實(shí)際流體總是存在粘性，實(shí)際流體稱為粘性流體為簡化研究，忽略流體的粘性，引入理想流體的概念2023/2/6不可壓縮2023/2/6

(1)空氣的體積彈性模數(shù)E(a).P(b).T(c).(d).RT思考題(a)2023/2/6

(2)---------是非牛頓流體

(a).水(b).空氣

(c).血液(d).瀝青思考題(C)(D)2023/2/6

(3)流體的粘性與流體的------無關(guān)

(a).分子內(nèi)聚力(b).