流體力學chap.1緒論課件

Chapter1緒論1.1流體力學的研究任務(wù)及工程應(yīng)用1.2流體力學的歷史發(fā)展1.3流體的連續(xù)介質(zhì)模型1.4流體的基本物理力學性質(zhì)1.5作用在流體上的力

1.6解決流體流動問題的基本方法1.1流體力學的研究任務(wù)及工程應(yīng)用

流體(fluid),包括液體和氣體，我們強調(diào)水動力學

1.1.1

任務(wù)：流體運動規(guī)律及其應(yīng)用1.1.2應(yīng)用：天體演化、氣象、水利及土木工程、航空、航天、航海、造船、機械、交通、礦山、化工……,遠著天際，近在自身。主要解決如下問題：

（1）作用力問題（2）過流能力問題（3）機械能、機械能損失及機械效率問題（4）阻力及機械能消耗問題（5）流動分布及運動學問題（6）多孔介質(zhì)內(nèi)流動問題（7）波動問題（8）流固耦合振動問題（9）傳質(zhì)、傳熱問題1.2流體力學的歷史發(fā)展

1.2.1萌芽階段（17世紀以前）4000多年前的大禹治水；阿基米德約公元前287年--公元前212年公元前256-前210年間修建了：都江堰（李冰）、

鄭國渠、靈渠三大水利工程北宋（960-1126）時期，在運河上修建真州船閘潘季順（1521-1595）明朝的水利家，提出了"筑堤防溢，建壩減水，以堤束水，以水攻沙“和”借清刷黃“的治黃原則，并著有《兩河管見》、《兩河經(jīng)略》和《河防一攬》都江堰寶瓶口魚嘴分水堤陜西，秦鄭國渠

公元前237年涇水和洛水穿鑿的一條大型灌溉渠道廣西靈渠1.2流體力學的歷史發(fā)展

1.2.2理論創(chuàng)建階段（18世紀）牛頓

1642-1727年伯努利

（DanielBernoull，1700-1782）歐拉（LeonhardEuler，1707-1783拉格朗日（J-L.Lagrange，1736－18131.2流體力學的歷史發(fā)展

1.2.3發(fā)展成熟階段（19世紀）

納維（L.Navier，1785－1836，法國）

斯托克斯（G.Stokes，1819－1903，英國）

雷諾（O.Reynolds，1842－1912，愛爾蘭）1.2流體力學的歷史發(fā)展

1.2.4現(xiàn)代發(fā)展（進入20世紀后）普朗特（L.Prandtl，1875－1953，德國）卡門（V.Karman，1881－1963，美國）周培源（1902－1993)。江蘇宜興人。理論學家、流體力學家。1.3流體的連續(xù)介質(zhì)模型

質(zhì)點模型：質(zhì)點沒有大小只有質(zhì)量，由于沒有尺寸，看不到旋轉(zhuǎn)，無法完整表達流體運動特征。流體微團模型：在幾何上可將流體微團理解為微分元素（微分尺寸），在物理上可將流體微團理解為微觀上看這個尺度為無窮大，但在宏觀上看這個尺度又足夠小（無窮?。┑囊粓F流體。連續(xù)介質(zhì)：流體微團（或質(zhì)點）間無間隙，（連續(xù)域）1.4流體的基本物理力學性質(zhì)

（1）流體的易流動性

（2）流體的可壓縮性（3）流體的粘性（4）流體的慣性與萬有引力特性（5）液體的表面張力特性（6）液體的汽化特性按流體物理力學性質(zhì)對流體分類

理想流體按有無粘性牛頓流體

粘性流體非牛頓流體

可壓縮流體按受壓體積是否變化不可壓縮流體

（1）流體的易流動性

運動流體具有抵抗剪切變形的能力，這種抵抗體現(xiàn)在限制剪切變形的速率而不是大小上，這就是粘滯性。流體持續(xù)變形以變形速率表述FF變形為常量流體具有易流動性：持續(xù)不斷的變形流動：靜止時不能受剪，微風也生漣漪。（2）流體的可壓縮性定義：溫度不變，流體的體積隨壓強增加而縮小為流體的壓縮性。

是指溫度不變時壓強增加一個單位所引起的流體體積相對縮小量，即：K稱為體積摸量K愈大愈不易壓縮，K=∞絕對不可壓縮，溫度為15oC時，通?？扇∷腒值為1961MＰa因為

ⅰ牛頓平板試驗剪切力（粘性力、內(nèi)摩擦力）u=Uu=0dyu+duuyh（3）流體的粘性

U=Const

充滿靜止流體ⅱ牛頓內(nèi)摩擦定律

粘性切應(yīng)力與速度梯度成正比稱比例系數(shù)

動力粘性系數(shù)，或稱粘度。討論:

對于此種速度分布的情形，不同地方的切應(yīng)力是否相等？u=0u=Uhydyu+duu（3）流體的粘性

剪切應(yīng)力（粘性應(yīng)力、內(nèi)摩擦應(yīng)力）討論:

對于此種線性速度分布的情形，不同地方的切應(yīng)力是否相等？u=0u=Uhydyu+duuⅲ流體的粘性系數(shù)動力粘性系數(shù)μ—Dynamicviscosity—物理常數(shù)（物性常數(shù)）［μ］＝N·S／m２＝Ｐa·s［ν］＝[L２／T],單位

ｍ２/ｓ、cｍ２／ｓ氣體：溫度上升,μ升高

液體:溫度上升，μ下降μ與溫度的關(guān)系運動粘性系數(shù)(Kinematicviscosity)壓力的變化對μ的影響不大(1)液體之間的粘性力主要由分子內(nèi)聚力形成(2)氣體之間的粘性力主要由分子動量交換形成ⅳ粘性產(chǎn)生的原因ⅴ粘性流體和無粘性流體無粘性（理想）流體在固體表面上發(fā)生相對滑移在固體表面上其流速與固體的速度相同粘性(實際)流體相互接觸的流體層之間有剪切應(yīng)力作用（壁面不滑移條件）[ν]＝[L2/t]單位：m2/scm2/sⅵ粘性系數(shù)μ：與流體物性有關(guān)的物理常數(shù)

運動粘性系數(shù)：[μ]＝[Ft/L2]單位：N·s／ｍ2＝帕·秒＝Ｐa·s牛頓流體：

如空氣、水、汽油、煤油、甲醇、乙醇、甲苯非牛頓流體：作用于Ｍ點處單位面積力為:1.5.1

表面力dAdFdFndFzyx1.5作用在流體上的力沿法向和切向分解為：1.5作用在流體上的力1.5.2質(zhì)量力（體積力）單位質(zhì)量力:

其大小與流體質(zhì)量（或體積）成正比的力，稱為質(zhì)量力。例如重力、電磁力（磁流體）以及慣性力等均屬于質(zhì)量力?？傎|(zhì)量力:(1.5-2)水動力學中常見的質(zhì)量力重力：Ｘ＝０,Ｙ＝０，Ｚ＝－ｇ慣性力：由

?

令：

（D’Lambert原理）

?

將

納入

，

?（理論力學中的動靜法）

稱

為慣性力，大小為ma，方向與加速度反向。1.5.3有勢質(zhì)量力其中：

(1.5-8)是矢量微分算子，稱為直角坐標系中的Hamilton算子若已知單位質(zhì)量力各分量，則：質(zhì)量力勢函數(shù)П可用下式積分求得(1.5-9)(1.5-8)使：質(zhì)量力有勢存在質(zhì)量力勢函數(shù)或（1）重力勢函數(shù)重力是最常見的有勢力（保守力），在z軸鉛直向上的直角坐標系中，單位質(zhì)量重力為：

代入式(1.5-9)得：積分該式?(1.5-10)（2）重力場中勻變速直線運動流體所受質(zhì)量力的勢函數(shù)：

加速度為常數(shù)：

，慣性力的單位質(zhì)量力

，與重力迭加后單位質(zhì)量力為：將

的各分量代入式(1.5-9)得：積分得質(zhì)量力勢函數(shù)：((1.5-11a)(1.5-12)多個有勢力共同作用，力勢函數(shù)等于各單項力勢函數(shù)的疊加