流體力學(xué)第二版(劉鶴年主編)第一章-緒論

重慶三峽學(xué)院土木工程學(xué)院制作人樊哲超《流體力學(xué)》多媒體課件第一章緒論內(nèi)容流體力學(xué)的范疇流體力學(xué)的開展流體的主要物理性質(zhì)流體力學(xué)的范疇流體力學(xué)的定義：是關(guān)于液體和氣體的一門力學(xué)學(xué)科，其根本原理與固體力學(xué)相同。

生活中的各個(gè)方面都涉及流體力學(xué)問(wèn)題：水在河里流動(dòng)、建筑物的風(fēng)壓、水在地基中的流動(dòng)

流體力學(xué)在土木工程中的應(yīng)用水利工程江河海堤壩水庫(kù)大壩水力電站橋梁、涵洞、倒虹吸管水利、建筑、路橋工程基坑排水地基抗?jié)B穩(wěn)定處理圍堰新建給水排水工程、環(huán)境工程取水水處理輸配水路橋工程排水地表水－截水溝、邊溝、排水溝、急流槽、跌水等消能措施地下水－滲水暗溝、盲溝跨越河流、溝渠橋梁、涵洞、倒虹吸管、透水路堤第一章緒論學(xué)習(xí)要求：1、了解流體的主要物理力學(xué)性質(zhì)，理解易流動(dòng)特性和粘滯性，掌握牛頓內(nèi)摩擦定律。2、理解質(zhì)量力和外表力，掌握其表示方法。3、理解連續(xù)介質(zhì)〔質(zhì)點(diǎn)的概念〕、粘性流體、理想流體、不可壓縮流體、可壓縮流體。4、知道流體的研究方法。流體力學(xué)開展簡(jiǎn)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)科的根底階段第三階段〔18世紀(jì)中葉-19世紀(jì)末〕流體力學(xué)沿著兩個(gè)方向開展——?dú)W拉、伯努利第四階段〔19世紀(jì)末以來(lái)〕流體力學(xué)飛躍開展第一階段〔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)開展系統(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)的根底第二階段〔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)科的根底階段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——物體沉浮的根本原理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(dòng)方程即伯努利方程1775年歐拉——理想流體的運(yùn)動(dòng)方程即歐拉運(yùn)動(dòng)微分方程第四階段〔19世紀(jì)末以來(lái)〕流體力學(xué)飛躍開展理論分析與試驗(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(dòng)〕1933-1934年尼古拉茲——尼古拉茲實(shí)驗(yàn)〔確定阻力系數(shù)〕……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1-1流體力學(xué)的任務(wù)及研究對(duì)象液體與氣體統(tǒng)稱為流體。本書主要研究以水為代表的流體的宏觀運(yùn)動(dòng)和平衡規(guī)律及其應(yīng)用。流體的根本特征：易流動(dòng)、不易壓縮、均勻等向的連續(xù)體。各點(diǎn)性質(zhì)相同同一點(diǎn)上各方向性質(zhì)相同自然界物質(zhì)的三種狀態(tài)：固體、液體和氣體液體的根本特征

根本特征——流動(dòng)性固體——能保持固有形狀和體積，可以承受拉力、壓力、剪切力液體——不能保持固有形狀，流動(dòng)性，可以承受壓力，不能承受拉力，運(yùn)動(dòng)的液體具有一定的剪切能力，但靜止的液體那么不能抵抗剪切力。氣體——易于壓縮液體——不易壓縮1-2連續(xù)介質(zhì)假定〔宏觀上〕假定流體所占據(jù)的空間完全由流體質(zhì)點(diǎn)所充滿而沒(méi)有任何空隙的連續(xù)體。優(yōu)點(diǎn)：①防止了流體分子運(yùn)動(dòng)的復(fù)雜性，只需研究流體的宏觀運(yùn)動(dòng)②可以利用數(shù)學(xué)工具來(lái)研究流體的平衡與運(yùn)動(dòng)規(guī)律1-2流體力學(xué)的研究方法1理論分析法2科學(xué)實(shí)驗(yàn)法3數(shù)值計(jì)算法①建立力學(xué)模型②建立數(shù)學(xué)方程③求解方程④實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證①原型觀測(cè)②模型試驗(yàn)③系統(tǒng)試驗(yàn)研究方法①有限差分法②有限元法③邊界元法等如何學(xué)好流體力學(xué)1.認(rèn)真聽講2.研讀例題3.獨(dú)立完成作業(yè)〔作業(yè)兩周交一次，只用一個(gè)作業(yè)本〕作用在液體上的兩種力液體無(wú)論處于平衡或運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，都受到各種力的作用。作用在液體上的力包括重力、慣性力、粘滯力、壓力、外表張力等，按力的作用方式可以分為質(zhì)量力〔重力、慣性力〕和外表力〔粘滯力、壓力、外表張力〕兩類，這種分類是為了便于進(jìn)行液體運(yùn)動(dòng)受力分析，進(jìn)而可以導(dǎo)出液體平衡或運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的根本關(guān)系式。面力質(zhì)量力：體力1-2流體的主要物理力學(xué)性質(zhì)量綱—物理量的種類。如：長(zhǎng)度、時(shí)間、質(zhì)量等。一、易流動(dòng)性單位—量度物理量的基準(zhǔn)。量綱分為根本量綱和導(dǎo)出量綱流體在靜止時(shí)不能承受切應(yīng)力和不能抵抗剪切變形的性質(zhì)稱為流體的易流動(dòng)性。二、慣性〔質(zhì)量和密度〕慣性—物體保持原有運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的特性。慣性的大小以質(zhì)量來(lái)度量。密度—單位體積流體所具有的質(zhì)量，用符號(hào)ρ表示。密度的國(guó)際單位為：kg/m3。

物體中所含物質(zhì)數(shù)量，稱為質(zhì)量。對(duì)于液體，一般情況下，壓強(qiáng)和溫度對(duì)ρ的影響極小。慣性力—由流體慣性引起的對(duì)外界抵抗的反作用力。F=－Ma通常取水的密度為：1000kg/m3。

三、重力特性〔重量和容重〕容重—單位體積液體所具有的重量，用符號(hào)γ表示。容重的國(guó)際單位為：N/m3或kN/m3。G=Mg液體受地球引力的性質(zhì)，稱為重力特性。式中：g—重力加速度，一般取g=9.8m/s2。γ=ρg水的容重為：9.8×103N/m3或9.8kN/m3。四、粘滯性運(yùn)動(dòng)的流體具有一定的阻抗剪切變形的能力，這種特性稱為液體的粘性和粘滯性。由于流體中存在粘滯性，運(yùn)動(dòng)流體需要克服內(nèi)摩擦力作功，因此它是流體在流動(dòng)中產(chǎn)生能量損失的主要原因。靜止時(shí)，流體沒(méi)有抵抗剪切變形的能力，即流體具有易流動(dòng)性。此處的內(nèi)摩擦力就是粘滯力粘性對(duì)流體運(yùn)動(dòng)的影響：粘滯力：式中：τ—單位面積上的內(nèi)摩擦力，稱為內(nèi)摩擦切應(yīng)力μ—?jiǎng)恿φ硿禂?shù)，單位為：帕斯卡·秒—流速梯度，即流速沿y方向的變化率牛頓內(nèi)摩擦定律令：稱為運(yùn)動(dòng)粘度對(duì)牛頓內(nèi)摩擦定理的幾點(diǎn)說(shuō)明：1.液體：溫度越高，粘度越??；氣體剛好相反；物理意義：剪切變形速度；粘度與壓強(qiáng)和溫度相關(guān)2.上式不是對(duì)所有的液體都適用，僅適用于牛頓流體；3.牛頓流體：在溫度不變的條件下，粘度值不變的流體；但凡滿足上式關(guān)系的流體都是牛頓流體；4.水、空氣、油類和水銀等流體在一般溫度下都是牛頓流體。假設(shè)沒(méi)有粘性的液體〔粘度為0〕，成為理想液體。實(shí)際中不存在理想液體，都是有粘性的。表1-1水的黏度與溫度的關(guān)系

表1-2空氣的黏度與溫度的關(guān)系

【例1-1】一平板距另一固定平板δ=0.5mm，二板水平放置，其間充滿流體，上板在單位面積上為τ=2N/m2的力作用下，以u(píng)=0.25m/s的速度移動(dòng)，求該流體的黏度。【解】由牛頓內(nèi)摩擦定律

由于兩平板間隙很小，速度分布可認(rèn)為是線性分布，可用增量來(lái)表示微分例題1-1五、壓縮性和膨脹性壓縮性—流體受壓、體積縮小、密度增大的性質(zhì)。

解除外力后又能恢復(fù)原狀的特性，稱為彈性。液體的壓縮性和彈性，常用壓縮系數(shù)κ

和彈性模量K來(lái)度量。式中：p—外加壓強(qiáng)κ—壓縮系數(shù)(m2/s)K—體積彈性模量(Pa)κ越大，液體越易壓縮。膨脹性—流體受熱、體積膨脹、密度減小的性質(zhì)。液體的熱膨脹性用熱膨脹系數(shù)表示。表示在一定的壓強(qiáng)下，溫度升高一度，密度的相對(duì)減小率。假設(shè)液體的原體積為V，溫度增加dT后，體積增加dV，熱膨脹系數(shù)為：氣體的可壓縮性和熱膨脹性氣體具有顯著的可壓縮性，一般情況下，常見氣體的密度、壓強(qiáng)和溫度三者之間的關(guān)系，符合完全氣體狀態(tài)方程R為氣體常數(shù)，空氣為287J/kg.K3.不可壓縮流體實(shí)際流體都是可壓縮的，但是有很多流動(dòng)，流體的密度變化小，可以忽略。不可壓縮流體是流體的每個(gè)質(zhì)點(diǎn)在運(yùn)動(dòng)全過(guò)程中，密度不變化的流體。液體在前面的表格中可以看到其壓縮系數(shù)很小，可按不可壓縮流體處理。氣體的可壓縮性遠(yuǎn)大于液體，但是在土木工程中常見的氣流運(yùn)動(dòng)中，管道不很長(zhǎng)，氣流速度不大，氣體在流動(dòng)過(guò)程中，密度也沒(méi)有明顯變化，仍可以作為不可壓縮流體看待。六、外表張力特性當(dāng)液體與其它流體或固體接觸時(shí)，在分界面上都產(chǎn)生外表張力，出現(xiàn)一些特殊現(xiàn)象，例如空氣中的雨滴呈球狀，液體的自由外表好似一個(gè)被拉緊了的彈性薄膜等。外表張力的形成主要取決于分界面液體分子間的吸引力，也稱為內(nèi)聚力。液體在外表張力作用下具有盡量縮小其外表的趨勢(shì)。外表張力的大小，用外表張力系數(shù)σ度量。單位長(zhǎng)度的外表張力，稱為外表張力系數(shù)，單位為：N/m。外表張力系數(shù)σ隨液體種類和溫度而變化。外表張力是液體的特有性質(zhì)。液體在細(xì)管中能上升或下降的現(xiàn)象稱為毛細(xì)現(xiàn)象。液體在細(xì)管中上升或下降的高度與外表張力有關(guān)毛細(xì)現(xiàn)象水水銀1-5流體的力學(xué)模型和研究方法一、流體力學(xué)模型1、理想流體2、不可壓縮流體實(shí)際流體與理想流體的區(qū)別在于有無(wú)粘滯性。3、連續(xù)介質(zhì)假設(shè)緒論小結(jié)本章概述了有關(guān)流體力學(xué)研究對(duì)象和研究方法的一些根本概念。