流體力學基礎(chǔ)

第二章工程流體力學1.緒論1.1流體力學的研究對象與方法①流體的準確定義②內(nèi)容：流體靜止〔平衡〕及運動時的規(guī)律及在工程上的應(yīng)用。流體力學的根底理論三大局部組成：流體靜力學(fluidstatics)；流體運動學(kinematics)；流體動力學(fluiddynamics)。1整理課件具有高度智慧的人類為了揭開流動奧秘，建立了流體力學學科。地球外表水和空氣的運動是氣象、水文、水利、環(huán)保、農(nóng)業(yè)、航空、航海、漁業(yè)、國防等部門研究的對象。航空、航天、造船、機械、動力、冶金、化工、石油、建筑等部門設(shè)備中的工作介質(zhì)都是流體，改進流程，提高效率，需要流體力學知識。托里拆利阿基米德周培源茹科夫斯基2整理課件3整理課件4整理課件5整理課件6整理課件③研究方法

a.理論分析方法：建立模型→推導方程→

→求解方程→解釋結(jié)果b.實驗方法：相似理論→模型試驗→

→測量→數(shù)據(jù)分析C.數(shù)值分析方法：有限差分法有限元法邊界元法譜分析等7整理課件1.2流體的主要物理性質(zhì)1.2.1流體的密度與重度〔或：質(zhì)量與重量,慣性與重力特性〕質(zhì)量：表征慣性，物體維持原有運動狀態(tài)的性質(zhì)，可導致流體做紊流運動。

8整理課件

(1)密度ρ：①定義均質(zhì)體kg/m3

②點〔非均質(zhì)體〕kg/m3

平均〔非均質(zhì)體〕kg/m39整理課件〔2〕重度①定義均質(zhì)體N/m3

②點N/m3非均質(zhì)體平均N/m3

〔3〕密度與重度的關(guān)系N/m310整理課件〔4〕比容：m3/kg

〔5〕比重S：氣體的比重只能參照定義，尚無統(tǒng)一規(guī)定。11整理課件1.2.2流體的粘性和牛頓內(nèi)摩擦定律1.流體的粘性粘性是流體抵抗剪切變形的一種屬性。由流體的力學特點可知，靜止流體不能承受剪切力，即在任何微小切應(yīng)力的持續(xù)作用下，流體要發(fā)生連續(xù)不斷地變形。但不同的流體在相同的切應(yīng)力作用下其變形速度是不同的，它反映了抵抗剪切變形能力的差異，這種能力就是流體的粘性。12整理課件流體的粘性實驗StationaryPlateA=Aream2A=Aream2X=DistanceF=Force(dynes)MoveablePlateV=Velocity13整理課件2.牛頓粘性定律

寫成等式為

式中F

—流體層接觸面上的粘性作用力，N；

A—粘性力的作用面積，m2；

du/dy—垂直于流動方向上的速度梯度，1/s；μ—動力粘度，Pa·s。14整理課件流層間單位面積上的粘滯力稱為粘性應(yīng)力，那么

式中τ—粘性應(yīng)力，Pa。

在流體力學中還常引用動力粘度與密度的比值，稱為運動粘度用符號ν表示，即

式中ν—運動粘度，m2/s。牛頓流體與非牛頓流體15整理課件恩氏粘度定義：t:在測定溫度下，200ml被測液從恩氏粘度計流出所需的時間，s；t0:指20℃時200ml蒸餾水從恩氏粘度計流出所需時間〔平均值為51秒〕當>2時

cm2/s16整理課件3.影響粘性的因素壓強和溫度4.理想流體的假設(shè)

粘性系數(shù)等于零的流體，即不具有粘性的流體為理想流體5.粘度的測量管流法落球法旋轉(zhuǎn)法泄流法等工業(yè)粘度計：-恩格勒(Engler)粘度計-Redwood粘度計-美國采用Saybolt粘度計17整理課件一些粘度測試方法18整理課件例題【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=0.25m/s的速度移動，求該流體的動力黏度。【解】由牛頓粘性定律由于兩平板間隙很小，速度分布可認為是線性分布，可用增量來表示微分〔Pa·s〕19整理課件【例1-2】長度L=1m，直徑d=200mm水平放置的圓柱體，置于內(nèi)徑D=206mm的圓管中以u=1m/s的速度移動，間隙中油液的相對密度為d=0.92，運動粘度ν=5.6×10-4m2/s，求所需拉力F為多少？

【解】間隙中油的密度為動力粘度為

〔kg/m3〕〔Pa·s〕20整理課件由牛頓粘性定律由于間隙很小，速度可認為是線性分布

〔N〕21整理課件1.2.3流體的壓縮性和膨脹性〔1〕流體的膨脹性在一定的壓強下，流體在溫度改變時其體積和密度相應(yīng)改變的性質(zhì)稱為流體的熱膨脹性。流體膨脹性的大小用體積膨脹系數(shù)來表示，它表示當壓強不變時，升高一個單位溫度所引起流體體積的相對增加量，即

式中—流體的熱膨脹系數(shù)，1/℃，1/K；22整理課件水的體積膨脹系數(shù)〔1/℃〕P一定,溫度升高,體積膨脹系數(shù)增大。T一定,壓強增大,體積膨脹系數(shù)亦隨之增大。23整理課件〔2〕流體的壓縮性在一定的溫度下，流體在外力作用下，其體積和密度可以改變的性質(zhì)稱為流體的壓縮性。式中—流體的體積壓縮系數(shù)，m2/N；—流體壓強的增加量，Pa；—原有流體的體積，m3；—流體體積的增加量，m3。24整理課件對于完全氣體，其密度與溫度和壓強的關(guān)系可用熱力學中的狀態(tài)方程表示，即

式中—氣體的絕對壓強，Pa；

—氣體的密度，kg/m3；

—熱力學溫度，K；

—氣體常數(shù)，J/(kg·K)。

25整理課件在工程上，不同壓強和溫度下氣體的密度可按下式計算：

式中為標準狀態(tài)(0℃,101325Pa)下某種氣體的密度。如空氣的＝1.293kg/m3；煙氣的＝1.34kg/m3。為在溫度t℃、壓強N/㎡下，某種氣體的密度。

26整理課件1.3流體力學模型1.3.1連續(xù)介質(zhì)模型(流體的連續(xù)性)〔1〕質(zhì)點的定義質(zhì)點也稱微團或流元〔以下圖〕，其定義是：包含大量分子，能保持其宏觀力學特性的微小體積單元。其大小的含義是：微觀上，任何分子的運動都不可能逃出質(zhì)點的邊界；宏觀上：僅是幾何上的一個點，但又有區(qū)別，即有質(zhì)量。27整理課件1.3.2無粘性流體模型無粘性流體：指不考慮粘性作用的流體。當所研究的問題中，粘性不起作用或不起主要作用〔如靜止即平衡〕時，μ可忽略。即使μ的影響較大，也可先假設(shè)無粘性，得出規(guī)律后再作修正。

1.3.3不可壓縮流體模型即：在不計流體的壓縮性和熱脹性的情況下，對流體的物理性質(zhì)的簡化。28整理課件液體的壓縮系數(shù)和膨脹系數(shù)都很小壓強和溫度的變化對氣體密度和體積的變化影響較大：PV=RT可壓縮流體與不可壓縮流體壓縮性很小的的流體近似看為不可壓縮流體

不可壓縮流體密度

=constant液體一般看作為不可壓縮流體低速流動(<100m/s)情況,可把氣體作為不可壓縮流體處理29整理課件1.4作用在流體上的力力是使流體的運動狀態(tài)發(fā)生變化的外部條件，作用在流體上的力，按作用的方式，通常分為質(zhì)量力和外表力。1.4.1質(zhì)量力〔1〕定義：作用于流體的每一個質(zhì)點上并與質(zhì)點質(zhì)量成正比的力。質(zhì)量力又稱體積力，在均勻流體中，質(zhì)量力與受作用流體的體積成正比。30整理課件質(zhì)量力的大小以作用在單位質(zhì)量流體上的質(zhì)量力，即單位質(zhì)量力來度量。在直角坐標系中，假設(shè)質(zhì)量力在各坐標軸上投影分別為Fx，F(xiàn)y，F(xiàn)z，那么單位質(zhì)量力在各坐標軸的分量分別等于：當質(zhì)量力僅為重力：

〔2〕表征：31整理課件〔3〕意義：單位質(zhì)量力的大小在數(shù)值上等于加速度，如：32整理課件〔4〕質(zhì)量力還常作為條件，即X=0a.質(zhì)量力只有重力Y=0Z=-gX=-ab.勻加速度運動的車中的水Y=0