流體力學(xué) 第01章緒論

1、1主講：賈寶賢教材：流體力學(xué)教材：流體力學(xué).王家梅等主編王家梅等主編.大連海事大連海事大學(xué)出版社大學(xué)出版社參考書：參考書：船舶流體力學(xué)船舶流體力學(xué). 夏國澤夏國澤 主編主編. 華中科技大學(xué)華中科技大學(xué)出版社出版社流體力學(xué)流體力學(xué). 張亮、李云波編張亮、李云波編. 哈爾濱工程大哈爾濱工程大學(xué)出版社學(xué)出版社封頁封頁2內(nèi)容提要內(nèi)容提要1. 緒論緒論2. 流體靜力學(xué)流體靜力學(xué)3. 流體運動學(xué)流體運動學(xué)4. 理想流體動力學(xué)理想流體動力學(xué) 5. 旋渦理論旋渦理論6. 勢流理論勢流理論7. 波浪理論波浪理論8. 粘性流體動力學(xué)基礎(chǔ)粘性流體動力學(xué)基礎(chǔ) 9. 相似理論相似理論10.粘性流體的一元流動粘性流體的一

2、元流動-管道流體力學(xué)管道流體力學(xué)11.邊界層理論邊界層理論12.機翼理論機翼理論3 一一 流體力學(xué)與實際工程技術(shù)流體力學(xué)與實際工程技術(shù) 二二 連續(xù)介質(zhì)假設(shè)連續(xù)介質(zhì)假設(shè)三三 流體的性質(zhì)流體的性質(zhì)四四 作用于流體上的力作用于流體上的力第一章第一章 緒緒 論論緒論緒論41-1流體力學(xué)與工程技術(shù)流體力學(xué)與工程技術(shù)-流體力學(xué)與工程技術(shù)流體力學(xué)與工程技術(shù)一、研究對象一、研究對象: : 流體流體(fluid),(fluid),包括液體和氣體。包括液體和氣體。特性：特性：流動流動(flow)(flow)性性 流體遵循牛頓的力學(xué)定律、質(zhì)量守恒定律流體遵循牛頓的力學(xué)定律、質(zhì)量守恒定律和能量守恒定律等。和能量守恒定

3、律等。流體流體F固體固體F5幻影2000幻影幻影20002000二二 流體力學(xué)與工程技術(shù)流體力學(xué)與工程技術(shù)航空航空 空氣動力學(xué)空氣動力學(xué)6一架經(jīng)改裝的波音一架經(jīng)改裝的波音747747搭載搭載“發(fā)現(xiàn)號發(fā)現(xiàn)號”航天飛機航天飛機波音波音7477477太空站從航天飛機上看到的太空站從航天飛機上看到的太空站超高速氣體動力學(xué)超高速氣體動力學(xué)物理化學(xué)流體力學(xué)物理化學(xué)流體力學(xué)稀薄氣體力學(xué)稀薄氣體力學(xué)8三峽水利樞紐三峽水利樞紐水利、土建工程水利、土建工程 水力學(xué)水力學(xué)三峽水利樞紐三峽水利樞紐9建筑流體力學(xué)建筑流體力學(xué)10其他n生物流變學(xué)生物流變學(xué)毛細血管流動毛細血管流動n滲流力學(xué)滲流力學(xué)n物理物理- -化學(xué)流體

4、動力學(xué)化學(xué)流體動力學(xué)n多相流體力學(xué)多相流體力學(xué)11大型運輸船大型運輸船造船造船 水動力學(xué)水動力學(xué) 船舶流體力學(xué)船舶流體力學(xué)排水量達排水量達5050萬噸以上的超大型運輸船萬噸以上的超大型運輸船12核動力潛艇核動力潛艇航速達航速達3030節(jié)，深潛達數(shù)百米的核動力潛艇節(jié)，深潛達數(shù)百米的核動力潛艇13輪船輪船14按按流體作用力的性質(zhì)流體作用力的性質(zhì)分類分類:流體靜力學(xué)流體靜力學(xué)流體運動學(xué)流體運動學(xué)流體動力學(xué)流體動力學(xué)按按力學(xué)模型力學(xué)模型分類分類理想流體動力學(xué)理想流體動力學(xué)粘性流體動力學(xué)粘性流體動力學(xué)不可壓縮流體動力學(xué)不可壓縮流體動力學(xué)可壓縮流體動力學(xué)可壓縮流體動力學(xué)非牛頓流體力學(xué)非牛頓流體力學(xué)分類分類

5、15三三 流體力學(xué)的研究方法流體力學(xué)的研究方法1 1理論研究理論研究力學(xué)模型力學(xué)模型物理基本定律物理基本定律求解數(shù)學(xué)方程求解數(shù)學(xué)方程分析和揭示本分析和揭示本質(zhì)和規(guī)律質(zhì)和規(guī)律2 2數(shù)值計算數(shù)值計算力學(xué)模型力學(xué)模型物理基本定律物理基本定律計算機數(shù)值方法求解數(shù)學(xué)方程計算機數(shù)值方法求解數(shù)學(xué)方程3 3模型實驗?zāi)Ｐ蛯嶒炏嗨评碚撓嗨评碚撃Ｐ蛯嶒炑b置模型實驗裝置16 根據(jù)工程技術(shù)方面的需要進行流體力學(xué)應(yīng)用性根據(jù)工程技術(shù)方面的需要進行流體力學(xué)應(yīng)用性研究，更深入地開展基礎(chǔ)研究以探求流體的復(fù)雜流研究，更深入地開展基礎(chǔ)研究以探求流體的復(fù)雜流動規(guī)律和機理。動規(guī)律和機理。包括：包括： 湍流湍流 非定常流動非定常流動 非線

6、性水波非線性水波 旋渦理論旋渦理論 交叉學(xué)科交叉學(xué)科 有關(guān)各種實驗設(shè)備和儀器等。有關(guān)各種實驗設(shè)備和儀器等。四、流體力學(xué)的展望四、流體力學(xué)的展望171.1.連續(xù)介質(zhì)模型引入：連續(xù)介質(zhì)模型引入： 流體分子之間不連續(xù)、有間隙。流體分子之間不連續(xù)、有間隙。2.2.流體質(zhì)點流體質(zhì)點( (或稱流體微團或稱流體微團) :) : 忽略尺寸效應(yīng)但包含無數(shù)分子的流體最小單元。忽略尺寸效應(yīng)但包含無數(shù)分子的流體最小單元。3.3.連續(xù)介質(zhì)模型：連續(xù)介質(zhì)模型：流體由流體質(zhì)點組成，流體流體由流體質(zhì)點組成，流體 質(zhì)點連續(xù)的、無間隙的分布于整個流場中。質(zhì)點連續(xù)的、無間隙的分布于整個流場中。1-2流體的流體的連續(xù)介質(zhì)模型連續(xù)介質(zhì)

7、模型18一、流體的密度和重度一、流體的密度和重度1. 1. 密度（密度（densitydensity）均質(zhì)流體，密度為常數(shù)均質(zhì)流體，密度為常數(shù)2. 2. 重度重度(gravity)(gravity)水的重度為水的重度為39800 /N m0limAVmdmVdV0limAVGdGVdVg密度和重度之間的關(guān)系為：密度和重度之間的關(guān)系為：mmGG1-3 流體性質(zhì)流體性質(zhì)(1-1)(1-1)(1-2)(1-2)(1-3)(1-3)19密度和重度密度和重度海水海水：10201020kgkgm m3 3，99969996/m/m3 3； 氣體在高速流動時，密度與流場中的壓氣體在高速流動時，密度與流場中的

8、壓力和溫度有密切的關(guān)系力和溫度有密切的關(guān)系: : 即即f f（p p，）。，）。氣體密度的變化非常小的流動，可將氣體氣體密度的變化非常小的流動，可將氣體作不可壓縮流體處理。作不可壓縮流體處理?？諝饪諝猓?.226 kgm3，12/m3。20( )Uu yyhUFAh1FF1F1Fu=Uu=0FFdyu+ duu1.牛頓平板試驗牛頓平板試驗二、流體的粘性二、流體的粘性21FUAh討論討論: 對于此種線性速度分布的情形，不同地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？方的切應(yīng)力是否相等？u=0u=Udyu+ duu剪應(yīng)力剪應(yīng)力22FduAdy 粘性切應(yīng)力與速度梯度成正比粘性切應(yīng)力與速度

9、梯度成正比比例系數(shù)稱動力粘性系數(shù)，簡稱粘度。比例系數(shù)稱動力粘性系數(shù)，簡稱粘度。n討論討論: 對于此種速度分布的情形，不同地方的切應(yīng)對于此種速度分布的情形，不同地方的切應(yīng)力是否相等？力是否相等？u=0u=Udyu+ duu(1-7)(1-7)233 流體的粘性系數(shù)流體的粘性系數(shù)NSNSm masas 氣體氣體：溫度上升：溫度上升, , 升高升高 液體液體: : 溫度上升，溫度上升，下降下降(3) 與溫度的關(guān)系與溫度的關(guān)系（2）運動粘性系數(shù)運動粘性系數(shù)Kinematic viscosity（1）動力粘性系數(shù)）動力粘性系數(shù)Dynamic viscosity物理常數(shù)物理常數(shù)(1-9)(1-9)244.

10、粘性產(chǎn)生的原因粘性產(chǎn)生的原因(1)兩層液體之間的粘性力主要由分子內(nèi)聚力形成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兩層氣體之間的粘性力主要由分子動量交換形成25四、真實流體和理想流體四、真實流體和理想流體理想流體理想流體0 0在固體表面上發(fā)在固體表面上發(fā)生相對滑移生相對滑移在固體表面上其流速在固體表面上其流速與固體的速度相同與固體的速度相同真實流體真實流體0相互接觸的流體層之相互接觸的流體層之間有剪切應(yīng)力作用間有剪切應(yīng)力作用（壁面不滑移條件）（壁面不滑移條件）26粘性系數(shù)粘性系數(shù)：與流體物性有關(guān)的物理常數(shù)：與流體物性有關(guān)的物理常數(shù) 運動粘性系數(shù)運

11、動粘性系數(shù)：與溫度、壓力的關(guān)系與溫度、壓力的關(guān)系壓力的變化對壓力的變化對的影響不大的影響不大N Ns s2 2帕帕秒秒a as s氣體：溫度上升，氣體：溫度上升， 升高升高液體液體: : 溫度上升，溫度上升，下降下降 米米/秒秒 2/ 粘性系數(shù)粘性系數(shù)27牛頓流體與非牛頓流體牛頓流體與非牛頓流體dudy牛頓型流體牛頓型流體： 如空氣、水、汽油、煤油、甲醇、乙醇、如空氣、水、汽油、煤油、甲醇、乙醇、甲苯甲苯非牛頓型流體：非牛頓型流體：28真實流體和理想流體真實流體和理想流體真實流體與理想流體的主要差別：真實流體與理想流體的主要差別：（1 1）流體運動時，真實流體相互接觸的流體）流體運動時，真實流

12、體相互接觸的流體層之間有剪切應(yīng)力作用，而理想流體沒有；層之間有剪切應(yīng)力作用，而理想流體沒有；（2 2）真實流體附著于固體表面，即在固體）真實流體附著于固體表面，即在固體表面上其流速與固體的速度相同，而理想表面上其流速與固體的速度相同，而理想流體在固體表面上發(fā)生相對滑移。流體在固體表面上發(fā)生相對滑移。29一、流體的壓縮性一、流體的壓縮性定義：溫度不變，流體的體積隨壓強增加定義：溫度不變，流體的體積隨壓強增加 而縮小為流體的壓縮性。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，即的流體體積相對縮小量，即稱為稱為體積摸量體積摸量

13、1 dVEV dp 流體的其他屬性流體的其他屬性30E E的值越大表明流體越不易壓縮的值越大表明流體越不易壓縮 溫度為溫度為1515o oC C時，通?？扇∷闹禐闀r，通常可取水的值為196131961310105 5a a。因為因為dVdV 所以所以dpEd流體的其他屬性31二、流體的膨脹性二、流體的膨脹性定義：壓強不變，流體的體積隨溫度增高而定義：壓強不變，流體的體積隨溫度增高而 增大，稱為流體的膨脹性。增大，稱為流體的膨脹性。通常用體積膨脹系數(shù)通常用體積膨脹系數(shù)表示。是指壓強不變表示。是指壓強不變時溫度增加一個單位所引起的流體體積相對時溫度增加一個單位所引起的流體體積相對增大量，即增大量

14、，即或稱或稱溫度溫度膨脹系數(shù)膨脹系數(shù)11dVdV dTdT 32三、液體的汽化和空化三、液體的汽化和空化 若液體的壓力小于大氣壓力，或溫度升高若液體的壓力小于大氣壓力，或溫度升高時，部分溶解與液體中的氣體會形成氣泡時，部分溶解與液體中的氣體會形成氣泡 若液體的壓力小于汽化壓力時，液體本若液體的壓力小于汽化壓力時，液體本身會汽化形成局部孔穴的氣泡。身會汽化形成局部孔穴的氣泡。 這些局部氣泡隨流體運動，會產(chǎn)生破裂或這些局部氣泡隨流體運動，會產(chǎn)生破裂或聚并，破裂的氣泡會產(chǎn)生很大的動量沖量，若聚并，破裂的氣泡會產(chǎn)生很大的動量沖量，若這現(xiàn)象發(fā)生在物面附近，將對材料形成嚴重的這現(xiàn)象發(fā)生在物面附近，將對材料

15、形成嚴重的剝蝕作用。剝蝕作用。33-4 -4 作用于流體上的力作用于流體上的力 1.1.質(zhì)量力（體積力）質(zhì)量力（體積力） 重力場，有重力場，有, ,，單位質(zhì)量力單位質(zhì)量力: 其大小與流體質(zhì)量（或體積）成正比的力，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、電磁力以及慣性力等稱為質(zhì)量力。例如重力、電磁力以及慣性力等均屬于質(zhì)量力。均屬于質(zhì)量力。mFXxm 0lim mFYym 0lim mFZzm 0lim (1-10)(1-10)34表面力作用于點處單位面積作用于點處單位面積上的法向力和切向力為上的法向力和切向力為: :2. 2. 表面力表面力00lim,limndAdAdFpd

16、AdFdAdAdFdFndFzyx(1-11)(1-11)(1-12)(1-12)35-5 -5 流體靜壓特性流體靜壓特性靜止流體的壓力沿作用面的內(nèi)法線方向靜止流體的壓力沿作用面的內(nèi)法線方向特性一特性一一、流體靜壓特性一、流體靜壓特性特性二特性二靜止流體中任意一點的壓力與作用面的方靜止流體中任意一點的壓力與作用面的方向無關(guān)，只是該點的坐標函數(shù)。向無關(guān)，只是該點的坐標函數(shù)。36 靜止液體中有一平板，平板的軸位于靜止液體中有一平板，平板的軸位于C C點，平點，平板繞板繞C C軸旋轉(zhuǎn)，軸旋轉(zhuǎn)，C C點深度不變故不管平板轉(zhuǎn)到什點深度不變故不管平板轉(zhuǎn)到什么方位，在么方位，在C C點處的壓力仍然保持不變。

17、點處的壓力仍然保持不變。不同點的壓力不相等，不同點的壓力不相等，壓力是空間坐標的連壓力是空間坐標的連續(xù)函數(shù)。即：續(xù)函數(shù)。即： p=p(x,y,z)p=p(x,y,z)。 ccpp同上37二、靜止流體中壓力的變化規(guī)律二、靜止流體中壓力的變化規(guī)律對于靜止流體中任意兩對于靜止流體中任意兩點點A，B，若已知，若已知A點的點的壓力，則壓力，則這便是靜止流體的基本方程式這便是靜止流體的基本方程式pB = pA + h P0zyxhAhh0BA點的壓力點的壓力為：為：pA = p0+h 38靜止流體壓力分布規(guī)律的幾個特性靜止流體壓力分布規(guī)律的幾個特性（3 3）自由面上壓力改變，若液體仍能保持靜止，）自由面上

18、壓力改變，若液體仍能保持靜止，則液體內(nèi)部任意一點的壓力將發(fā)生相同的變化。則液體內(nèi)部任意一點的壓力將發(fā)生相同的變化。（2 2）壓力隨深度線性增加壓力隨深度線性增加 （1）同一種流體中，深度相同的面為等壓面。）同一種流體中，深度相同的面為等壓面。水銀水銀332121水水papahh39壓力的單位及測量壓力的單位及測量俗稱表壓俗稱表壓P相 = P絕 Pa(2) 相對壓力相對壓力P：以大氣壓：以大氣壓為基準計算計的壓為基準計算計的壓力，其值即為絕對壓力超過當?shù)卮髿鈮旱臄?shù)值。力，其值即為絕對壓力超過當?shù)卮髿鈮旱臄?shù)值。 (1) 絕對壓力：以絕對真空為基準計算的壓力。絕對壓力：以絕對真空為基準計算的壓力。工

19、程上壓力的幾種表示方法工程上壓力的幾種表示方法(3) 真空壓力真空壓力P真= Pa P絕P=0 (絕對真空絕對真空)絕絕對對壓壓力力PPPa (大氣壓大氣壓)表表壓壓P真空真空壓力壓力(1-13)(1-13)(1-14)(1-14)40常用的壓力單位常用的壓力單位1 1）際單位制（）際單位制（SISI）：）：N Nm m 或或 PaPa。 1 1 PaPa N Nm m）大氣壓：標準大氣壓、工程大氣壓。）大氣壓：標準大氣壓、工程大氣壓。 標準大氣壓標準大氣壓 P Patmatm=1.013=1.01310105 5 Pa Pa =760 =760汞柱汞柱=10.33=10.33水柱水柱）液柱高

20、：長度單位，如水銀柱、水柱等。）液柱高：長度單位，如水銀柱、水柱等。工程大氣壓工程大氣壓 P Pataata= =kgf/cmkgf/cm2 2 =0.981 =0.98110105 5Pa=0.968Pa=0.968atmatm41例例1.11.1例例1.1 1.1 兩平行平板間充滿液體，平板移動速度兩平行平板間充滿液體，平板移動速度0.25m/s0.25m/s，單位面積上所受的作用力，單位面積上所受的作用力2Pa(2Pa(m m) )試確定平板間液體的粘性系數(shù)試確定平板間液體的粘性系數(shù)。解：解： 000.25/uum s 牛頓內(nèi)摩擦定律得牛頓內(nèi)摩擦定律得: :d uud yy20.000520.004(/)0.25N s m0.5mm0.25m/sd uud yyy0.5mm。故。故42例例1.21.2例例1.2 1.2 滑塊從斜面滑下，底面積為滑塊從斜面滑下，底面積為10mm10mm 10mm,10mm,其其質(zhì)量為質(zhì)量為30kg30kg，其間底油膜厚度為，其間底油膜厚度