流體性質(zhì)課件精品課件

1、關(guān)于流體的性質(zhì)第一張，PPT共六十三頁，創(chuàng)作于2022年6月 1 什么是流體力學(xué)？流體 自然界不是固體的物質(zhì)，包括液體 和氣體。如水、空氣。 能承受壓力不能承受拉力易流動無固定的形狀1.1 緒 論第二張，PPT共六十三頁，創(chuàng)作于2022年6月拉伐爾噴管pbp0 （2）流體力學(xué)：研究在一定外力和邊界條件下流體的 運(yùn)動與應(yīng)力分布規(guī)律的科學(xué)。第三張，PPT共六十三頁，創(chuàng)作于2022年6月 2 流體力學(xué)的應(yīng)用范疇（1） 常見的流體力學(xué)現(xiàn)象 大雁的飛行團(tuán)隊人類在空氣、水中的運(yùn)動 鳥類飛行 米糠分離第四張，PPT共六十三頁，創(chuàng)作于2022年6月水利工程 1993年青海溝后水庫垮壩 1993年8月27日夜間

2、，庫容為330萬立方米的青海省海南藏族自治州溝后水庫在庫水位低于設(shè)計水位0.75米的情況下突然垮壩失事，造成288人死亡，40人失蹤。直接經(jīng)濟(jì)損失1.53億元，水利部專家組調(diào)查認(rèn)定，溝后水庫在設(shè)計上有缺陷，施工中又存在嚴(yán)重的質(zhì)量問題，運(yùn)行管理工作薄弱。這次垮壩屬于重大責(zé)任事故，州縣有關(guān)領(lǐng)導(dǎo)干部15人為此受到黨紀(jì)政紀(jì)處分，省監(jiān)察廳長在新聞發(fā)布會上指出：“有關(guān)人員確實(shí)經(jīng)驗不足，缺乏有關(guān)專業(yè)技術(shù)知識，” 流體力學(xué)事件第五張，PPT共六十三頁，創(chuàng)作于2022年6月交通工具：汽車、船舶、飛行器 汽車的外形設(shè)計從最早期的方型逐漸向今天的流線型過渡，反映了空氣動力特性對汽車性能的影響。第六張，PPT共六十三

3、頁，創(chuàng)作于2022年6月 美X-43A超音速無人機(jī) 2004年3月27日，攜帶著X-43A試驗機(jī)的“飛馬”火箭在太平洋上空12000米處點(diǎn)火，爬升到大約28500米高度，X-43A從火箭中分離出來，依靠自身的超音速燃燒沖壓式發(fā)動機(jī)工作了大約10秒的時間，最高速度達(dá)8000公里/小時，相當(dāng)于7倍音速（即飛行馬赫數(shù)達(dá)到7）。第七張，PPT共六十三頁，創(chuàng)作于2022年6月船舶的設(shè)計依賴我們對浮力定理與浮體穩(wěn)定性的掌握，大型潛艇的艦體設(shè)計與推進(jìn)系統(tǒng)更是離不開流體力學(xué)知識。第八張，PPT共六十三頁，創(chuàng)作于2022年6月大氣、海洋運(yùn)動 可怕的龍卷風(fēng)（tornado) 對大氣運(yùn)動、海洋環(huán)流運(yùn)動及其相互作用的

4、掌握對氣候災(zāi)害預(yù)報與控制、農(nóng)業(yè)、漁業(yè)、航空航海等有積極意義。第九張，PPT共六十三頁，創(chuàng)作于2022年6月流體機(jī)械和動力機(jī)械 V管道內(nèi)碟型閥門附近的速度分布風(fēng)力機(jī)水輪機(jī)第十張，PPT共六十三頁，創(chuàng)作于2022年6月渦輪噴氣發(fā)動機(jī)直接空冷60萬千瓦汽輪機(jī)組的低壓轉(zhuǎn)子第十一張，PPT共六十三頁，創(chuàng)作于2022年6月PDC鉆頭石油、化工 能源的開采、輸運(yùn)、冶煉各環(huán)節(jié)均離不開流體力學(xué)知識。第十二張，PPT共六十三頁，創(chuàng)作于2022年6月建筑安全和環(huán)境 世貿(mào)大廈和上海環(huán)球金融大廈超高層建筑，大跨度橋梁等的設(shè)計和建造離不開風(fēng)工程。第十三張，PPT共六十三頁，創(chuàng)作于2022年6月建筑群對周邊局部環(huán)境的影響第

5、十四張，PPT共六十三頁，創(chuàng)作于2022年6月 可見，流體力學(xué)在自然界和一般的工程技術(shù)中隨處可見，廣泛應(yīng)用于水利、機(jī)械、動力、化工、石油、土建、航空、航海、氣象、環(huán)境等工程技術(shù)中，是一門十分有用的知識。（2）總結(jié) 讓我們一起加油！第十五張，PPT共六十三頁，創(chuàng)作于2022年6月 3 流體力學(xué)的發(fā)展簡介 （1）萌芽期（17世紀(jì)中葉以前） 特點(diǎn)：生產(chǎn)實(shí)踐活動是發(fā)展動力、經(jīng)驗積累為主 大禹治水/李冰父子的都江堰 船/帆船 魯班：會飛的木鳶 沙漏計時 阿基米德定律 大禹治水圖古箭第十六張，PPT共六十三頁，創(chuàng)作于2022年6月 （2）快速發(fā)展期（17世紀(jì)后半葉-19世紀(jì)） 特點(diǎn)：理論和實(shí)驗研究方法建立

6、、 形成流體動力學(xué)、水力學(xué)兩分支 代表人物: 1650年帕斯卡帕斯卡原理 1686年牛頓牛頓內(nèi)摩擦定律 1738年伯努利伯努利方程 1775年歐拉理想流體的運(yùn)動方程 1883年雷諾雷諾實(shí)驗 1823年 納維、斯托克斯粘性流體的運(yùn)動方程第十七張，PPT共六十三頁，創(chuàng)作于2022年6月 （3）成熟發(fā)展期（20世紀(jì)初20世紀(jì)中葉） 粘性流體力學(xué)得到相當(dāng)發(fā)展，航空航天技術(shù)驚人發(fā)展，人類的飛行夢實(shí)現(xiàn)。 代表人物： 庫塔、儒可夫斯基、普朗特、尼古拉茲、 馮.卡門第十八張，PPT共六十三頁，創(chuàng)作于2022年6月（4）20世紀(jì)中葉以后 廣泛的學(xué)科交叉與新分支： 計算流體力學(xué)、實(shí)驗流體力學(xué)、可壓縮氣體力學(xué)、環(huán)境

7、流體力學(xué)、稀薄氣體動力學(xué)、微尺度流體力學(xué)、磁流體力學(xué)、非牛頓流體力學(xué)、生物流體力學(xué)、多相流體力學(xué)、物理-化學(xué)流體力學(xué)、流體機(jī)械流體力學(xué) 難點(diǎn)問題：湍流、流動穩(wěn)定性、非定常流第十九張，PPT共六十三頁，創(chuàng)作于2022年6月 4 流體力學(xué)的研究方法 （1）理論分析 力學(xué)模型流體力學(xué)基本方程求解分析 （2）實(shí)驗研究-實(shí)驗流體力學(xué) 相似原理實(shí)驗?zāi)Ｐ蛯?shí)驗分析 （3）數(shù)值模擬-計算流體力學(xué) （Computational Fluid Dynamics, CFD)第二十張，PPT共六十三頁，創(chuàng)作于2022年6月1.2 流體力學(xué)的常用量綱和單位1 量綱量綱即特征物理量，流體力學(xué)的量綱有長度 (L)、時間(t)、

8、質(zhì)量 (m)、力(F)和溫度 (T)。2 單位 單位是指量綱的度量大小，如長度的度量米/inch。SI Units公制工程單位國際單位英制單位第二十一張，PPT共六十三頁，創(chuàng)作于2022年6月量綱一致原則獨(dú)立量綱和導(dǎo)出量綱第二十二張，PPT共六十三頁，創(chuàng)作于2022年6月 1.3 連續(xù)介質(zhì)假設(shè)和無滑移假設(shè)1 連續(xù)介質(zhì)假設(shè) （歐拉，1753） (1)為什么引入連續(xù)介質(zhì)假設(shè)？空間上流體分子離散分布流體分子自身存在熱運(yùn)動流體中存在極其多的分子標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下1mm3體積中含： 2.71016個氣體分子/310 19個液體分子。第二十三張，PPT共六十三頁，創(chuàng)作于2022年6月(2)連續(xù)介質(zhì)假設(shè) 不考慮流體

9、分子間隙對流動的影響，設(shè)流體質(zhì)點(diǎn)沒有間隙地、連續(xù)地充滿流體所占住的空間。 流體質(zhì)點(diǎn)：微觀上足夠大、宏觀上足夠小、具有一定體積的流體微團(tuán)，各參數(shù)的統(tǒng)計平均特性即為流體的宏觀特性。Fluid particle 流體質(zhì)點(diǎn)第二十四張，PPT共六十三頁，創(chuàng)作于2022年6月 （3）采用連續(xù)介質(zhì)假設(shè)的好處 無需關(guān)心分子的微觀運(yùn)動 流場參數(shù)為空間坐標(biāo)的連續(xù)函數(shù)（4）連續(xù)介質(zhì)假設(shè)的合理性（5）失效狀態(tài) 外太空氣體十分稀薄 激波 微尺度流動（MEMS-微機(jī)電系統(tǒng)）第二十五張，PPT共六十三頁，創(chuàng)作于2022年6月 2 無滑移假設(shè) 貼附于固體表面的流體運(yùn)動速度與固體保持一致 。 微尺度流動和稀薄流動條件下該假設(shè)失

10、效。第二十六張，PPT共六十三頁，創(chuàng)作于2022年6月 1.4 流體的基本性質(zhì) 1 密度 單位體積流體具有的質(zhì)量 (Kg/m3)。v1流體微團(tuán)內(nèi)平均密度隨微團(tuán)體積的變化規(guī)律v0v分子隨機(jī)脈動引起的密度變化密度隨空間分布不均 流體密度與流體溫度和壓強(qiáng)有關(guān)。第二十七張，PPT共六十三頁，創(chuàng)作于2022年6月常溫常壓下常見流體的密度： 水1000 kg/m3 空氣1.23 kg/m3 水銀13600 kg/m3（2) 相對密度其中，w是標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下40C水的密度，取1000Kg/m3（1) 重度 第二十八張，PPT共六十三頁，創(chuàng)作于2022年6月(3)比體積/比容(4)混合氣體的密度混合氣體的密度按

11、各組分的體積比進(jìn)行計算。式中：1， 2， n 各組分氣體的密度 1， 2， n各組分氣體所占的體積百分?jǐn)?shù)第二十九張，PPT共六十三頁，創(chuàng)作于2022年6月 2 流體的可壓縮性 （壓縮性和膨脹性） 式中V表示流體體積?？梢?，流體體積的縮小率與引起流體體積縮小的壓強(qiáng)增量之比，-表示壓強(qiáng)的變化與流體體積的變化方向相反。 （1）壓縮性 保持流體溫度一定，壓強(qiáng)增加，流體體積縮小。流體壓縮性的大小由體積壓縮系數(shù)表示：第三十張，PPT共六十三頁，創(chuàng)作于2022年6月 00水在0.98MPa的壓強(qiáng)增量下： 水 （b）空氣 （a）Vp越大流體越易壓縮，如空氣比水易壓縮第三十一張，PPT共六十三頁，創(chuàng)作于2022

12、年6月 完全氣體的體積壓縮系數(shù)可見，體積壓縮系數(shù)與氣體自身的壓強(qiáng)有關(guān)，壓強(qiáng)越大， p越小，越難壓縮。 體積模量第三十二張，PPT共六十三頁，創(chuàng)作于2022年6月 完全氣體的溫度膨脹系數(shù) T大，流體的膨脹性大，反之，流體的膨脹性小。如在壓強(qiáng)為101235Pa時，水溫增加1020攝氏度有：（2）流體的膨脹性 保持流體壓強(qiáng)不變，隨溫度增加流體體積增加的性質(zhì)。流體膨脹性的大小由溫度膨脹系數(shù)表示：第三十三張，PPT共六十三頁，創(chuàng)作于2022年6月（3）可壓縮流體和不可壓縮流體不可壓縮流體：流體密度 =cont,如可壓縮流體：流體密度cont，如液體氣體（馬赫數(shù)Ma0.3)第三十四張，PPT共六十三頁，創(chuàng)

13、作于2022年6月問題：在冰柜內(nèi)空氣的對流應(yīng)按可壓縮流還是不可壓縮流處理？保溫層冷室壓縮機(jī)盤管450C室外溫度320C-250C第三十五張，PPT共六十三頁，創(chuàng)作于2022年6月3 粘性（Viscosity) 粘性是流體所固有的特性，流體在外力作用下，流體流層間出現(xiàn)相對運(yùn)動時，隨之產(chǎn)生阻抗相對運(yùn)動的內(nèi)摩擦力的性質(zhì)。V1V2f1f2VFf 固體間的摩擦力NG f=N均勻來流U 流層間的摩擦力yu第三十六張，PPT共六十三頁，創(chuàng)作于2022年6月(1) 流體存在粘性的例子油AB第三十七張，PPT共六十三頁，創(chuàng)作于2022年6月（2）牛頓內(nèi)摩擦定律（ 1686,牛頓）當(dāng)h和U不是很大時，兩平板間沿y

14、方向的流速呈線性分布，如右圖。試驗發(fā)現(xiàn)：yxUhF運(yùn)動平板固定平板UF流體粘性實(shí)驗裝置流體第三十八張，PPT共六十三頁，創(chuàng)作于2022年6月 定義 單位面積流體受到的內(nèi)摩擦力為切應(yīng)力,那么：為系數(shù) ,即流體的動力粘度。 量綱： F/L2第三十九張，PPT共六十三頁，創(chuàng)作于2022年6月 注意：流體的內(nèi)摩擦力與垂直于流動方向的速度梯度有關(guān)；而固體間的摩擦力與速度無關(guān)（f=N） 。-牛頓內(nèi)摩擦定律 對于非線性的速度分布Ux ydu dy 注意：牛頓內(nèi)摩擦定律僅適合二維平行層流。可見，粘性切應(yīng)力與變形速率成正比。第四十張，PPT共六十三頁，創(chuàng)作于2022年6月粘性系數(shù)是流體粘性大小的度量，有動力粘度

15、和運(yùn)動粘度兩種： 動力粘度 (miu)： F.t/L2 (N.s/m2) 運(yùn)動粘度 (nu)= /: L2 /t (m2/s)（3）粘度/粘性系數(shù) 流體的粘性大小與流體種類、壓強(qiáng)和溫度有關(guān)。 粘性的大小反映了流體抗剪切力的能力，粘性越大，抗剪切力的能力越強(qiáng)，反之，越弱。如蜂蜜和水第四十一張，PPT共六十三頁，創(chuàng)作于2022年6月 液體氣體T 液體：T ；T 氣體：T ；T 為什么？第四十二張，PPT共六十三頁，創(chuàng)作于2022年6月（4）流體粘性的微觀機(jī)理 液體：分子內(nèi)聚力為主因 從本質(zhì)上說，流體粘性是分子吸引力以及分子熱運(yùn)動共同作用的結(jié)果。但：溫度分子間距分子吸引力內(nèi)摩擦力粘度第四十三張，PP

16、T共六十三頁，創(chuàng)作于2022年6月 氣體：分子熱運(yùn)動為主因溫度分子熱運(yùn)動動量交換內(nèi)摩擦力粘度第四十四張，PPT共六十三頁，創(chuàng)作于2022年6月 水的粘度氣體的粘度 Sutherland公式第四十五張，PPT共六十三頁，創(chuàng)作于2022年6月混合氣體的粘度問題: 流體的粘性與流體的 無關(guān) (a) 分子內(nèi)聚力 (b) 分子動量交換 (c) 壓強(qiáng) (c) 溫度 (d) 速度梯度 (e) 流體的種類第四十六張，PPT共六十三頁，創(chuàng)作于2022年6月（5） 牛頓流體與非牛頓流體牛頓流體：服從牛頓內(nèi)摩擦定律的流體，如水、空氣。du/dy0塑性流體牛頓流體脹流型流體擬塑性流體非牛頓流體：不服從牛頓內(nèi)摩擦定理的

17、流體，如牙膏、油漆瀝青、油墨、人體內(nèi)的血液等第四十七張，PPT共六十三頁，創(chuàng)作于2022年6月 牛頓流體 非牛頓流體的爬桿效應(yīng)第四十八張，PPT共六十三頁，創(chuàng)作于2022年6月(6) 理想流體和粘性流體問題1：設(shè)液體中流速沿y方向分布如下圖，試根據(jù)牛頓內(nèi)摩擦定律定性畫出切應(yīng)力沿y方向的分布？yyyuuuuuu圖a圖b圖cyyy第四十九張，PPT共六十三頁，創(chuàng)作于2022年6月問題2：下面的表述是否正確? A 由于粘性，流體內(nèi)部切應(yīng)力一定不為0 . B 靜止流體內(nèi)不存在切應(yīng)力。 C 流體作均速運(yùn)動時切應(yīng)力為0。理想流體：不計粘性的流體，假想的流體力學(xué)模型。粘性流體：真實(shí)流體，考慮粘性的流體。第五

18、十張，PPT共六十三頁，創(chuàng)作于2022年6月例11：直徑D=5cm的軸在軸承中空載地旋轉(zhuǎn)，如圖15所示。轉(zhuǎn)速n=4000rpm，與軸瓦同心，徑向間隙0.005cm,軸瓦長度L=7.6cm，測得摩擦力矩M=1.2N.m。求潤滑液的粘性系數(shù)？求軸承消耗的功率？ VD/2+D/2注意：1.摩擦面積的取法2.單位統(tǒng)一第五十一張，PPT共六十三頁，創(chuàng)作于2022年6月例12：旋轉(zhuǎn)圓筒粘度計如下圖所示，外筒固定，內(nèi)筒轉(zhuǎn)速n=10r/min，內(nèi)外筒間充入實(shí)驗液體。已知內(nèi)筒半徑r1為1.93cm，外筒 r2為2cm，內(nèi)筒高h(yuǎn)=7cm，轉(zhuǎn)軸上扭距M=0.0045Nm。求該實(shí)驗液體的粘度 (0.9524Pa.s)

19、。nhr1r2旋轉(zhuǎn)圓筒粘度計第五十二張，PPT共六十三頁，創(chuàng)作于2022年6月 例13：一套桶長H=20m,內(nèi)直徑D=5.04cm，重G=6.8N,套在直徑d=5cm的立軸上，間隙內(nèi)充滿了動力粘度=8Pa.s的油。求套筒以多大速度勻速下滑？dGGFF第五十三張，PPT共六十三頁，創(chuàng)作于2022年6月例14：已知：A1200cm2，V0.5m/s， h11.0mm ，10.142Pa.s，20.235Pa.s，h21.4mm，求：平板上所受的內(nèi)摩擦力F第五十四張，PPT共六十三頁，創(chuàng)作于2022年6月 例15：兩塊平板固定，相距為h。有一厚度可不計的無限大平板以速度V向右勻速運(yùn)動，已知活動平板兩側(cè)流體的粘性分為1、 2，且速度按線性分布。為使維持活動平板運(yùn)動的力F最小，活動平板距下固定板的距離y應(yīng)為多少？VyhY12F第五十五張，PPT共六十三頁，創(chuàng)作于2022年6月 4 表面張力（液體的性質(zhì)）表面