流體力學(xué)第一章

1、流體力學(xué)第一章第1頁，共28頁，2022年，5月20日，10點58分，星期四第一章 緒論第1章緒論 1.1 概述1.2 流體的連續(xù)介質(zhì)模型1.3 流體的主要物理性質(zhì)1.4 作用在流體上的力第2頁，共28頁，2022年，5月20日，10點58分，星期四第一章 緒論第1章緒論 (2學(xué)時)一、本章學(xué)習(xí)要點: 工程流體力學(xué)的任務(wù)。 流體的連續(xù)介質(zhì)模型。 流體的主要物理性質(zhì):慣性、粘性、 壓縮性和表面張力特性。 作用在流體上的力：表面力和質(zhì)量力。 二、本章重點掌握: 流體的主要物理性質(zhì)。 作用在流體上的力。第3頁，共28頁，2022年，5月20日，10點58分，星期四第一章 緒論1.1 概 述一、自然界

2、物質(zhì)存在的主要形式 自然界物質(zhì)存在的主要形式有:固體、流體(包括液體和氣體）。1.流體和固體的區(qū)別(1).從表觀看，固體具有固定的形狀，不易流動；流體則隨盛器而方圓，且易流動。(2).從力學(xué)分析的角度看，在于兩者對外力抵抗的能力不同。第4頁，共28頁，2022年，5月20日，10點58分，星期四第一章 緒論固體：可以承受拉力、壓力和剪力。流體：幾乎不能承受拉力；靜止流體還不能承受剪力。 2 .液體和氣體的區(qū)別氣體易于壓縮；液體難于壓縮。液體具有一定的體積，并可形成自由表面；氣體可充滿任何容器，但無一定體積，也不能形成自由表面。第5頁，共28頁，2022年，5月20日，10點58分，星期四第一章

3、 緒論二、流體力學(xué)的分類1 .按研究內(nèi)容的側(cè)重點分理論流體力學(xué)：側(cè)重于理論方面的研究，主要采用數(shù)學(xué)推理方法，力求嚴(yán)密性和準(zhǔn)確性。工程流體力學(xué)：側(cè)重于解決工程實際中出現(xiàn)的問題，不追求數(shù)學(xué)上的嚴(yán)密性。第6頁，共28頁，2022年，5月20日，10點58分，星期四第一章 緒論2. 按學(xué)科發(fā)展分古典流體力學(xué)：在古典力學(xué)的基礎(chǔ)上，運用嚴(yán)密的數(shù)學(xué)分析方法，建立有關(guān)流體的基本方程，但理論中有些假設(shè)與實際不盡相符。實驗流體力學(xué)：依靠實驗方法制定一些經(jīng)驗公式，以滿足工程需要，但有些公式缺乏理論基礎(chǔ)?，F(xiàn)代流體力學(xué)：理論分析與實驗方法相結(jié)合，理論與實驗并重。第7頁，共28頁，2022年，5月20日，10點58分，星

4、期四第一章 緒論三、工程流體力學(xué)的研究任務(wù)1.學(xué)科屬性：工程流體力學(xué)為工程力學(xué)的分支學(xué)科。2.課程性質(zhì)：工程流體力學(xué)是土建類各專業(yè)的一門重要技術(shù)基礎(chǔ)課。3.研究任務(wù)：研究流體平衡和機(jī)械運動規(guī)律及其實際應(yīng)用。第8頁，共28頁，2022年，5月20日，10點58分，星期四第一章 緒論4.研究內(nèi)容：包括基礎(chǔ)理論和實際應(yīng)用的研究。其中: 2）.實際應(yīng)用方面的研究有流體靜力學(xué)理論流體動力學(xué)理論 流體實驗分析理論 流體阻力與水頭損失理論 有壓管道水力計算 明渠水力計算 堰、閘（孔）、橋、涵水力計算 工程滲流計算 1）.基礎(chǔ)理論方面的研究有第9頁，共28頁，2022年，5月20日，10點58分，星期四第一章

5、 緒論四、工程流體力學(xué)的研究方法一般有理論分析、實驗研究和數(shù)值模擬三種。1 .理論分析：通過運用數(shù)學(xué)方法求解理論模型來揭示流體運動的規(guī)律。但許多實際問題尚難以從數(shù)學(xué)上精確求解。2 .實驗研究：通過對具體流動的觀測來認(rèn)識流體運動的規(guī)律。3 .數(shù)值模擬（或稱數(shù)值實驗）：通過運用數(shù)值方法將理論模型離散成數(shù)值模型，用計算機(jī)求解數(shù)值模型來揭示流體運動的規(guī)律。第10頁，共28頁，2022年，5月20日，10點58分，星期四第一章 緒論五、流體力學(xué)在土木工程中的應(yīng)用 流體力學(xué)在土木工程中有著廣泛的應(yīng)用。1 .市政工程：城市給排水管網(wǎng)設(shè)計；城市防洪工程設(shè)計；取水工程、凈水工程設(shè)計等。2 .交通土建工程：路基、

6、站場排水設(shè)計；橋涵孔徑水力設(shè)計；隧道及地下工程通風(fēng)及排水設(shè)計;高速鐵(公)路隧道洞形設(shè)計等。3 .建筑工程：室內(nèi)給排水設(shè)計；地基降水及抗?jié)B設(shè)計等。第11頁，共28頁，2022年，5月20日，10點58分，星期四第一章 緒論1.2 流體的連續(xù)介質(zhì)模型微觀：流體是由大量做無規(guī)則熱運動的分子所組成，分子間存有空隙，物理量在空間和時間上都是不連續(xù)的。但在標(biāo)準(zhǔn)狀況下，1cm3液體含有3.31022個分子，分子間距離為3.110-8cm；1cm3氣體含有2.71019個分子。分子間距離為3.210-7cm。 宏觀：一般工程中，所研究流體的空間尺度和時間尺度要比分子距離和分子碰撞時間大得多。錄 像第12頁，

7、共28頁，2022年，5月20日，10點58分，星期四第一章 緒論1 .定義2 .優(yōu)點連續(xù)介質(zhì)：質(zhì)點連續(xù)地充滿所占空間的流體和固體。流體的連續(xù)介質(zhì)模型：把流體視為沒有間隙地充滿其所占空間的連續(xù)介質(zhì)，且其所有物理量都是空間坐標(biāo)和時間變量的連續(xù)函數(shù)的一種假設(shè)模型。避免了流體分子運動的復(fù)雜性。物理量作為時空連續(xù)函數(shù)，則可利用高等數(shù)學(xué)中連續(xù)函數(shù)分析方法研究流體流動問題。第13頁，共28頁，2022年，5月20日，10點58分，星期四第一章 緒論1.3 流體的主要物理性質(zhì)1.流體與固體一樣，也具有慣性。2.質(zhì)量是慣性大小的度量。水的密度常用值：=1000kg/m3。水銀的密度常用值： =13600kg/

8、m3。密度：單位體積流體的質(zhì)量。SI單位為kg/m3。 一、慣性 第14頁，共28頁，2022年，5月20日，10點58分，星期四第一章 緒論二、粘性（粘滯性） 粘性：流體在運動狀態(tài)下抵抗剪切變形的性質(zhì)。1 .牛頓平板實驗當(dāng)h和u不是很大時，兩平板間沿y方向的流速呈線性分布，即錄 像錄 像第15頁，共28頁，2022年，5月20日，10點58分，星期四第一章 緒論2 .牛頓內(nèi)摩擦定律引入比例系數(shù)，則得著名的牛頓內(nèi)摩擦定律：實驗表明，對于大多數(shù)流體，存在第16頁，共28頁，2022年，5月20日，10點58分，星期四第一章 緒論(1) 粘度粘性的大小由粘度來度量。流體的粘度是由流體流動的內(nèi)聚力和

9、分子的動量交換引起的。1) 粘度系數(shù)動力粘度：SI單位為Ns/m2或pas。 運動粘度：SI單位為m2/s。其計算式： 第17頁，共28頁，2022年，5月20日，10點58分，星期四第一章 緒論2) 粘度的影響因素流體的種類：主要影響因素。一般在相同條件下，液體的粘度大于氣體的粘度。 壓強(qiáng)：對常見流體，如水、氣體等，影響不大，一般可忽略不計。 溫度：主要影響因素。當(dāng)溫度升高時，液體的粘度減小，氣體的粘度增大。第18頁，共28頁，2022年，5月20日，10點58分，星期四第一章 緒論 液體：內(nèi)聚力是產(chǎn)生粘度的主要因素。 溫度分子間距分子吸引力內(nèi)摩擦力粘度 氣體：分子熱運動引起的動量交換是產(chǎn)生

10、粘度的主要因素。 溫度分子熱運動動量交換內(nèi)摩擦力粘度 第19頁，共28頁，2022年，5月20日，10點58分，星期四第一章 緒論(2) 的含義1) 數(shù)學(xué)上： 為沿流體運動法線方向的流 速梯度。2) 物理上： 為運動流體相鄰兩流層的剪切變形速率。第20頁，共28頁，2022年，5月20日，10點58分，星期四第一章 緒論故牛頓內(nèi)摩擦定律又可以寫成：證明：如圖所示第21頁，共28頁，2022年，5月20日，10點58分，星期四第一章 緒論3 .牛頓流體與非牛頓流體牛頓流體：符合牛頓內(nèi)摩擦定律的流體。如水、空氣、汽油和水銀等。非牛頓流體：不符合牛頓內(nèi)摩擦定律的流體。如泥漿、血漿、新拌水泥砂漿、新拌

11、混凝土等。第22頁，共28頁，2022年，5月20日，10點58分，星期四第一章 緒論實際流體：具有粘性的流體（0）。粘性是流體的固有屬性。理想流體：忽略粘性的流體（=0），為研究方便引入的假想流體。平衡流體（ ）引入的或理想流體（=0）均不產(chǎn)生切應(yīng)力，即=0。4 .實際流體與理想流體第23頁，共28頁，2022年，5月20日，10點58分，星期四第一章 緒論三、壓縮性壓縮性：流體的宏觀體積隨著作用壓強(qiáng)的增大而減小的性質(zhì)。1 . 體積壓縮系數(shù)2 . 體積彈性模量 實際流體都是可壓縮的。 液體的壓縮性很小，如水的相對壓縮值約1/20000。故一般工程設(shè)計中，認(rèn)為水的壓縮可以忽略，其密度可視為常數(shù)

12、。第24頁，共28頁，2022年，5月20日，10點58分，星期四第一章 緒論四、表面張力特性1. 表面張力現(xiàn)象3.表面張力系數(shù)：自由表面內(nèi)單位長度上所受的表面張力，SI單位為N/m。水滴懸在水龍頭出口而不滴落； 細(xì)管中的液體自動上升或下降一個高度（毛細(xì)管現(xiàn)象）； 鐵針浮在液面上而不下沉。 2.表面張力：液體表面由于分子引力大于斥力而在表層沿表面方向產(chǎn)生的拉力。錄 像錄 像第25頁，共28頁，2022年，5月20日，10點58分，星期四第一章 緒論1.4 作用在流體上的力 在工程流體力學(xué)中，一般將作用在流體上的力分為表面力和質(zhì)量力兩類。1 .表面力(接觸力)：作用在流體隔離體表面上，其大小 與作用面積成正比。第26頁，共28頁，2022年，5月20日，10點58分，星期四第一