流體力學(xué)第一章

流體力學(xué)主講人：能源教研室劉春慧

韓國(guó)軍主編

機(jī)械工業(yè)出版社選用教材:《流體力學(xué)基礎(chǔ)與應(yīng)用》考試成績(jī)分布:筆試占80%出勤占15%實(shí)驗(yàn)5%2022/11/123

第一章緒論第一節(jié)概述第二節(jié)流體的主要物理性質(zhì)第三節(jié)作用在流體上的力§1-1概述流體力學(xué)：宏觀力學(xué)的一個(gè)分支，研究流體在外力作用下的宏觀運(yùn)動(dòng)規(guī)律以及流體和與之接觸的物體之間相互作用。研究對(duì)象：流體，包括液體和氣體。液體—

形狀隨邊界變化，體積一定，密度一定，不易壓縮，存在自由液面。氣體—

既無(wú)形狀，體積不定，充滿邊界，易于壓縮。與固體的區(qū)別：在于它們對(duì)外力抵抗的能力不同，固體既能承受壓力，也能承受拉力與切力；流體只能承受壓力，一般不能承受拉力與切力。研究方法理論分析：建立理論模型(亦稱數(shù)學(xué)模型），并且用數(shù)學(xué)方法求解規(guī)律。

實(shí)驗(yàn)研究：根據(jù)實(shí)際問(wèn)題利用相似理論建立實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛠?lái)進(jìn)行求解。數(shù)值模擬：根據(jù)理論分析的方法建立數(shù)學(xué)模型，選擇合適的計(jì)算方法，包括有限差分法、有限元法、特征線法、邊界元法等，利用商業(yè)軟件和自編程序計(jì)算，得出結(jié)果，用實(shí)驗(yàn)方法加以驗(yàn)證。流體連續(xù)介質(zhì)模型連續(xù)介質(zhì)模型將流體作為由無(wú)窮多稠密、沒(méi)有間隙的流體質(zhì)點(diǎn)構(gòu)成的連續(xù)介質(zhì)，這就是1753年歐拉提出的“連續(xù)介質(zhì)模型”。在連續(xù)性假設(shè)之下，表征流體狀態(tài)的宏觀物理量如速度、壓強(qiáng)、密度、溫度等在空間和時(shí)間上都是連續(xù)分布的，都可以作為空間和時(shí)間的連續(xù)函數(shù)。

流體質(zhì)點(diǎn)：包含有足夠多流體分子的微團(tuán)，在宏觀上流體微團(tuán)的尺度和流動(dòng)所涉及的物體的特征長(zhǎng)度相比充分的小，小到在數(shù)學(xué)上可以作為一個(gè)點(diǎn)來(lái)處理。而在微觀上，微團(tuán)的尺度和分子的平均自由行程相比又要足夠大。失效情況:稀薄氣體激波(厚度與氣體分子平均自由程同量級(jí))2022/11/127流體力學(xué)在工程上的應(yīng)用空氣和水是最常見(jiàn)的流體，人的生活離不開(kāi)水和空氣。在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和城市建設(shè)的各個(gè)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。如：建筑、土木、環(huán)境、水利造船、電力、機(jī)械、石油、化工、航天航空、醫(yī)藥、核工程等。2022/11/128§1-2流體的主要物理性質(zhì)一、慣性流體保持原有運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的性質(zhì)。（一切物質(zhì)都有慣性）表征慣性大小的物理量：質(zhì)量

質(zhì)量是流體慣性大小的表征。

單位體積流體的質(zhì)量為密度（ρ），均質(zhì)流體：

（kg/m3）體積質(zhì)量2022/11/129二、重力特性流體受地球引力作用的特性為重力特性。表征重力特性大小的物理量：重量（重力）

單位體積流體的重量為重度或容重（γ），也用重度（容重）表征重力特性大小。

均質(zhì)流體：

（N/m3）重量體積2022/11/1210重度與密度關(guān)系：g：重力加速度（=9.81m/s2）水銀：ρ=13600kg/m3

，=133375N/m3

水：ρ=1000kg/m3

，=9807N/m3

干空氣（一個(gè)大氣壓，20℃時(shí)）：ρ=1.2kg/m3

，=11.7N/m3常用流體的密度和重度：2022/11/1211三、壓縮性與熱脹性壓縮性：在溫度不變的條件下，隨壓強(qiáng)的增大，流體體積減小，密度增大的性質(zhì)。熱脹性：在壓強(qiáng)不變的條件下，隨溫度的升高，流體體積增大，密度減小的性質(zhì)。液體的壓縮性和熱膨脹性

液體的壓縮性與熱脹性不很明顯，用體積壓縮率（

）和體膨脹系數(shù)（）表示其大小。（m2/N）（1/K）

原體積2022/11/1212

液體的體積壓縮率和體膨脹系數(shù)很小。壓強(qiáng)每升高一個(gè)大氣壓，水的密度約增加二萬(wàn)分之一。在常溫下，溫度每升高1℃，水的體積相對(duì)增量?jī)H為萬(wàn)分之一點(diǎn)五；溫度較高時(shí)，如90～100℃，也只增加萬(wàn)分之七。

液體的壓縮性和熱膨脹性2022/11/1213

不可壓縮流體就是被忽略了壓縮性的流體，它是實(shí)際流體在某種條件下的簡(jiǎn)化力學(xué)模型。

工程上常把液體看成是不可壓縮流體。

氣流速度不大，遠(yuǎn)小于聲速（約340m/s）,氣體在流動(dòng)過(guò)程中，密度沒(méi)有明顯變化，仍可作為不可壓縮流體處理。不可壓縮流體的概念2022/11/1214四、粘滯性流體內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)間或流層間因相對(duì)運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生內(nèi)摩擦力以反抗相對(duì)運(yùn)動(dòng)的性質(zhì)。u=f（y）u0u=0

粘性是流體特有的屬性2022/11/1215內(nèi)摩擦力的計(jì)算（N）牛頓內(nèi)摩擦定律：dudyu0流層間的內(nèi)摩擦力流體的粘滯系數(shù)流層間的接觸面積速度梯度兩流層間無(wú)相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，內(nèi)摩擦力為零。切應(yīng)力：2022/11/1216用粘度（粘滯系數(shù)）表示流體粘性的大小不同流體，粘滯系數(shù)不同。同一流體的粘滯系數(shù)越大，流體粘性越強(qiáng)。同一流體的粘性隨溫度變化而變化。液體粘性隨溫度升高而減小，氣體粘性隨溫度升高而增大。運(yùn)動(dòng)粘度（運(yùn)動(dòng)粘滯系數(shù)）：（m2/s）動(dòng)力粘度（動(dòng)力粘滯系數(shù)）：（Pa.s）兩者關(guān)系：2022/11/1217理想流體的概念

理想流體就是不考慮粘性的流體，它也是流體的一種力學(xué)模型。

粘性的存在，給流體運(yùn)動(dòng)規(guī)律的研究帶來(lái)極困難。引入理想流體概念的好處：一方面，對(duì)于粘性不起作用或不起主要作用的問(wèn)題，我們可以忽略流體的粘性。另一方面，對(duì)于粘性影響較大的問(wèn)題，我們可先按理想流體來(lái)研究，得出理論結(jié)果；然后，再考慮粘性作用，對(duì)理論結(jié)果進(jìn)行實(shí)驗(yàn)修正，從而簡(jiǎn)化了研究過(guò)程。一些昆蟲可以停在水面上而不致沉入水里?表面張力和毛細(xì)現(xiàn)象由滴管口緩慢流出的液體不是連續(xù)的液流而是連串的液滴

葉面上的露珠，小水銀滴，總是球形。

2022/11/1220五、表面張力特性表面張力是由于分子間的引力作用，在液體的自由表面上能夠承受極其微小的拉力。水：水銀：如:表面張力特性是液體的特有性質(zhì)。表面張力特性用表面張力系數(shù)表示：（N/m）2022/11/1221濕潤(rùn)與不濕潤(rùn)

若液體(如水)分子間的吸引力(稱為內(nèi)聚力)小于液體分子與固體分子之間的吸引力，也稱為附著力，則液體能夠潤(rùn)濕固體，反之不能濕潤(rùn)固體。水潤(rùn)濕固體不濕潤(rùn)固體水銀水：水銀：2022/11/1222毛細(xì)管現(xiàn)象毛細(xì)現(xiàn)象——豎直放在液體中的細(xì)管，由于表面張力作用，細(xì)管中的液面會(huì)發(fā)生上升或下降的現(xiàn)象。上升或下降的高度：2Rh水銀h水h測(cè)壓管的管徑為什么不能過(guò)細(xì)？2022/11/1223一、質(zhì)量力

——作用在流體內(nèi)所有流體質(zhì)點(diǎn)上并與流體質(zhì)量成正比的力。如：重力、慣性力等。質(zhì)量力的表示方式：

一般將其沿三個(gè)垂直方向分解，分別用X、Y、Z表示單位質(zhì)量力在上三個(gè)垂直方向上的分量。

如質(zhì)量力只有重力時(shí)：X=0，Y=0，Z=-g單位質(zhì)量力（m/s2）：§1-3作用在流體上的力質(zhì)量力質(zhì)量2022/11/1224

——作用于流體之間或流體與其它物體之間的接觸面上，與受作用的表面積成正比的力。如：壓力、摩擦力等。二、表面力表面力的表示方式：

一般將其沿法線方向和切線方向分解：ΔAΔFΔPΔT（Pa

）法線方向：壓強(qiáng):切線方向：（Pa

）切應(yīng)力:

AτΔFΔPΔTΔAVn法向應(yīng)力周圍流體作用的表面力切向應(yīng)力圖1-7作用在流體上的表面力重力慣性力(大小與質(zhì)量成正比)法向力（pa)切向力τ(作用于液體的表面)表面力質(zhì)量力作用于