流體力學(xué)第一章緒論g

第一章緒論§1-1

工程流體力學(xué)的研究對象、任務(wù)和方法

§1-2流體質(zhì)點(diǎn)與連續(xù)介質(zhì)的概念

§1-3流體的密度、比體積和相對密度

§1-4流體的壓縮性和膨脹性

§1-5流體的粘性力學(xué)連續(xù)介質(zhì)力學(xué)彈塑性力學(xué)流體力學(xué)靜力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)質(zhì)點(diǎn)力學(xué)剛體力學(xué)理論計(jì)算實(shí)驗(yàn)§1-1工程流體力學(xué)的研究對象、任務(wù)和方法

實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)

現(xiàn)代流體力學(xué)二、流體力學(xué)的發(fā)展歷史

古典水動(dòng)力學(xué)（流體力學(xué)）同學(xué)們了解哪些有關(guān)流體力學(xué)運(yùn)用的工程實(shí)例?實(shí)際工程1實(shí)際工程2流體力學(xué)運(yùn)用古老的提水工具-水車都江堰都江堰

由魚嘴（分水工程）、飛沙堰（溢流排沙工程）和寶瓶口（引水工程）三大主體工程組成的無壩引水樞紐都江堰

始建于秦昭王末年（約公元前256－前251），秦蜀守李冰主持興建。工程以灌溉為主，兼有防洪、水運(yùn)、城市供水等多種效益新安江水電站葛洲壩水電站葛洲壩水電站葛洲壩水利樞紐是長江干流上新建的第一座水利樞紐，被譽(yù)為長江第一明珠；葛洲壩水利樞紐奠基于70年代初，竣工于80年代，工程總投資48.48億元人民幣；大江電廠、二江電廠總裝機(jī)21臺，總?cè)萘?71.5萬KW，年均發(fā)電量153億KW.h；截至1999年電廠累計(jì)發(fā)電2320億KW.h，人均創(chuàng)造勞動(dòng)產(chǎn)值71.8萬元；戰(zhàn)勝大于45000m3/s特大洪水43次，1998年8月在長江發(fā)生特大洪水期間三次超常規(guī)攔蓄洪峰，為緩解長江中下游災(zāi)情、避免荊江分洪做出了突出貢獻(xiàn)。

三峽水電站流體力學(xué)是研究流體平衡和運(yùn)動(dòng)規(guī)律及其應(yīng)用的科學(xué)。是力學(xué)的一個(gè)重要分支。主要包括理論流體力學(xué)和工程流體力學(xué)。我們主要研究工程流體力學(xué)。流體靜力學(xué)：研究流體處于平衡狀態(tài)下的力學(xué)規(guī)律；流體動(dòng)力學(xué)：研究作用于流體上的各種力和運(yùn)動(dòng)之間的關(guān)系以及流體的運(yùn)動(dòng)特性及能量等問題。機(jī)械類流體力學(xué)：機(jī)械、冶金、化工、水力機(jī)械水利類流體力學(xué)：水工、水動(dòng)、海洋土木類流體力學(xué)：土建、市政、工民建、道橋、城市防洪流體力學(xué)的概念流體力學(xué)分類流體力學(xué)的內(nèi)容

§1-2流體質(zhì)點(diǎn)與連續(xù)介質(zhì)的概念一、流體的物理性質(zhì)自然界物質(zhì)存在的主要形態(tài)：

固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)液體和氣體是流體流體：可承受壓力，不可承受拉應(yīng)力；在平衡狀態(tài)下不能承受剪切力。易流性——

在極小剪切力的作用下，流體就將產(chǎn)生無休止的（連續(xù)的）剪切變形（流動(dòng)），直到剪切力消失為止。流體沒有一定的形狀。固體具有一定的形狀。固體：既可承受壓力，又可承受拉力和剪切力，在一定范圍內(nèi)變形將隨外力的消失而消失。流體定義在微小剪切力的持續(xù)作用下能夠連續(xù)變形的物質(zhì)流體的特征易流動(dòng)性無固定形狀固體：有一定體積和形狀，不易變形1.氣體易于壓縮，而液體難于壓縮；2.氣體遠(yuǎn)比液體具有更大的流動(dòng)性。

3.液體有一定的體積，氣體能充滿任意形狀的容器，無一定的形狀。

液體和氣體的共同點(diǎn)：

兩者均具有易流動(dòng)性，故二者統(tǒng)稱為流體。

液體和氣體的區(qū)別：二、流體質(zhì)點(diǎn)的概念及連續(xù)介質(zhì)模型雖然流體的真實(shí)結(jié)構(gòu)是由分子構(gòu)成，分子間有一定的孔隙，但流體力學(xué)研究的并不是個(gè)別分子微觀的運(yùn)動(dòng)，而是研究大量分子組成的宏觀流體在外力的作用下所引起的機(jī)械運(yùn)動(dòng)。因此在流體力學(xué)中引入連續(xù)介質(zhì)假設(shè)：即認(rèn)為流體質(zhì)點(diǎn)是微觀上充分大，宏觀上充分小的流體微團(tuán)，它完全充滿所占空間，沒有孔隙存在。這就擺脫了復(fù)雜的分子運(yùn)動(dòng)，而著眼于宏觀機(jī)械運(yùn)動(dòng)。

流體質(zhì)點(diǎn)——

流體中由大量流體分子組成的，宏觀尺度非常小，而微觀尺度又足夠大的物理實(shí)體。（具有宏觀物理量m、

、T、p、v

等）

連續(xù)介質(zhì)模型——

流體是由無窮多個(gè)，無窮小的，彼此緊密毗鄰、連續(xù)不斷的流體質(zhì)點(diǎn)所組成的一種絕無間隙的連續(xù)介質(zhì)。流體微團(tuán)：流體中任意小的一個(gè)微元部分叫做流體微團(tuán)。當(dāng)流體微團(tuán)的體積無限縮小并以某一坐標(biāo)點(diǎn)為極限時(shí)，流體微團(tuán)就成為處在這個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)上的一個(gè)流體質(zhì)點(diǎn)，它在任何瞬時(shí)都應(yīng)該具有一定的物理量，如質(zhì)量、密度、壓強(qiáng)、流速等等。在連續(xù)介質(zhì)中，流體質(zhì)點(diǎn)的一切物理量必然都是坐標(biāo)與時(shí)間變量的單值、連續(xù)、可微函數(shù)。從而形成各種物理量的標(biāo)量場和矢量場，即流場。從而我們用數(shù)學(xué)工具研究流體運(yùn)動(dòng)和平衡。

一、密度單位體積液體所具有的質(zhì)量。流體密度是空間位置和時(shí)間的函數(shù)。

V.MP(x,y,z)zxykg/m3對于均質(zhì)流體：§1-3流體的密度、比體積和相對密度性質(zhì)：液體的密度隨著壓力或溫度的變化而發(fā)生變化，但一般變化量很小。比體積：

lim

V

m3/kg

m0

mv=流體的可壓縮性定義：流體隨其所受壓強(qiáng)的變化而發(fā)生體積（密度）變化的性質(zhì)。即是流體受壓，體積縮小，密度增大，除去外力后能恢復(fù)原狀的性質(zhì)。流體的熱膨脹性定義：是流體受熱，體積膨脹，密度減小，溫度下降后后能恢復(fù)原狀的性質(zhì)。§1-4流體的壓縮性和膨脹性氣體具有顯著的可壓縮性一般情況下，常用氣體的密度、壓強(qiáng)和溫度，符合完全氣體狀態(tài)方程

pV=mRT

或pν=RTR——?dú)怏w常數(shù)R=8314/MM為氣體分子量空氣R=8314/29=287J/kg·K壓縮系數(shù)當(dāng)溫度保持不變，單位壓強(qiáng)增量引起流體體積的相對縮小量增壓前后質(zhì)量無變化—流體的體積壓縮系數(shù)，m2/N；—流體壓強(qiáng)的增加量，Pa；—原有流體的體積，m3；—流體體積的增加量，m3。二、流體壓縮性和膨脹性的系數(shù)表示法熱膨脹系數(shù)壓強(qiáng)不變，升高一個(gè)單位溫度所引起流體體積的相對增加量的單位：

或者例如在9.8×104Pa下，1～10℃范圍內(nèi)，水的熱膨脹系數(shù)＝14×10-61/℃；10～20℃范圍內(nèi)，150×10-61/℃。在常溫下，溫度每升高1℃，水的體積相對增量僅為萬分之一點(diǎn)五；溫度較高時(shí)，如90～100℃，也只增加萬分之七。其它液體的熱膨脹系數(shù)也是很小的。液體的熱膨脹系數(shù)很小流體的熱膨脹系數(shù)還取決于壓強(qiáng)。對于大多數(shù)液體，隨壓強(qiáng)的增加稍為減小。水的在高于50℃時(shí)隨壓強(qiáng)的增加而減小，低于50℃時(shí)隨壓強(qiáng)的增加而增加。

K

不易壓縮。一般認(rèn)為：液體是不可壓縮的（在p、T、v變化不大的“靜態(tài)”情況下）。則

=常數(shù)體積（彈性）模量：

或:(N/m2

)不可壓縮流體:指流體的每個(gè)質(zhì)點(diǎn)在運(yùn)動(dòng)全過程中，密度不變化的流體。不可壓均質(zhì)流體：可壓縮流體：流體密度隨溫度、壓強(qiáng)變化不能忽略的流體。嚴(yán)格地說，不存在完全不可壓縮的流體。一般情況下的液體都可視為不可壓縮流體，管路中壓降較大時(shí)，應(yīng)作為可壓縮流體。（發(fā)生水擊、水下爆破）。對于氣體，當(dāng)所受壓強(qiáng)變化相對較小時(shí)，可視為不可壓縮流體。（鍋爐尾部煙道）氣體對物體流動(dòng)的相對速度比聲速要小得多時(shí)，氣體的密度變化也很小，可以近似地看成是常數(shù)，也可當(dāng)作不可壓縮流體處理。1、粘性的概念及牛頓內(nèi)摩擦定律流體分子間的內(nèi)聚力流體分子與固體壁面間的附著力。內(nèi)摩擦力——相鄰流層間，平行于流層表面的相互作用力。定義：流體在運(yùn)動(dòng)時(shí)，其內(nèi)部相鄰流層間要產(chǎn)生抵抗相對滑動(dòng)（抵抗變形）的內(nèi)摩擦力的性質(zhì)稱為流體的粘性。yxv。v+dvvydyv0F§1-5流體的粘性

內(nèi)摩擦力：

以切應(yīng)力表示：

式中：μ——與流體的種類及其溫度有關(guān)的比例常數(shù)；

——速度梯度（流體流速在其法線方向上的變化率）。牛頓內(nèi)摩擦定律與垂直于流動(dòng)方向的速度梯度du/dy成正比與接觸面的面積A成正比與流體的性質(zhì)有關(guān)與接觸面上壓力無關(guān)內(nèi)摩擦力（剪切力）T流體的切應(yīng)力與剪切變形速率，或角變形率成正比。當(dāng)速度梯度等于零時(shí)，內(nèi)摩擦力也等于零。當(dāng)流體處于靜止?fàn)顟B(tài)或以相同速度運(yùn)動(dòng)(流層間沒有相對運(yùn)動(dòng))時(shí)，內(nèi)摩擦力等于零，此時(shí)流體有黏性，流體的黏性作用也表現(xiàn)不出來。當(dāng)流體沒有黏性(μ=0)時(shí)，內(nèi)摩擦力等于零。

2、粘度及其表示方法定義：流體微團(tuán)間發(fā)生相對滑移時(shí)產(chǎn)生切向阻力的性質(zhì)。粘度

是對液體粘性大小的度量；是選擇液壓油的主要指標(biāo)。

μ的物理意義：產(chǎn)生單位速度梯度，相鄰流層在單位面積上所作用的內(nèi)摩擦力（切應(yīng)力）的大小。液體流動(dòng)時(shí)才會(huì)出現(xiàn)粘性；靜止液體不呈現(xiàn)粘性。

常用粘度表示方法有三種：<1>動(dòng)力粘度μ單位：Pas（帕?秒）1Pas=1N/m2

s

<3>相對粘度——其它流體相對于水的粘度

恩氏粘度：oE中、俄、德使用賽氏粘度:SSU美國使用雷氏粘度:R英國使用巴氏粘度:oB法國使用用不同的粘度計(jì)測定<2>運(yùn)動(dòng)粘度：單位：m2/s

工程上常用：10–6

m2/s(厘斯)mm2

/s油液的牌號：攝氏40oC時(shí)油液運(yùn)動(dòng)粘度的平均厘斯(mm2/s)值。流體種類：相同條件下，液體的動(dòng)力粘度大于氣體的動(dòng)力粘度。壓強(qiáng)：常壓，壓強(qiáng)對流體的黏性影響很小，可忽略不計(jì)，高壓，流體黏性隨壓強(qiáng)升高而增大。溫度:液體的黏性隨溫度升高而減小氣體的黏性隨溫度升高而增大。3、粘壓關(guān)系和粘溫關(guān)系〈1〉粘壓關(guān)系壓強(qiáng)其分子間距離（被壓縮）內(nèi)聚力粘度一般不考慮壓強(qiáng)變化對粘度的影響?！?〉粘溫關(guān)系（對于液體）溫度內(nèi)聚力

粘度溫度變化時(shí)對流體粘度的影響必須給于重視。液體和氣體的黏性隨溫度的變化不同(1)兩層液體之間的粘性力主要由分子內(nèi)聚力形成

溫度↑→分子間距↑→分子吸引力↓→內(nèi)摩擦力↓→粘度↓(2)兩層氣體之間的粘性力主要由分子動(dòng)量交換形成

溫度↑→分子熱運(yùn)動(dòng)↑→動(dòng)量交換↑→內(nèi)摩擦力↑→粘度↑無粘性流體定義：指無粘性即μ＝０流體簡化的力學(xué)模型，理想流體粘性流體定義：具有粘性的流體，即μ不等于０4、理想流體的概念理想流體——假想的沒有粘性的流體。

μ=0

=0實(shí)際流體——事實(shí)上具有粘性的流體。在實(shí)際流體的黏性作用表現(xiàn)不出來的場合(像在靜止