流體力學(xué)泵與風(fēng)機(jī)

第一部分流體力學(xué)第一章緒論第二章流體靜力學(xué)第三章一元流體動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)第四章流動(dòng)阻力和能量損失第五章孔口管嘴管路流動(dòng)1現(xiàn)在是1頁\一共有41頁\編輯于星期五第一章緒論§1.1認(rèn)識(shí)流體力學(xué)§1.2

作用在流體上的力§1.3

流體的主要力學(xué)性質(zhì)§1.4流體的力學(xué)模型2現(xiàn)在是2頁\一共有41頁\編輯于星期五§1.1

認(rèn)識(shí)流體力學(xué)自然界物質(zhì)存在的主要形態(tài)：固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)二、流體的定義：流體與固體的區(qū)別

具有流動(dòng)性的物體是流體（即能夠流動(dòng)的物體）。

液體和氣體是流體固體靜止時(shí)既能承受壓力，也能承受拉力與剪切力；流體只能承受壓力，一般不能承受拉力，任何一個(gè)微小的剪切力都能使流體發(fā)生連續(xù)的變形。一、流體力學(xué)的定義：研究流體在靜止與運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的力學(xué)規(guī)律及其工程應(yīng)用的學(xué)科（研究對象、內(nèi)容及目的）3現(xiàn)在是3頁\一共有41頁\編輯于星期五液體與氣體的區(qū)別：

液體的流動(dòng)性小于氣體；氣體易于壓縮；而液體難于壓縮；液體具有一定的體積，并取決于容器的形狀，存在一個(gè)自由液面；氣體充滿任何容器，而無一定體積，不存在自由液面。液體與氣體的共同點(diǎn)：

兩者均具有易流動(dòng)性，即在任何微小切應(yīng)力作用下都會(huì)發(fā)生連續(xù)變形或流動(dòng)，故二者統(tǒng)稱為流體。三、流體的特征流動(dòng)性----在任意微小剪切力作用下會(huì)發(fā)生連續(xù)變形的特性流動(dòng)性是區(qū)別流體和固體的基本力學(xué)特征，是便于用管道、渠道進(jìn)行輸送，適宜作供熱、供冷等工作介質(zhì)的主要原因。4現(xiàn)在是4頁\一共有41頁\編輯于星期五四、流體的分類流體分為牛頓流體和非牛頓流體牛頓流體：指在受力后極易變形，且切應(yīng)力與變形速率成正比的低粘性流體。非牛頓流體：是指不滿足牛頓黏性實(shí)驗(yàn)定律的流體，即其剪應(yīng)力與剪切應(yīng)變率之間不是線性關(guān)系的流體。水、酒精等大多數(shù)純液體、輕質(zhì)油、低分子化合物溶液以及低速流動(dòng)的氣體等均為牛頓流體。非牛頓流體廣泛存在于生活、生產(chǎn)和大自然之中。絕大多數(shù)生物流體都屬于現(xiàn)在所定義的非牛頓流體。人身上血液、淋巴液、囊液等多種體液，以及像紅細(xì)胞那樣的“半流體”都屬于非牛頓流體。本課程講述的是牛頓流體5現(xiàn)在是5頁\一共有41頁\編輯于星期五五、生活中的流體力學(xué)

水往低處流——司馬光砸缸；風(fēng)平浪靜，無風(fēng)不起浪；微風(fēng)吹拂，微波蕩漾；大風(fēng)大浪；狂風(fēng)大作，波浪滔天；

高爾夫球的粗糙表面；足球的弧圈球，乒乓球的旋球技術(shù)；

飛機(jī)之所以能起飛；兩張紙相吸的實(shí)驗(yàn)；風(fēng)案、船案-----“流體力學(xué)”斷案。認(rèn)識(shí)的形象化、具體化學(xué)以致用，善于利用，趨利避害。汽車的形狀進(jìn)化；6現(xiàn)在是6頁\一共有41頁\編輯于星期五1．高爾夫球：表面光滑還是粗糙？高爾夫球運(yùn)動(dòng)起源于15世紀(jì)的蘇格蘭，當(dāng)時(shí)人們認(rèn)為表面光滑的球飛行阻力小，因此用皮革制球。

最早的高爾夫球（皮革已龜裂)7現(xiàn)在是7頁\一共有41頁\編輯于星期五

后來發(fā)現(xiàn)表面有很多劃痕的舊球反而飛得更遠(yuǎn)，這個(gè)謎直到20世紀(jì)建立流體力學(xué)邊界層理論后才解開。

(請注意球表面)

現(xiàn)在的高爾夫球表面有很多窩坑，在同樣大小和重量下，飛行距離為光滑球的5倍。

8現(xiàn)在是8頁\一共有41頁\編輯于星期五2．汽車阻力：來自前部還是后部？汽車發(fā)明于19世紀(jì)末，當(dāng)時(shí)人們認(rèn)為汽車的阻力主要來自前部對空氣的撞擊，因此早期的汽車后部是陡峭的，稱為箱型車，阻力系數(shù)（CD）很大，約為0.8。

實(shí)際上汽車阻力主要來自后部形成的尾流，稱為形狀阻力

9現(xiàn)在是9頁\一共有41頁\編輯于星期五20世紀(jì)30年代起，人們開始運(yùn)用流體力學(xué)原理改進(jìn)汽車尾部形狀，出現(xiàn)甲殼蟲型，阻力系數(shù)降至0.6。

20世紀(jì)50－60年代改進(jìn)為船型，阻力系數(shù)為0.45。

10現(xiàn)在是10頁\一共有41頁\編輯于星期五

80年代經(jīng)過風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)研究后，又改進(jìn)為魚型，阻力系數(shù)為0.3，

以后進(jìn)一步改進(jìn)為楔型，阻力系數(shù)為0.2。

經(jīng)過近80年的研究改進(jìn)，汽車阻力系數(shù)從0.8降至0.137，阻力減小為原來的1/5。目前，在汽車外形設(shè)計(jì)中流體力學(xué)性能研究已占主導(dǎo)地位，合理的外形使汽車具有更好的動(dòng)力學(xué)性能和更低的耗油率。

11現(xiàn)在是11頁\一共有41頁\編輯于星期五3．足球的香蕉球現(xiàn)象足球的香蕉球現(xiàn)象可幫助理解環(huán)量理論。旋轉(zhuǎn)的球帶動(dòng)空氣形成環(huán)流，一側(cè)氣體加速，另一側(cè)減速，形成壓差力，使足球拐彎，稱為馬格努斯效應(yīng)。伯努利原理12現(xiàn)在是12頁\一共有41頁\編輯于星期五4．機(jī)翼升力：來自下部還是上部？

人們的直觀印象是空氣從下面沖擊著鳥的翅膀，把鳥托在空中。

19世紀(jì)初建立的流體力學(xué)環(huán)量理論徹底改變了人們的傳統(tǒng)觀念。機(jī)翼的特殊形狀使它不用旋轉(zhuǎn)就能產(chǎn)生環(huán)量，上部流速加快形成吸力，下部流速減慢形成壓力，兩者合成形成升力。

13現(xiàn)在是13頁\一共有41頁\編輯于星期五測量和計(jì)算表明，上部吸力的貢獻(xiàn)遠(yuǎn)比下部要大。

14現(xiàn)在是14頁\一共有41頁\編輯于星期五5、風(fēng)案、船案-----“流體力學(xué)”斷案。

事情發(fā)生在1982年的美國紐約。一位叫瑪莎的女經(jīng)濟(jì)學(xué)家剛從一座高樓的大門走出，就被突然而來的一陣狂風(fēng)吹倒而摔傷了肩膀。一氣之下，她向紐約市法院提出訴訟，狀告這座大樓的建筑承包商和業(yè)主。大多數(shù)人以為瑪莎的這一舉動(dòng)是無理取鬧，肯定要被法院駁回。

誰知流體力學(xué)幫了這位經(jīng)濟(jì)學(xué)家的忙，瑪莎最終獲得了勝利，這便是著名的“風(fēng)案”。

歷史上還發(fā)生過三起著名的“船案”。不幸的是三位無辜的船長均被錯(cuò)誤地判了重刑。一次是在本世紀(jì)初，法國艦隊(duì)在地中海演習(xí)時(shí)，排水量為11395噸的“勃林奴斯”號(hào)裝甲旗艦用旗語召呼一艘驅(qū)逐艦前來。當(dāng)這艘驅(qū)逐艦高速開來在接近“勃林奴斯”號(hào)右側(cè)不遠(yuǎn)的地方，突然改變方向，一個(gè)急轉(zhuǎn)彎撞在裝甲旗艦的船頭上，前者當(dāng)即被后者劈成兩半而沉沒了。

另一次發(fā)生于1942年10月。一艘排水量為81000噸，長314米的“瑪麗皇后”號(hào)運(yùn)兵船，滿載著15000名美國兵，由巡洋艦“寇拉沙阿”號(hào)和另外6艘驅(qū)逐艦護(hù)航。在它們并列航行中，“寇拉沙阿”號(hào)突然急轉(zhuǎn)彎，與運(yùn)兵船的船頭相撞，“寇拉沙阿”號(hào)被劈為兩半。15現(xiàn)在是15頁\一共有41頁\編輯于星期五5、風(fēng)案、船案-----“流體力學(xué)”斷案。

第三次撞船事故發(fā)生在1912年秋天。當(dāng)時(shí)世界上最大的郵輪“奧林匹克”號(hào)，在大海航行中與一艘比它小得多的鐵甲巡洋艦“哈克”號(hào)平行地疾駛著。突然，小船似乎“服從著一種不可見的力量”，竟扭轉(zhuǎn)船頭對準(zhǔn)大船沖來，結(jié)果與郵輪的右舷相撞，兩條船都受了重傷。與另兩起海上事故一樣，這起“撞船官司”也是由當(dāng)時(shí)的海事法庭審理。法院的判決書說，“奧林匹克”號(hào)的船長犯了嚴(yán)重過失，因?yàn)樗麤]有向其部下發(fā)布任何命令，給橫沖過來的“哈克”號(hào)讓路。按照流體力學(xué)的觀點(diǎn)，這樣的判決純屬無理。當(dāng)然，我們也不能責(zé)怪法官，因?yàn)樵诋?dāng)時(shí)，船在大海里平行前進(jìn)會(huì)發(fā)生互相吸引而產(chǎn)生碰撞事故，尚未引起科學(xué)家的重視。16現(xiàn)在是16頁\一共有41頁\編輯于星期五五、流體力學(xué)的研究方法1.理論方法

理論分析的一般過程是：建立力學(xué)模型，用物理學(xué)基本定律推導(dǎo)流體力學(xué)數(shù)學(xué)方程，用數(shù)學(xué)方法求解方程，檢驗(yàn)和解釋求解結(jié)果。

理論分析結(jié)果能揭示流動(dòng)的內(nèi)在規(guī)律，具有普遍適用性，但分析范圍有限。

理論基礎(chǔ)：1、質(zhì)量守恒原理2、能量守恒原理

3、動(dòng)量定理

4、牛頓三大定律17現(xiàn)在是17頁\一共有41頁\編輯于星期五2.實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)研究的一般過程是：在相似理論的指導(dǎo)下建立模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，用流體測量技術(shù)測量流動(dòng)參數(shù)，處理和分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

典型的流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)有：風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)、水洞實(shí)驗(yàn)、水池實(shí)驗(yàn)等。測量技術(shù)有：熱線、激光測速；粒子圖像、跡線測速；高速攝影；全息照相；壓力、密度測量等?，F(xiàn)代測量技術(shù)在計(jì)算機(jī)、光學(xué)和圖像技術(shù)配合下，在提高空間分辨率和實(shí)時(shí)測量方面已取得長足進(jìn)步。實(shí)驗(yàn)結(jié)果能反映工程中的實(shí)際流動(dòng)規(guī)律，發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象，檢驗(yàn)理論結(jié)果等，但結(jié)果的普適性較差。

18現(xiàn)在是18頁\一共有41頁\編輯于星期五

數(shù)值研究的一般過程是：對流體力學(xué)數(shù)學(xué)方程作簡化和數(shù)值離散化，編制程序作數(shù)值計(jì)算，將計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較。

常用的方法有：有限差分法、有限元法、有限體積法、邊界元法、譜分析法等。計(jì)算的內(nèi)容包括：飛機(jī)、汽車、河道、橋梁、渦輪機(jī)等流場計(jì)算；湍流、流動(dòng)穩(wěn)定性、非線性流動(dòng)等數(shù)值模擬。大型工程計(jì)算軟件已成為研究工程流動(dòng)問題的有力武器。

數(shù)值方法的優(yōu)點(diǎn)是能計(jì)算理論分析方法無法求解的數(shù)學(xué)方程，比實(shí)驗(yàn)方法省時(shí)省錢，但畢竟是一種近似解方法，適用范圍受數(shù)學(xué)模型的正確性和計(jì)算機(jī)的性能所限制。l

三種方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，應(yīng)取長補(bǔ)短，互為補(bǔ)充。

3.數(shù)值方法19現(xiàn)在是19頁\一共有41頁\編輯于星期五§1.2

作用在流體上的力一、質(zhì)量力質(zhì)量力是作用于流體的每一個(gè)質(zhì)點(diǎn)上的力對于均質(zhì)流體，質(zhì)量力與體積成正比，又稱體積力或超距力質(zhì)量力包括重力和慣性力單位質(zhì)量所受到的質(zhì)量力稱為單位質(zhì)量力，用f表示對于均質(zhì)流體單位質(zhì)量重力（X，Y，Z）=（0，0，-g)

單位質(zhì)量慣性力§1.2

作用在流體上的力20現(xiàn)在是20頁\一共有41頁\編輯于星期五二、表面力表面力是作用在流體表面或截面上且與作用面的面積成正比的力，表面力又稱面積力或接觸力表面力包括壓力和切力作用于單位面積上的壓力稱為壓強(qiáng)，以p表示作用于單位面積上的切力稱為切應(yīng)力，以τ表示壓強(qiáng)和切應(yīng)力的單位：N/m2（Pa），kN/m2（kPa）21現(xiàn)在是21頁\一共有41頁\編輯于星期五§1.3

流體的主要力學(xué)性質(zhì)一、慣性慣性是物體保持其原有運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的一種性質(zhì)表示慣性大小的物理量是質(zhì)量，質(zhì)量的單位為g或kg水的密度ρ=1000㎏/m3水銀的密度ρ=13.6×1000㎏/m3均質(zhì)流體的密度非均質(zhì)流體的密度物體反抗改變原有運(yùn)動(dòng)狀態(tài)而作用于其他物體上的反作用力稱為慣性力22現(xiàn)在是22頁\一共有41頁\編輯于星期五二、重力特性地球?qū)Φ厍虮砻娓浇矬w的引力稱為重力。用G表示，重力的大小稱為重量G=mg重量的單位為N，kN1N=1㎏·m/s2單位體積的重量是容重

γ=ρg23現(xiàn)在是23頁\一共有41頁\編輯于星期五三、粘滯性流體具有流動(dòng)性流動(dòng)性是流體受切力作用發(fā)生連續(xù)變形的性質(zhì)這種變形亦稱為剪切變形流體在流動(dòng)狀態(tài)下抵抗剪切變形的性質(zhì)稱為流體的粘（滯）性或者說流體內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)間或流層間因相對運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生內(nèi)摩擦力（內(nèi)力）以反抗相對運(yùn)動(dòng)的性質(zhì)稱為流體的粘（滯）性24現(xiàn)在是24頁\一共有41頁\編輯于星期五牛頓內(nèi)摩擦定律實(shí)驗(yàn)證明內(nèi)摩擦力T與兩流層間速度差du和流層的接觸面積A成正比，與流層間距離dy成反比，與流體的種類有關(guān)，與流體的壓力大小無關(guān)動(dòng)力粘滯系數(shù)m，單位：N?s/m2。運(yùn)動(dòng)粘滯系數(shù)ν，單位：為m2/s

流體的運(yùn)動(dòng)粘度和動(dòng)力粘度圓管流25現(xiàn)在是25頁\一共有41頁\編輯于星期五粘性表象平板間流動(dòng)圓管內(nèi)流動(dòng)26現(xiàn)在是26頁\一共有41頁\編輯于星期五速度梯度是速度沿垂直于速度方向y的變化率，單位s-1.可以看出，速度梯度就是直角變形速度，這個(gè)直角變形速度是在切應(yīng)力的作用下發(fā)生的，所以，也稱剪切變形速度。27現(xiàn)在是27頁\一共有41頁\編輯于星期五

粘度的影響因素

1）流體種類。一般地，相同條件下，液體的粘度大于氣體的粘度。2）壓強(qiáng)。對常見的流體，如水、氣體等，m值隨壓強(qiáng)的變化不大，一般可忽略不計(jì)。

3）溫度。是影響粘度的主要因素。當(dāng)溫度升高時(shí)，液體的粘度減小，氣體的粘度增加。a.液體：內(nèi)聚力是產(chǎn)生粘度的主要因素，當(dāng)溫度升高，分子間距離增大，吸引力減小，因而使剪切變形速度所產(chǎn)生的切應(yīng)力減小，所以m值減小。

b.氣體：氣體分子間距離大，內(nèi)聚力很小，所以粘度主要是由氣體分子運(yùn)動(dòng)動(dòng)量交換的結(jié)果所引起的。溫度升高，分子運(yùn)動(dòng)加快，動(dòng)量交換頻繁，所以m值增加。粘滯性產(chǎn)生的原因：28現(xiàn)在是28頁\一共有41頁\編輯于星期五水和空氣的粘滯系數(shù)溫度T(℃)水的動(dòng)力粘度μ（10-3N·s/m2）水的運(yùn)動(dòng)粘度ν（10-6m2/s）空氣的動(dòng)力粘度μ（10-3N·s/m2）空氣的運(yùn)動(dòng)粘度ν（10-6m2/s）05101520253035401.7921.5191.3081.1001.0050.8940.8010.7230.6561.7921.5191.3081.1411.0070.8970.8040.7270.6610.01720.01780.01830.01870.019213.714.715.716.617.629現(xiàn)在是29頁\一共有41頁\編輯于星期五水的運(yùn)動(dòng)粘度與溫度的關(guān)系30現(xiàn)在是30頁\一共有41頁\編輯于星期五例題例1-1兩平行平板間隙δ=1cm，水溫為20℃，下板固定不動(dòng)，上板以u(píng)=2m/s的速度向右運(yùn)動(dòng)。設(shè)流速沿間隙δ按線性分布。試求：（1）切應(yīng)力τ（2）薄板的面積為2m2，薄板的拖曳力。31現(xiàn)在是31頁\一共有41頁\編輯于星期五（1）查表得μ=1.005×10-3N·s/m2

（2）F=T=τ·A=0.201×2=0.402N解：32現(xiàn)在是32頁\一共有41頁\編輯于星期五例1-2氣缸內(nèi)壁的直徑D=12cm，活塞的直徑d=11.96cm，活塞的長度l=14cm，活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)的速度為1m/s，潤滑油液的μ=1P(1P=0.1Pas)，試問作用在活塞上的粘滯力為多少？解：33現(xiàn)在是33頁\一共有41頁\編輯于星期五四、壓縮性和熱脹性壓縮性：T不變時(shí)，P增大，V隨之減小的性質(zhì)。熱脹性：P不變，T升高時(shí)，V增大的性質(zhì)。

1、液體的壓縮性和熱脹性體積壓縮系數(shù)E的單位為N/m2液體的壓縮性很小，一般可將水作為不可壓縮液體處理

β的單位為m2/N

體積彈性模量34現(xiàn)在是34頁\一共有41頁\編輯于星期五液體的熱脹系數(shù)2、氣體的壓縮性和熱脹性氣體具有顯著的壓縮性和熱脹性

當(dāng)氣體運(yùn)動(dòng)速度小于一定的數(shù)值時(shí)，可不考慮其壓縮性。當(dāng)速度為68m/s時(shí)，密度變化為1%；當(dāng)速度為150m/s時(shí)，密度變化為10%35現(xiàn)在是35頁\一共有41頁\編輯于星期五例