流體力學多媒體

流體力學多媒體課件第1頁，共27頁，2023年，2月20日，星期一緒論流體力學是研究流體機械運動規(guī)律及其應用的科學，是力學的一個重要分支。流體力學研究的對象——液體和氣體。第2頁，共27頁，2023年，2月20日，星期一流體力學發(fā)展簡史流體力學的研究方法作用在流體上的力流體的主要物理性質(zhì)流體力學的模型第3頁，共27頁，2023年，2月20日，星期一流體力學發(fā)展簡史第一階段（16世紀以前）：流體力學形成的萌芽階段第二階段（16世紀文藝復興以后-18世紀中葉）流體力學成為一門獨立學科的基礎(chǔ)階段第三階段（18世紀中葉-19世紀末）流體力學沿著兩個方向發(fā)展——歐拉、伯努利第四階段（19世紀末以來）流體力學飛躍發(fā)展第4頁，共27頁，2023年，2月20日，星期一第一階段（16世紀以前）：流體力學形成的萌芽階段公元前2286年－公元前2278年大禹治水——疏壅導滯（洪水歸于河）公元前300多年

李冰都江堰——深淘灘，低作堰公元584年－公元610年隋朝南北大運河、船閘應用埃及、巴比倫、羅馬、希臘、印度等地水利、造船、航海產(chǎn)業(yè)發(fā)展系統(tǒng)研究古希臘哲學家阿基米德《論浮體》（公元前250年）奠定了流體靜力學的基礎(chǔ)第5頁，共27頁，2023年，2月20日，星期一返回第6頁，共27頁，2023年，2月20日，星期一第二階段（16世紀文藝復興以后-18世紀中葉）流體力學成為一門獨立學科的基礎(chǔ)階段1586年斯蒂芬——水靜力學原理1650年帕斯卡——“帕斯卡原理”1612年伽利略——物體沉浮的基本原理1686年牛頓——牛頓內(nèi)摩擦定律1738年伯努利——理想流體的運動方程即伯努利方程1775年歐拉——理想流體的運動方程即歐拉運動微分方程第7頁，共27頁，2023年，2月20日，星期一第三階段（18世紀中葉-19世紀末）流體力學沿著兩個方向發(fā)展——歐拉（理論）、伯努利（實驗）工程技術(shù)快速發(fā)展，提出很多經(jīng)驗公式1769年謝才——謝才公式（計算流速、流量）1895年曼寧——曼寧公式（計算謝才系數(shù)）1732年比托——比托管（測流速）1797年文丘里——文丘里管（測流量）理論1823年納維，1845年斯托克斯分別提出粘性流體運動方程組（N-S方程）第8頁，共27頁，2023年，2月20日，星期一第四階段（19世紀末以來）流體力學飛躍發(fā)展理論分析與試驗研究相結(jié)合量綱分析和相似性原理起重要作用1883年雷諾——雷諾實驗（判斷流態(tài)）1903年普朗特——邊界層概念（繞流運動）1933-1934年尼古拉茲——尼古拉茲實驗（確定阻力系數(shù)）……流體力學與相關(guān)的鄰近學科相互滲透，形成很多新分支和交叉學科第9頁，共27頁，2023年，2月20日，星期一流體力學的研究方法理論分析方法、實驗方法、數(shù)值方法相互配合，互為補充理論研究方法力學模型→物理基本定律→求解數(shù)學方程→分析和揭示本質(zhì)和規(guī)律實驗方法相似理論→模型實驗裝置數(shù)值方法計算機數(shù)值方法是現(xiàn)代分析手段中發(fā)展最快的方法之一第10頁，共27頁，2023年，2月20日，星期一作用在流體上的力1.質(zhì)量力：作用在所研究的流體質(zhì)量中心，與質(zhì)量成正比重力慣性力單位質(zhì)量力重力第11頁，共27頁，2023年，2月20日，星期一2.表面力：外界對所研究流體表面的作用力，作用在外表面，與表面積大小成正比應力切線方向：切向應力——剪切力內(nèi)法線方向：法向應力——壓強ΔFΔAΔFnΔFτ表面力具有傳遞性流體相對運動時因粘性而產(chǎn)生的內(nèi)摩擦力第12頁，共27頁，2023年，2月20日，星期一流體的主要物理性質(zhì)

慣性、粘性、壓縮（膨脹）性1.慣性密度常見的密度（在一個標準大氣壓下）：4℃時的水20℃時的空氣容重（重度）比重第13頁，共27頁，2023年，2月20日，星期一2.粘性：在外力作用下，流體微元間出現(xiàn)相對運動時，隨之產(chǎn)生阻抗相對運動的內(nèi)摩擦力微觀機制：分子間吸引力、分子不規(guī)則運動的動量交換牛頓內(nèi)摩擦定律：切應力：zvv+dvvxzdzy第14頁，共27頁，2023年，2月20日，星期一a.速度梯度的物理意義——角變形速度（剪切變形速度）vdt(v+dv)dtdvdtdzdθ流體與固體在摩擦規(guī)律上完全不同正比于dv/dz正比于正壓力，與速度無關(guān)第15頁，共27頁，2023年，2月20日，星期一b.動力粘度（系數(shù)）μ：與流體性質(zhì)有關(guān)Pa·S運動粘度（系數(shù)）：m２/s微觀機制：液體吸引力T↑μ↓氣體熱運動T↑μ↑第16頁，共27頁，2023年，2月20日，星期一τdv/dz牛頓流體o牛頓流體——服從牛頓內(nèi)摩擦定律的流體（水、大部分輕油、氣體等）c.牛頓流體與非牛頓流體第17頁，共27頁，2023年，2月20日，星期一ττ0dv/dzo塑性流體非牛頓流體塑性流體——克服初始應力τ0后，τ才與速度梯度成正比（牙膏、新拌水泥砂漿、中等濃度的懸浮液等）第18頁，共27頁，2023年，2月20日，星期一τdv/dzo擬塑性流體擬塑性流體——τ的增長率隨dv/dz的增大而降低（高分子溶液、紙漿、血液等）第19頁，共27頁，2023年，2月20日，星期一τdv/dzo膨脹型流體膨脹型流體——τ的增長率隨dv/dz的增大而增加（淀粉糊、挾沙水流）第20頁，共27頁，2023年，2月20日，星期一ττ0dv/dzo膨脹型流體牛頓流體擬塑性流體塑性流體第21頁，共27頁，2023年，2月20日，星期一例：汽缸內(nèi)壁的直徑D=12cm，活塞的直徑d=11.96cm，活塞長度L=14cm，活塞往復運動的速度為1m/s，潤滑油的μ

=0.1Pa·s。求作用在活塞上的粘性力。解：注意：面積、速度梯度的取法dDL第22頁，共27頁，2023年，2月20日，星期一例：旋轉(zhuǎn)圓筒粘度計，外筒固定，內(nèi)筒轉(zhuǎn)速n=10r/min。內(nèi)外筒間充入實驗液體。內(nèi)筒r1=1.93cm，外筒r2=2cm，內(nèi)筒高h=7cm，轉(zhuǎn)軸上扭距M=0.0045N·m。求該實驗液體的粘度。解：注意：1.面積A的取法；2.單位統(tǒng)一hnr1r2得第23頁，共27頁，2023年，2月20日，星期一3.壓縮（膨脹）性a.壓縮系數(shù)β在一定溫度下，密度的變化率與壓強的變化成正比——體積模量（彈性模量）b.膨脹系數(shù)α在一定壓強下，體積的變化率與溫度的變化成正比第24頁，共27頁，2023年，2月20日，星期一c.氣體理想氣體狀態(tài)方程R——氣體常數(shù)空氣R=8.31/0.029=287J/kg·K等溫過程：壓縮系數(shù)等壓過程：膨脹系數(shù)絕熱過程：壓縮系數(shù)低速（標準狀態(tài)，v<68m/s）氣流可按不可壓縮流體處理第25頁，共27頁，2023年，2月20日，星期一表面張力和毛細現(xiàn)象1.表面張力σ：由分子的內(nèi)聚力引起單位：N/m發(fā)生在液氣接觸的周界、液固接觸的周界、不同液體接觸的周界2.毛細現(xiàn)象：液固接觸液固間附著力大于液體