流體力學(xué)第一章

流體力學(xué)第一章第1頁，共28頁，2023年，2月20日，星期一第一章緒論第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，2023年，2月20日，星期一第一章緒論第1章 緒論(2學(xué)時(shí))一、本章學(xué)習(xí)要點(diǎn):

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(diǎn)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，2023年，2月20日，星期一第一章緒論§1.1概述一、自然界物質(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(dòng)；流體則隨盛器而方圓，且易流動(dòng)。(2).從力學(xué)分析的角度看，在于兩者對(duì)外力抵抗的能力不同。第4頁，共28頁，2023年，2月20日，星期一第一章緒論固體：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，2023年，2月20日，星期一第一章緒論二、流體力學(xué)的分類1.按研究內(nèi)容的側(cè)重點(diǎn)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(shí)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，2023年，2月20日，星期一第一章緒論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(yùn)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(shí)際不盡相符。實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)：依靠實(shí)驗(yàn)方法制定一些經(jīng)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)方法相結(jié)合，理論與實(shí)驗(yàn)并重。第7頁，共28頁，2023年，2月20日，星期一第一章緒論三、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(yùn)動(dòng)規(guī)律及其實(shí)際應(yīng)用。第8頁，共28頁，2023年，2月20日，星期一第一章緒論4.研究內(nèi)容：包括基礎(chǔ)理論和實(shí)際應(yīng)用的研究。其中:2）.實(shí)際應(yīng)用方面的研究有流體靜力學(xué)理論流體動(dòng)力學(xué)理論流體實(shí)驗(yàn)分析理論流體阻力與水頭損失理論有壓管道水力計(jì)算明渠水力計(jì)算堰、閘（孔）、橋、涵水力計(jì)算工程滲流計(jì)算1）.基礎(chǔ)理論方面的研究有第9頁，共28頁，2023年，2月20日，星期一第一章緒論四、工程流體力學(xué)的研究方法

一般有理論分析、實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值模擬三種。1.理論分析：通過運(yùn)用數(shù)學(xué)方法求解理論模型來揭示流體運(yùn)動(dòng)的規(guī)律。但許多實(shí)際問題尚難以從數(shù)學(xué)上精確求解。2.實(shí)驗(yàn)研究：通過對(duì)具體流動(dòng)的觀測來認(rèn)識(shí)流體運(yùn)動(dòng)的規(guī)律。3.數(shù)值模擬（或稱數(shù)值實(shí)驗(yàn)）：通過運(yùn)用數(shù)值方法將理論模型離散成數(shù)值模型，用計(jì)算機(jī)求解數(shù)值模型來揭示流體運(yùn)動(dòng)的規(guī)律。第10頁，共28頁，2023年，2月20日，星期一第一章緒論五、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(jì)；城市防洪工程設(shè)計(jì)；取水工程、凈水工程設(shè)計(jì)等。2.交通土建工程：路基、站場排水設(shè)計(jì)；橋涵孔徑水力設(shè)計(jì)；隧道及地下工程通風(fēng)及排水設(shè)計(jì);高速鐵(公)路隧道洞形設(shè)計(jì)等。3.建筑工程：室內(nèi)給排水設(shè)計(jì)；地基降水及抗?jié)B設(shè)計(jì)等。第11頁，共28頁，2023年，2月20日，星期一第一章緒論§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(yùn)動(dòng)的分子所組成，分子間存有空隙，物理量在空間和時(shí)間上都是不連續(xù)的。但在標(biāo)準(zhǔn)狀況下，1cm3液體含有3.3×1022個(gè)分子，分子間距離為3.1×10-8cm；1cm3氣體含有2.7×1019個(gè)分子。分子間距離為3.2×10-7cm。

宏觀：一般工程中，所研究流體的空間尺度和時(shí)間尺度要比分子距離和分子碰撞時(shí)間大得多。錄像第12頁，共28頁，2023年，2月20日，星期一第一章緒論1.定義2.優(yōu)點(diǎn)連續(xù)介質(zhì)：質(zhì)點(diǎn)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(shí)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(yùn)動(dòng)的復(fù)雜性。物理量作為時(shí)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(dòng)問題。第13頁，共28頁，2023年，2月20日，星期一第一章緒論§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：ρ=1000kg/m3。水銀的密度常用值：ρ=13600kg/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，2023年，2月20日，星期一第一章緒論二、粘性（粘滯性）粘性：流體在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下抵抗剪切變形的性質(zhì)。1.牛頓平板實(shí)驗(yàn)當(dāng)h和u不是很大時(shí)，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，2023年，2月20日，星期一第一章緒論2.牛頓內(nèi)摩擦定律

引入比例系數(shù)μ，則得著名的牛頓內(nèi)摩擦定律：實(shí)驗(yàn)表明，對(duì)于大多數(shù)流體，存在第16頁，共28頁，2023年，2月20日，星期一第一章緒論(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(dòng)的內(nèi)聚力和分子的動(dòng)量交換引起的。1)粘度系數(shù)動(dòng)力粘度μ：SI單位為N·s/m2或pa·s。運(yùn)動(dòng)粘度ν：SI單位為m2/s。其計(jì)算式：第17頁，共28頁，2023年，2月20日，星期一第一章緒論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(duì)常見流體，如水、氣體等，影響不大，一般可忽略不計(jì)。

溫度：主要影響因素。當(dāng)溫度升高時(shí)，液體的粘度減小，氣體的粘度增大。第18頁，共28頁，2023年，2月20日，星期一第一章緒論

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(yùn)動(dòng)引起的動(dòng)量交換是產(chǎn)生粘度的主要因素。

溫度↑→分子熱運(yùn)動(dòng)↑→動(dòng)量交換↑→內(nèi)摩擦力↑→粘度↑

第19頁，共28頁，2023年，2月20日，星期一第一章緒論(2)

的含義

1)

數(shù)學(xué)上：為沿流體運(yùn)動(dòng)法線方向的流速梯度。2)

物理上：為運(yùn)動(dòng)流體相鄰兩流層的剪

切變形速率。第20頁，共28頁，2023年，2月20日，星期一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，2023年，2月20日，星期一第一章緒論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、新拌混凝土等。第22頁，共28頁，2023年，2月20日，星期一第一章緒論實(shí)際流體：具有粘性的流體（μ≠0）。粘性是流體的固有屬性。理想流體：忽略粘性的流體（μ=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（μ=0）均不產(chǎn)生切應(yīng)力，即τ=0。4.實(shí)際流體與理想流體第23頁，共28頁，2023年，2月20日，星期一第一章緒論三、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(shí)際流體都是可壓縮的。液體的壓縮性很小，如水的相對(duì)壓縮值約1/20000。故一般工程設(shè)計(jì)中，認(rèn)為水的壓縮可以忽略，其密度可視為常數(shù)。第24頁，共28頁，2023年，2月20日，星期一第一章緒論四、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(dòng)上升或下降一個(gè)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，2023年，2月20日，星期一第一章緒論§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，2023年，