流體力學(xué)-第一章

第一章緒論第二章流體靜力學(xué)

第三章流體動(dòng)力學(xué)

第四章理想流體動(dòng)力學(xué)和平面勢流

第五章實(shí)際流體動(dòng)力學(xué)根底第六章量綱分析和相似原理

第七章流動(dòng)阻力和能量損失

第八章邊界層理論根底和繞流運(yùn)動(dòng)

第九章有壓管流

第十章明渠流目錄工程流體力學(xué)〔水力學(xué)〕第一節(jié)工程流體力學(xué)的任務(wù)及其開展簡史一、工程流體力學(xué)的任務(wù)流體力學(xué)是力學(xué)的一個(gè)分支，是研究流體運(yùn)動(dòng)規(guī)律及其應(yīng)用的一門學(xué)科。理論流體力學(xué)側(cè)重于理論，采用嚴(yán)密的數(shù)學(xué)推理方法工程流體力學(xué)側(cè)重于應(yīng)用，解決工程實(shí)際問題現(xiàn)代水力學(xué)〔水力學(xué)〕研究對(duì)象是水流，側(cè)重應(yīng)用第一節(jié)工程流體力學(xué)的任務(wù)及其開展簡史二、工程流體力學(xué)開展簡史〔一〕工程流體力學(xué)的開展經(jīng)歷了三個(gè)階段：(1)古典流體力學(xué)伯努利所提出的液體運(yùn)動(dòng)的能量估計(jì)及歐拉所提出的液體運(yùn)動(dòng)的解析方法，為研究液體運(yùn)動(dòng)的規(guī)律奠定了理論根底，從而在此根底上形成了一門屬于數(shù)學(xué)的古典流體力學(xué)。第一節(jié)工程流體力學(xué)的任務(wù)及其開展簡史二、工程流體力學(xué)開展簡史(2)實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)由于所用數(shù)學(xué)的復(fù)雜性和理想流體模型的局限性，不能滿意地解決工程問題，故形成了以實(shí)驗(yàn)方法來制定經(jīng)驗(yàn)公式的“實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)〞(3)現(xiàn)代水力學(xué)從19世紀(jì)末起，人們將理論分析方法和實(shí)驗(yàn)分析方法相結(jié)合，以解決實(shí)際問題，同時(shí)古典流體力學(xué)和實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)的內(nèi)容也不斷更新變化，在此根底上，最終形成了理論與實(shí)踐并重的研究實(shí)際流體模型的現(xiàn)代流體力學(xué)。第一節(jié)工程流體力學(xué)的任務(wù)及其開展簡史二、工程流體力學(xué)開展簡史〔二〕主要的流體力學(xué)事件：1783年拉格朗日首先引進(jìn)了流函數(shù)的概念。

1826年法國工程師納維，1845年英國數(shù)學(xué)家、物理學(xué)家斯托克思提出了著名的N-S方程。

1738年瑞士數(shù)學(xué)家：伯努利在名著《流體動(dòng)力學(xué)》中提出了伯努利方程。

1755年歐拉在名著《流體運(yùn)動(dòng)的一般原理》中提出理想流體概念，并建立了理想流體根本方程和連續(xù)方程，從而提出了流體運(yùn)動(dòng)的解析方法，同時(shí)提出了速度勢的概念。第一節(jié)工程流體力學(xué)的任務(wù)及其開展簡史二、工程流體力學(xué)開展簡史〔二〕主要的流體力學(xué)事件：1858年亥姆霍茲指出了理想流體中旋渦的許多根本性質(zhì)及旋渦運(yùn)動(dòng)理論，并于1887年提出了脫體繞流理論。1876年雷諾發(fā)現(xiàn)了流體流動(dòng)的兩種流態(tài)：層流和紊流。

19世紀(jì)末，雷諾提出相似理論，實(shí)驗(yàn)和理論分析相結(jié)合

。

1904年普朗特提出了邊界層理論。

20世紀(jì)60年代以后，計(jì)算流體力學(xué)得到了迅速的開展。流體力學(xué)內(nèi)涵不斷地得到了充實(shí)與提高。第一節(jié)工程流體力學(xué)的任務(wù)及其開展簡史二、工程流體力學(xué)開展簡史〔三〕我國水利事業(yè)的歷史：公元前485年，開始修筑南北運(yùn)河。公元前256—公元前210年間，修建了都江堰、鄭國渠、靈渠三大水利工程。特別是李冰父子領(lǐng)導(dǎo)修建的都江堰，既有利于岷江洪水的疏排，又能常年用于灌溉農(nóng)田，并總結(jié)出“深淘灘，低作堰〞、“遇彎截角，逢正抽心〞的治水原那么。說明當(dāng)時(shí)對(duì)明槽水流和堰流流動(dòng)規(guī)律的認(rèn)識(shí)已經(jīng)到達(dá)相當(dāng)水平。西漢武帝〔公元前156-前87〕時(shí)期，為引洛水灌溉農(nóng)田，在黃土高原上修建了龍首渠，創(chuàng)造性地采用了井渠法，即用豎井溝通長十余里的穿山隧洞，有效地防止了黃土的塌方。一、連續(xù)介質(zhì)假設(shè)第二節(jié)連續(xù)介質(zhì)假設(shè)流體的主要物理性質(zhì)工程流體力學(xué)主要研究流體的宏觀運(yùn)動(dòng)，建立流體宏觀物理量之間的關(guān)系式〔1〕從分子和原子微觀出發(fā)，采用統(tǒng)計(jì)平均方法確定流體的物性〔2〕以連續(xù)介質(zhì)假設(shè)為根底〔1753年，歐拉，流體力學(xué)中的一個(gè)帶根本性的假設(shè)〕流體的微觀結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)：離散性、不均勻性和隨機(jī)性流體的宏觀結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)：連續(xù)性、均勻性和確定性大量離散的分子或原子運(yùn)動(dòng)問題，近似為充滿整個(gè)空間流體質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)問題，每個(gè)空間點(diǎn)和每個(gè)時(shí)刻都有確定的物理量，它們都是空間坐標(biāo)和時(shí)間的連續(xù)函數(shù)，可以運(yùn)用數(shù)學(xué)分析來建立和求解宏觀物理量之間的方程。一、連續(xù)介質(zhì)假設(shè)第二節(jié)連續(xù)介質(zhì)假設(shè)流體的主要物理性質(zhì)連續(xù)介質(zhì)假設(shè)：認(rèn)為流體是由比分子大很多的，微觀上充分大，而宏觀上充分小的分子團(tuán)，可以近似地看成幾何上沒有大小和形狀的一個(gè)點(diǎn)的質(zhì)點(diǎn)所組成，質(zhì)點(diǎn)之間沒有空隙，連續(xù)地充滿流體所占有的空間的連續(xù)介質(zhì)。流體質(zhì)點(diǎn)是微觀上足夠大、宏觀上足夠小的分子團(tuán)，流體質(zhì)點(diǎn)所具有的宏觀物理量應(yīng)該遵循物理學(xué)根本定律，如牛頓力學(xué)定律、質(zhì)量和能量守恒定律、熱力學(xué)定律等。流體流體質(zhì)點(diǎn)〔分子團(tuán)〕一、連續(xù)介質(zhì)假設(shè)第二節(jié)連續(xù)介質(zhì)假設(shè)流體的主要物理性質(zhì)分子團(tuán)的尺度：〔1〕微觀充分大：和分子運(yùn)動(dòng)的尺度相比應(yīng)足夠的大，對(duì)分子團(tuán)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)平均后能得到穩(wěn)定的數(shù)值〔2〕宏觀充分?。汉退芯繂栴}的特征尺度相比又要充分的小，使得分子團(tuán)內(nèi)平均物理量可看成是均勻不變的，可以把它近似看成幾何上沒有維度的一個(gè)點(diǎn)。統(tǒng)計(jì)平均的時(shí)間：〔１〕微觀上充分長：分子碰撞已進(jìn)行了許屢次，統(tǒng)計(jì)平均能得到穩(wěn)定的數(shù)值〔２〕宏觀上充分小：比特征時(shí)間短得多，可以把進(jìn)行統(tǒng)計(jì)平均的時(shí)間看成一個(gè)瞬間。一、連續(xù)介質(zhì)假設(shè)第二節(jié)連續(xù)介質(zhì)假設(shè)流體的主要物理性質(zhì)應(yīng)用條件：〔１〕在一般情況下是被允許的。10-9cm3的體積內(nèi)，氣體有近3×1010個(gè)分子，水3×101３個(gè)分子10-6s時(shí)間內(nèi)，氣體分子要碰撞1014次?！玻病吃谀承┣闆r，如高空的稀薄氣體不能作為連續(xù)介質(zhì)來處理，一般認(rèn)為海拔高度為50km以上的高空大氣不作為連續(xù)介質(zhì)。二、流體的主要物理性質(zhì)第二節(jié)連續(xù)介質(zhì)假設(shè)流體的主要物理性質(zhì)(1)易流動(dòng)性(2)質(zhì)量密度重量(3)輸運(yùn)性質(zhì)粘性熱傳導(dǎo)擴(kuò)散(4)壓縮性和膨脹性(5)外表張力特性(6)汽化壓強(qiáng)二、流體的主要物理性質(zhì)第二節(jié)連續(xù)介質(zhì)假設(shè)流體的主要物理性質(zhì)非均質(zhì)流體密度

１易流動(dòng)性：流體在靜止時(shí)不能承受剪力、抵抗剪切變形的性質(zhì)稱為易流動(dòng)性。不能抵抗拉力，而只能抵抗對(duì)它的壓力。２質(zhì)量密度重量表示物體慣性大小的物理量是質(zhì)量。單體體積均質(zhì)液體所具有的質(zhì)量，稱為密度。均質(zhì)流體密度

重量

第二節(jié)連續(xù)介質(zhì)假設(shè)流體的主要物理性質(zhì)二、流體的主要物理性質(zhì)一個(gè)任意的流體系統(tǒng)，無論初始的宏觀性質(zhì)如何，只要外界對(duì)它沒有作用和影響，經(jīng)過一定時(shí)間后，系統(tǒng)必將到達(dá)一個(gè)穩(wěn)定的、宏觀性質(zhì)不隨時(shí)間變化的狀態(tài)。這種狀態(tài)稱平衡態(tài)。流體由非平衡態(tài)轉(zhuǎn)向平衡態(tài)時(shí)物理量的傳遞性質(zhì)，稱為流體的輸運(yùn)性質(zhì)。主要介紹動(dòng)量輸運(yùn)，熱量〔能量〕輸運(yùn)、質(zhì)量輸運(yùn)。宏觀上看，分別表現(xiàn)為粘滯現(xiàn)象〔粘性〕、傳熱現(xiàn)象〔熱傳導(dǎo)〕和擴(kuò)散現(xiàn)象〔擴(kuò)散〕。為了描述流體系統(tǒng)的非平衡態(tài)，一般都采用局域平衡假設(shè)，將系統(tǒng)劃分成很多很小的區(qū)域，每一個(gè)這樣的小區(qū)域處于平衡態(tài)，可以用確定的參量來描述。3輸運(yùn)性質(zhì)粘性熱傳導(dǎo)擴(kuò)散第二節(jié)液體的根本特性和主要物理力學(xué)性質(zhì)輸運(yùn)性質(zhì)粘性熱傳導(dǎo)擴(kuò)散

流體運(yùn)動(dòng)時(shí)，具有抵抗剪切力變形能力的性質(zhì)，稱為粘性。當(dāng)某流層對(duì)其相鄰流層發(fā)生相對(duì)位移而引起剪切變形時(shí)，流體流層間也有摩擦力，稱流體的內(nèi)摩擦力〔粘滯力〕。牛頓平板實(shí)驗(yàn)所得的流體粘性及其規(guī)律—流體〔牛頓〕內(nèi)摩擦定律。兩塊水平放置的水平平板，平板間距ｈ甚小，平板面積Ａ足夠大下平板固定不動(dòng)，上平板受水平力Ｆ的作用，在自身平面內(nèi)以等速ｕ向右移動(dòng)。〔1〕粘性上平板對(duì)流體的力Ｆ和下部流體對(duì)上部流體的切力Fs下部流體受上部流體所施加的同樣大小而方向與Fs相反的力。上、下部流體相互作用在ｙ處平面上的這一對(duì)切力，即為內(nèi)摩擦力，這個(gè)力一直傳遞到下平板。運(yùn)動(dòng)粘度，單位m2/s第二節(jié)液體的根本特性和主要物理力學(xué)性質(zhì)流體〔牛頓〕內(nèi)摩擦定律：單位面積的切力

是與流體粘性有關(guān)的一個(gè)系數(shù)，稱粘度〔或動(dòng)力粘度〕，單位為Pa·s。隨流體的種類而不同，且隨流體的壓強(qiáng)和溫度而發(fā)生變化。第二節(jié)液體的根本特性和主要物理力學(xué)性質(zhì)速度梯度實(shí)際上是流體微元的剪切變形角速度。速度梯度du/dy就是直角變形速度。凡符合牛頓內(nèi)摩擦定律的流體，稱牛頓流體，如水，空氣，汽油，煤油，乙醇等牛頓內(nèi)摩擦定律只適用于流體質(zhì)點(diǎn)作有條不紊的線狀運(yùn)動(dòng)，彼此互不混摻的流動(dòng)，而且對(duì)某些特殊流體亦不適用。牛頓內(nèi)摩擦定律只適用于牛頓流體和層流運(yùn)動(dòng)。凡不符合的流體稱為非牛頓流體，如聚合物液體、泥漿、血漿等。理想流體：假想的無粘性流體第二節(jié)液體的根本特性和主要物理力學(xué)性質(zhì)〔1〕粘性圓筒側(cè)壁上所受的切應(yīng)力相應(yīng)產(chǎn)生的力矩為圓筒底壁上所受的切應(yīng)力相應(yīng)產(chǎn)生的力矩轉(zhuǎn)動(dòng)力矩液體粘度第二節(jié)液體的根本特性和主要物理力學(xué)性質(zhì)流體中的傳熱現(xiàn)象，根據(jù)它產(chǎn)生的物理原因，有熱傳導(dǎo)、熱輻射和熱對(duì)流由于流體的分子熱運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的傳熱現(xiàn)象為熱傳導(dǎo)，靜水和運(yùn)動(dòng)流體都存在。由于流體電磁波輻射而產(chǎn)生的傳熱現(xiàn)象為熱輻射，靜水和運(yùn)動(dòng)流體都存在。由于流體宏觀運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的為熱對(duì)流，僅在運(yùn)動(dòng)流體中存在?！?〕熱傳導(dǎo)為熱傳導(dǎo)的傅里葉定律，qH表示單位時(shí)間通過單位面積的熱量。dT/dy流體中溫度沿y軸的空間變化率為熱導(dǎo)率或?qū)嵯禂?shù)第二節(jié)液體的根本特性和主要物理力學(xué)性質(zhì)〔2〕熱傳導(dǎo)熱傳導(dǎo)規(guī)律—傅里葉定律實(shí)驗(yàn)證明，在單位時(shí)間內(nèi)，從溫度較高的一側(cè)所傳遞的熱量QH與這一指定平面所在處的溫度梯度〔不太大的情況下〕成正比，也與指定面積大小成正比第二節(jié)液體的根本特性和主要物理力學(xué)性質(zhì)流體中的傳質(zhì)現(xiàn)象，根據(jù)它產(chǎn)生的物理原因，有分子擴(kuò)散、移流擴(kuò)散、湍動(dòng)擴(kuò)散一種是流體中沒有其他物質(zhì)成分的單組分流體，可稱單相流體或單相體。因其密度不同，由于流體的分子運(yùn)動(dòng)，將質(zhì)量從密度大的地方向密度小的地方擴(kuò)散，稱自擴(kuò)散?！?〕擴(kuò)散分子擴(kuò)散，根據(jù)流體組成的成分有兩種情況。另一種是流體中有其他物質(zhì)成分的兩種組分的混合體，可稱兩相混合流體或兩相體，例如兩不相混的液體或氣體等。由于兩相體中兩種物質(zhì)成分各自密度在各處不同，或僅其中一種物質(zhì)成分的密度在各處不同，相互在另一種物質(zhì)中擴(kuò)散，這種擴(kuò)散稱互擴(kuò)散。〔3〕擴(kuò)散：分子擴(kuò)散自擴(kuò)散：單位時(shí)間通過單位面積傳遞的質(zhì)量D為自擴(kuò)散系數(shù)，單位m2/s。在實(shí)際工程中，流體的自擴(kuò)散一般不予考慮?；U(kuò)散：僅考慮A種成分〔如污染物〕在B種成分中擴(kuò)散的情況。DAB為兩相體中A種成分在B種成分中的擴(kuò)散系數(shù)，其值一般由實(shí)驗(yàn)確定。斐克第一擴(kuò)散定律〔3〕擴(kuò)散：分子擴(kuò)散二、流體的主要物理性質(zhì)第二節(jié)連續(xù)介質(zhì)假設(shè)流體的主要物理性質(zhì)壓縮性和膨脹性當(dāng)作用在流體上的壓強(qiáng)增大時(shí)，體積減小、密度增大；壓強(qiáng)減小時(shí)，其體積增大、密度減小的性質(zhì)，稱流體的壓縮性，又稱為流體的彈性。當(dāng)流體所受的溫度升高時(shí)，體積膨脹、密度減??；溫度降低時(shí)體積收縮、密度增大的性質(zhì)稱為膨脹性。第二節(jié)液體的根本特性和主要物理力學(xué)性質(zhì)〔1〕液體的壓縮性和膨脹性〔體積〕壓縮系數(shù)彈性模量(體積)膨脹系數(shù)第二節(jié)液體的根本特性和主要物理力學(xué)性質(zhì)〔1〕液體的壓縮性和膨脹性第二節(jié)液體的根本特性和主要物理力學(xué)性質(zhì)壓縮性和膨脹性

〔2〕氣體的壓縮性和膨脹性在溫度不過低、壓強(qiáng)不過高時(shí)，氣體壓強(qiáng)、溫度與比體積〔密度的倒數(shù)〕或密度之間的關(guān)系服從完全氣體。等溫過程壓縮系數(shù)絕熱過程壓縮系數(shù)等壓過程膨脹系數(shù)第二節(jié)液體的根本特性和主要物理力學(xué)性質(zhì)外表張力特性在液體自由外表的分子作用半徑范圍內(nèi)，由于分子引力大于斥力，在表層沿外表方向產(chǎn)生張力，這種張力稱外表張力。液體與氣體相接觸的周界面

液體與固體接觸的周界面

兩種不同液體接觸的周界面

是自由外表上單位長度上所受的張力，隨液體的種類、溫度以及與它外表接觸的物質(zhì)而變化。水水銀二、流體的主要物理性質(zhì)第二節(jié)連續(xù)介質(zhì)假設(shè)流體的主要物理性質(zhì)液體分子逸出液面，向空間擴(kuò)散的過程稱氣化，液體氣化為蒸汽。汽化的逆過程稱凝結(jié)，蒸汽凝結(jié)為液體。在封閉容器中的液體，汽化與凝結(jié)同時(shí)存在，當(dāng)這兩個(gè)過程到達(dá)動(dòng)平衡時(shí)，即單位時(shí)間內(nèi)汽化的分子數(shù)等于凝結(jié)的分子數(shù)時(shí)，宏觀的汽化現(xiàn)象亦即停止。此時(shí)容器中的蒸汽稱為飽和蒸汽，相應(yīng)的壓強(qiáng)稱為飽和蒸汽壓強(qiáng)或汽化壓強(qiáng)。汽化壓強(qiáng)一、質(zhì)量力

第三節(jié)作用在流體上的力作用在隔離體內(nèi)每一個(gè)流體質(zhì)點(diǎn)上，其大小與質(zhì)量成〔正〕比例的力，稱質(zhì)量力，如重力、慣性力。單位質(zhì)量力作用在流體上的質(zhì)量力，常用單位質(zhì)量力來度量。二、外表力第三節(jié)作用于液體上的力作用于隔離體流體的外表，和作用的面積成〔正〕比例的力，稱外表力。外表力可分為垂直于作用面的壓力和沿作用面方向的切力。壓力－液體單位面積上所受的壓力稱為壓強(qiáng)切力－液體單位面積上的所受的切力稱為切應(yīng)力一、理論分析方法第四節(jié)工程流體力學(xué)的研究方法1.微元〔體〕分析法微元分析法