《流體力學(xué)與流體機(jī)械》 課件 1-模塊一 流體的性質(zhì)

流體力學(xué)與流體機(jī)械演講人模塊一

流體的性質(zhì)模塊一流體的性質(zhì)在研究流體運(yùn)動(dòng)之前，必須先了解流體及物理、力學(xué)性質(zhì)以及流體上的作用力及其影響因素。本模塊首先介紹流體力學(xué)的研究方法及主要任務(wù)；其次介紹表征流體慣性的密度和重度，論述反映流體物理性質(zhì)的壓縮性、膨脹性及影響流體流動(dòng)和阻力特性的黏性；最后介紹了作用在流體上的力的分類及其特性等。項(xiàng)目一

流體力學(xué)及其任務(wù)項(xiàng)目一流體力學(xué)及其任務(wù)【學(xué)習(xí)目標(biāo)】了解流體力學(xué)的研究對象、研究方法、主要任務(wù)及發(fā)展現(xiàn)狀；

掌握流體的特征和對微觀流體的處理方法——連續(xù)介質(zhì)假說。連續(xù)介質(zhì)模型

連續(xù)介質(zhì)模型概念：

流體力學(xué)是研究流體的機(jī)械運(yùn)動(dòng)規(guī)律及其應(yīng)用的科學(xué)，是力學(xué)的分支學(xué)科。主要研究流體在平衡和運(yùn)動(dòng)時(shí)的壓力分布、速度分布、與固體之間的相互作用以及流動(dòng)過程中的能量損失等。流體力學(xué)的內(nèi)容包括三個(gè)基本部分：流體靜力學(xué)、流體運(yùn)動(dòng)學(xué)和流體動(dòng)力學(xué)。目前流體力學(xué)已經(jīng)發(fā)展出許多分支，如：《環(huán)境流體力學(xué)》、《化學(xué)流體力學(xué)》、《高溫氣體力學(xué)》、《非牛頓流體力學(xué)》、《工業(yè)流體力學(xué)》、《流體動(dòng)力學(xué)》、《空氣動(dòng)力學(xué)》、《實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)》等。在公路與橋梁工程，地下建筑、巖土工程、水工建筑、礦井建筑等土木工程等各個(gè)分支中，也只有掌握好流體的各種力學(xué)性質(zhì)和運(yùn)動(dòng)規(guī)律，才能有效地、正確地解決工程實(shí)際中所遇到的各種流體力學(xué)問題。連續(xù)介質(zhì)假說

在流體力學(xué)中假設(shè)流體是一種由密集質(zhì)點(diǎn)（大小與流動(dòng)空間相比微不足道，又含有大量分子、具有一定質(zhì)量的流體微元）組成、內(nèi)部無空隙的連續(xù)體。流體力學(xué)研究流體宏觀機(jī)械運(yùn)動(dòng)的規(guī)律，也就是大量分子隨機(jī)平均的規(guī)律性。1755年瑞士數(shù)學(xué)家和力學(xué)家歐拉首先提出，把流體當(dāng)作是由密集質(zhì)點(diǎn)構(gòu)成的、內(nèi)部無間隙的連續(xù)流體來研究，這就是連續(xù)介質(zhì)假設(shè)。提出連續(xù)介質(zhì)假設(shè)，是為了擺脫分子運(yùn)動(dòng)的復(fù)雜性，對流體物質(zhì)結(jié)構(gòu)的簡化。按連續(xù)介質(zhì)假設(shè)，流體運(yùn)動(dòng)物理量都可視為空間坐標(biāo)的時(shí)間變量的連續(xù)函數(shù)，這樣就能用數(shù)學(xué)分析方法來研究流體運(yùn)動(dòng)連續(xù)介質(zhì)，假設(shè)用于一般流動(dòng)是合理有效的。但是對于某些特殊問題，如研究在高空稀薄氣體中的物體運(yùn)動(dòng)，分子平均自由程度很大，與物體特征長度尺度相比為同量級，則不能使稀薄氣體為連續(xù)介質(zhì)。連續(xù)介質(zhì)模型

連續(xù)介質(zhì)模型就是利用連續(xù)介質(zhì)假定所建立的模型。在這個(gè)模型中，不關(guān)注分子的存在和分子的運(yùn)動(dòng)，所關(guān)心的只是連續(xù)分布的質(zhì)點(diǎn)，這些質(zhì)點(diǎn)固然是由分子所組成，但它不反映個(gè)別分子的運(yùn)動(dòng)，卻反映并代表整體分子運(yùn)動(dòng)的統(tǒng)計(jì)平均特性。當(dāng)引用這樣的模型——連續(xù)介質(zhì)來代替所研究的流體時(shí)，則流體中的一切力學(xué)特性如速度、壓力、密度等都可看作為空間位置坐標(biāo)的連續(xù)函數(shù)，使我們在解決流體力學(xué)問題時(shí)，就有可能利用數(shù)學(xué)工具來處理。流體力學(xué)的研究方法

同一切的科學(xué)研究方法一樣，流體力學(xué)的研究方法也是從實(shí)踐到理論再到實(shí)踐的研究方法，要經(jīng)過不斷而反復(fù)的過程，才能使流體力學(xué)得以不斷地發(fā)展和提高。流體力學(xué)的研究方法主要有為理論分析法、科學(xué)實(shí)驗(yàn)法和數(shù)值計(jì)算法三種。理論分析法

通過對流體物理性質(zhì)和流動(dòng)特征的科學(xué)抽象，提出合理的理論模型。對這樣的理論模型，根據(jù)物質(zhì)機(jī)械運(yùn)動(dòng)的普遍規(guī)律，建立控制流體運(yùn)動(dòng)的閉合方程組，將實(shí)際的流動(dòng)問題，轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)問題，在相應(yīng)的邊界條件和初始條件下求解。理論研究方法的關(guān)鍵在于提出理論模型，并能運(yùn)用數(shù)學(xué)方法求出理論結(jié)果，達(dá)到揭示運(yùn)動(dòng)規(guī)律的目的。但由于數(shù)學(xué)上的困難，許多實(shí)際流動(dòng)問題還難以精確求解。科學(xué)實(shí)驗(yàn)法

科學(xué)實(shí)驗(yàn)法借助于科學(xué)實(shí)驗(yàn)，對流體進(jìn)行觀測，并將觀察的現(xiàn)象和量測的一系列數(shù)據(jù)，進(jìn)行分析和處理，探明本質(zhì)，找出規(guī)律，從而得出計(jì)算公式和方法的方法（原形觀測法、模型實(shí)驗(yàn)法、系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)法）。其優(yōu)點(diǎn)：能直接解決生產(chǎn)中的復(fù)雜問題，能發(fā)現(xiàn)流動(dòng)中的新現(xiàn)象，它的結(jié)果可以作為檢驗(yàn)其他方法是否正確的依據(jù)。其不足之處在于：對不同情況，需做不同實(shí)驗(yàn)，即所得結(jié)果的普適性較差，且有些實(shí)驗(yàn)的費(fèi)用較高。數(shù)值計(jì)算法數(shù)值計(jì)算法是在計(jì)算機(jī)應(yīng)用基礎(chǔ)上，采用各種離散化方法（有限差分法、有限元法等），建立各種數(shù)學(xué)模型，通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算和數(shù)值實(shí)驗(yàn)，得到在時(shí)間上和空間上許多數(shù)字組成的集合體，最終獲得定量描述流場的數(shù)值解。近幾十年來，這一方法得到很大發(fā)展，已形成一個(gè)專門學(xué)科——計(jì)算流體力學(xué)。上述三種方法互相結(jié)合，為發(fā)展流體力學(xué)理論，解決復(fù)雜的工程技術(shù)問題奠定了基礎(chǔ)，現(xiàn)代流體力學(xué)的研究方法是理論計(jì)算與實(shí)驗(yàn)并重。實(shí)驗(yàn)需要理論指導(dǎo)，才能從分散的、表面上無聯(lián)系的現(xiàn)象和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中得出規(guī)律性的結(jié)論；反之，理論分析和數(shù)值計(jì)算也要依靠實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，以建立流體運(yùn)動(dòng)的數(shù)學(xué)模型。最后還須依靠實(shí)驗(yàn)來檢驗(yàn)這些模型的完善程度。流體力學(xué)的主要任務(wù)

流體力學(xué)是力學(xué)的一個(gè)分支。其任務(wù)是從力學(xué)的觀點(diǎn)出發(fā)，研究流體的平衡和機(jī)械運(yùn)動(dòng)規(guī)律。隨著人類社會(huì)的發(fā)展，流體力學(xué)越來越廣泛地滲透到了人們生產(chǎn)和生活的各個(gè)方面，各行各業(yè)中與流體力學(xué)有關(guān)的問題也越來越多。特別是在工程技術(shù)領(lǐng)域，如水利、電力、土木、水資源利用、石油、交通、造船、建筑、機(jī)械、動(dòng)力、環(huán)保、冶金、化工、核能、航空航天、采礦、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域中．涉及大量的流體力學(xué)問題。如建筑工程中風(fēng)對高層建筑的荷載和風(fēng)振問題；建筑物基礎(chǔ)施工時(shí)的基坑排水、基坑抗?jié)B處理等；橋梁工程中渡橋的設(shè)計(jì)、各種水工建筑物的設(shè)計(jì)、道路邊溝排水等；建筑工程中建筑內(nèi)部的給水、排水、供熱、通風(fēng)、空調(diào)等的設(shè)計(jì)和設(shè)備選用等，都面臨著一系列的流體力學(xué)問題。流體力學(xué)的主要任務(wù)流體力學(xué)主要解決工程中的以下問題：流力荷載（研究流體作用于建筑物上的作用力問題等）、過水能力（研究過流建筑物的過流能力、進(jìn)行其斷面形式選擇和尺寸確定問題等）、水流流態(tài)（研究流體通過建筑物的流動(dòng)狀態(tài)問題等）、能量損失（研究水流通過各種固體邊界的能量損失問題，從而找出減少有害損失和增大有利損失的途徑等）、能勢線（研究流經(jīng)各種過流建筑物的能勢線問題，為淹沒、征地和移民、管道線路選擇提供所必需資料等）、水工模型（通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行分析和研究建設(shè)項(xiàng)目或個(gè)別建筑物在運(yùn)行中可能或已經(jīng)出現(xiàn)的各種問題等）、滲流問題（研究水流通過水工建筑物及其底部、兩肩的滲透以及井和井群的涌水量問題等）、水擊問題（研究水力機(jī)械、管道和部分水工建筑物運(yùn)行中水擊的類型、發(fā)展過程及消除措施等）、汽蝕問題（研究水力機(jī)械內(nèi)低壓側(cè)局部位置發(fā)生水擊的產(chǎn)生原因、危害和防止措施等）、高速水流（研究高速流動(dòng)的流體的流動(dòng)特征、沖刷、摻氣、附帶效應(yīng)和附壁效應(yīng)等流動(dòng)規(guī)律等）等問題。思考題：1.何謂流體，其特征是什么？流體與固體有何區(qū)別？2.什么是連續(xù)介質(zhì)？為什么提出連續(xù)介質(zhì)的概念？3.流體力學(xué)的研究方法主要有哪幾種？請簡述各方法是如何進(jìn)行研究的？項(xiàng)目二

流體的物理性質(zhì)項(xiàng)目二流體的物理性質(zhì)【學(xué)習(xí)目標(biāo)】了解不可壓縮流體、理想流體及牛頓流體的意義及在解決實(shí)際問題中的應(yīng)用掌握流體主要物理力學(xué)性質(zhì)的概念、物理意義及表征方法著重掌握牛頓內(nèi)摩擦定律的概念、意義及實(shí)際應(yīng)用流體的主要物理力學(xué)性質(zhì)：慣性、流動(dòng)性、壓縮性與膨脹性、黏性、表面張力。一、慣

性

慣性是物體所具有的保持原有運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的物理性質(zhì)，凡改變物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，就必須克服慣性的作用。慣性大小主要與質(zhì)量和加速度的大小有關(guān)。1.密度

由于各種不同流體，同體積內(nèi)的質(zhì)量一般是不同的，為了表明某種流體的慣性，通常采用單位體積的質(zhì)量來表示，稱為密度，以符號表示。若流體是均勻的，則流體中任意點(diǎn)的密度為：流體的體積為V，質(zhì)量為則：（kg/m3）（1-1）式中——流體的質(zhì)量，kg；

——流體的體積，m3；若流體是非均勻的，在流體中任意點(diǎn)取一包圍該點(diǎn)的流體微團(tuán)，其質(zhì)量為，體積為，則該點(diǎn)的密度為：（1-2）幾種常見流體的密度見表1-1。1.密度表1-1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓和20℃時(shí)流體的密度和動(dòng)力粘度2.重度二、流體的壓縮性與膨脹性

可壓縮性是流體受壓時(shí)，體積縮小，密度增大，除去外力后能恢復(fù)原狀的性質(zhì)?？蓧嚎s性實(shí)際上是流體的彈性。膨脹性是熱膨脹性的簡稱，是指流體在受熱時(shí)，體積膨脹，密度減小，溫度下降能恢復(fù)原狀的性質(zhì)。液體和氣體的可壓縮性和膨脹性有很大差別，下面分別說明。1.壓縮性如果溫度不變，流體體積隨所受壓力增大而減小的性質(zhì)稱為流體的壓縮性。壓縮系數(shù)的倒數(shù)稱為彈性模量（或彈性系數(shù)），用E表示，即表1-220℃時(shí)水的彈性模量2.膨脹性水的膨脹系數(shù)，在常溫常壓下約為1/105，在液壓封閉系統(tǒng)或熱水采暖系統(tǒng)中，當(dāng)工作溫度變化較大時(shí)，需考慮體積膨脹對系統(tǒng)造成的影響。如果壓力不變，流體的體積隨溫度的提高而增大的性質(zhì)稱為流體的膨脹性。膨脹性的大小一般用膨脹系數(shù)來度量。液體的膨脹系數(shù)隨壓強(qiáng)和溫度而變化，水在1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，不同溫度時(shí)的膨脹系數(shù)見表1-3。與壓縮性一樣，液體的膨脹性也很小。除溫度變化很大的場合外，在一般工程問題中不必考慮液體的膨脹性。通常情況下，氣體的密度隨壓力和溫度的變化很明顯。對實(shí)際氣體（如空氣、氮、氧、二氧化碳等），當(dāng)壓力不大于10MPa時(shí)，它們之間的關(guān)系遵守理想氣體狀態(tài)方程2.膨脹性通常情況下，氣體的密度隨壓力和溫度的變化很明顯。對實(shí)際氣體（如空氣、氮、氧、二氧化碳等），當(dāng)壓力不大于10MPa時(shí)，它們之間的關(guān)系遵守理想氣體狀態(tài)方程ρ——絕對壓力，N/m2或Pa；T——熱力學(xué)溫度，K，且T=273+t℃；R——?dú)怏w常數(shù)，對空氣R=287.1Nm/(kgK)。由式（1-9）可知，溫度或壓力變化時(shí)，氣體的密度都將發(fā)生變化。所以氣體的密度不可視為常數(shù)，因而氣體屬于可壓縮流體。但是，當(dāng)氣體的速度小于70m/s且壓力和溫度變化不大時(shí)（如空氣在通風(fēng)機(jī)或通風(fēng)網(wǎng)路中的流動(dòng)），也可近似地將氣體當(dāng)做不可壓縮流體處理。這樣不僅可以使問題大為簡化，由此引起的誤差（約小于2%）在一般過程中也是可以接受的。解：水經(jīng)管道漏縫泄出后，管中壓強(qiáng)下降，于是水體膨脹，其膨脹的水體積例1-2厚壁容器中盛有0.5m3的水，初始壓力為2×l06Pa。當(dāng)壓力增至6×l06Pa時(shí)，水的體積減少了多少？3.黏性及其表象

液體所具有的抵抗剪切變形的性質(zhì)。如圖1-1所示，兩個(gè)平行平板，其間充滿靜止流體，兩平板間距離h，以y方向?yàn)榉ň€方向。保持下平板固定不動(dòng)，使上平板沿所在平面以速度U運(yùn)動(dòng)，于是粘附于上平板表面的一層流體，隨平板以速度u運(yùn)動(dòng)，并逐層向內(nèi)影響，各層相繼流動(dòng)，直至粘附于下平面的流層速度為零。在U和h都較小的情況下，各流層的速度，沿法線方向呈直線分布。上平板帶動(dòng)粘附在板上的流層運(yùn)功，而能影響到內(nèi)部各流層運(yùn)動(dòng)，說明內(nèi)部各流層間存在著剪切力，即內(nèi)摩擦力。這種內(nèi)摩擦力反抗各流體層與層之間的相對運(yùn)動(dòng)的性質(zhì)，即為流體的黏性。這就是黏性的宏觀表象。由此得出，黏性是流體的內(nèi)摩擦特性。3.黏性及其表象圖1-1黏性表象4.牛頓內(nèi)摩擦定律著名的英國科學(xué)家牛頓在對流體的粘滯性進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)后，于1686年提出了確定流體做層流運(yùn)動(dòng)時(shí)的內(nèi)摩擦力關(guān)系式——牛頓內(nèi)摩擦定律。其實(shí)驗(yàn)過程如圖1-2所示。相距為h的上下兩平行平板之間充滿了均質(zhì)的黏性流體。兩平行平板的面積相等均為A。將下板Ⅱ固定不動(dòng)，上板Ⅰ在F力的拖動(dòng)下以勻速u作直線運(yùn)動(dòng)，拖動(dòng)力F是為了克服流體對上板的摩擦阻力T而施加的。單位面積上的內(nèi)摩擦應(yīng)力為：式（1-12）表明流體因粘性產(chǎn)生的內(nèi)摩擦力與微團(tuán)的剪切變形速度(或剪切變形速率)成正比，所以粘性又可看作是流體阻抗剪切變形速度的特性。

圖1-2黏性力實(shí)驗(yàn)示意（1-12）黏性的度量度量黏性大小的物理量有三個(gè)：動(dòng)力黏度、運(yùn)動(dòng)黏度和恩氏黏度。1）動(dòng)力黏度表征流體動(dòng)力特性的黏度稱為動(dòng)力黏度，用表示。由式（1-11）得（Pa·s）（1-13）式(1-13)的物理意義為：動(dòng)力黏度在數(shù)值上等于速度梯時(shí)的內(nèi)摩擦應(yīng)力。值越大，流體流動(dòng)時(shí)的阻力越大。2）運(yùn)動(dòng)粘度表征流體運(yùn)動(dòng)特性的黏度稱為運(yùn)動(dòng)黏度，用表示。即（m2/s）（1-14）從單位上看，運(yùn)動(dòng)黏度只包含運(yùn)動(dòng)要素，不含動(dòng)力要素。它反映了流體運(yùn)動(dòng)特性。運(yùn)動(dòng)黏度越小的流體，其流動(dòng)性越好。黏性的度量3）恩氏黏度工程中還常用恩氏黏度

來表示液體的運(yùn)動(dòng)黏度。恩氏黏度是一個(gè)實(shí)驗(yàn)值。測定恩氏黏度的裝置叫恩氏黏度儀。測量時(shí)，將200cm3的被測液體裝入容器中，加熱至某一溫度（通常是50℃）并保持恒溫。然后讓其靠自重流出直徑為2.8mm的小孔，記下所需的時(shí)間，再測出20℃的200cm3蒸餾水流出同一小孔的時(shí)間。則該液體的恩氏黏度為（1-15）恩氏黏度是一個(gè)無量綱數(shù)，它與運(yùn)動(dòng)黏度的換算關(guān)系為恩氏黏度是一個(gè)無量綱數(shù)，它與運(yùn)動(dòng)黏度的換算關(guān)系為

由于理想流體不考慮粘性，使對流動(dòng)的分析大為簡化，從而能得出理論分析的結(jié)果。所得結(jié)果對某些粘性影響很小的流動(dòng)，能夠較好地符合實(shí)際；對粘性影響不能忽略的流動(dòng)，則可通過實(shí)驗(yàn)加以修正，從而能比較容易地解決許多實(shí)際流動(dòng)問題。這是處理粘性流體運(yùn)動(dòng)的一種很有效方法。項(xiàng)目三

流體作用上的力一、表面力一、表面力表面力是通過直接接觸，施加于流層間或不同流體間以及流體與固體之間接觸表面的力。在運(yùn)動(dòng)流體中取隔離體為研究對象(圖1-7)，周圍流體對隔離體的作用以分布的表面力代替。表面力在隔離體表面某一點(diǎn)的大小用應(yīng)力來表示。習(xí)慣上把流體的內(nèi)法向應(yīng)力稱作流體壓應(yīng)力，用表示，其單位為Pa（1Pa=1N/m2）。流體壓力表征的是作用在流體單