流體力學(xué)概述

關(guān)于流體力學(xué)概述1.1.1流體力學(xué)概述 1.1.2流體的基本性質(zhì)

§1.1流體力學(xué)概述及流體的基本性質(zhì)返回第2頁,共45頁，2024年2月25日，星期天1.什么是流體力學(xué)？（了解） 2．流體力學(xué)是怎樣發(fā)展起來的(發(fā)展歷程)？（了解） 1.1.1流體力學(xué)概述返回第3頁,共45頁，2024年2月25日，星期天流體力學(xué)定義流體fluid通常是指液體和氣體的總稱流場fluidfield流體所占據(jù)的空間稱為流場，流場中所對應(yīng)的各種物理量在空間上的分布規(guī)律稱為相應(yīng)的物理量場（如速度場、壓力場、密度場等）返回下一頁第4頁,共45頁，2024年2月25日，星期天流體力學(xué)定義流體力學(xué)fluidmechanics力學(xué)的一個分支，主要研究在各種力的作用下，流體本身的靜止?fàn)顟B(tài)和運(yùn)動狀態(tài)以及流體和固體界壁間有相對運(yùn)動時(shí)的相互作用和流動規(guī)律的科學(xué)工程流體力學(xué)fluidmechanicsofengineering特別強(qiáng)調(diào)工程應(yīng)用性的流體力學(xué)，主要研究工業(yè)過程中常見的流動現(xiàn)象和流動設(shè)備的規(guī)律，并以能解決實(shí)際問題為其基本目標(biāo)。返回上一頁第5頁,共45頁，2024年2月25日，星期天流體力學(xué)發(fā)展簡史古代流體力學(xué)大禹治水、疏通江河；秦朝李冰父子修建都江堰；古羅馬城市供水；水車等是人類早期認(rèn)識、研究流體運(yùn)動規(guī)律并駕篤、利用流體運(yùn)動的典型范例阿基米德

Achimedes(公元前287-212)古希臘科學(xué)家貢獻(xiàn)：建立了包括物體浮力定律和浮體穩(wěn)定性在內(nèi)的液體平衡理論，奠定了流體靜力學(xué)的基礎(chǔ)。是流體力學(xué)學(xué)科形成的第一創(chuàng)始人。返回下一頁第6頁,共45頁，2024年2月25日，星期天流體力學(xué)發(fā)展簡史達(dá)·芬奇

LeonardodaVinci公元1452-151915世紀(jì)意大利文藝復(fù)興時(shí)期著名藝術(shù)家、科學(xué)家、工程師貢獻(xiàn)：首次較系統(tǒng)地觀察研究了水波、管流、水力機(jī)械、鳥的飛翔等流體動力學(xué)原理，進(jìn)行了大量的工程實(shí)踐活動，1493年首次根據(jù)鳥的飛翔原理設(shè)計(jì)出一飛行器。返回下一頁上一頁第7頁,共45頁，2024年2月25日，星期天流體力學(xué)發(fā)展簡史牛頓

IsaacNewton公元1642-1727偉大的英國物理學(xué)家、數(shù)學(xué)家、天文學(xué)家貢獻(xiàn)：確立了粘性流體摩擦阻力的基本規(guī)律-牛頓內(nèi)摩擦定律，從而奠定了粘性流體動力學(xué)基礎(chǔ)。返回下一頁上一頁第8頁,共45頁，2024年2月25日，星期天流體力學(xué)發(fā)展簡史伯努利（丹尼爾第一.伯努利）DanielBernoulli公元1700-1782瑞士科學(xué)家（其祖、父、弟、子皆為著名科學(xué)家，科學(xué)史稱伯努利家族）貢獻(xiàn)：1738年建立了流體動力學(xué)最有應(yīng)用價(jià)值的基本方程—伯努利方程。返回下一頁上一頁第9頁,共45頁，2024年2月25日，星期天流體力學(xué)發(fā)展簡史歐拉

LeonhardEuler公元1707-1783瑞士數(shù)學(xué)家、力學(xué)家（是DanielBernoulli父親的弟子）貢獻(xiàn)：1736年建立了理想流體運(yùn)動微分方程及其解，從而奠定了理想流體動力學(xué)基礎(chǔ)返回下一頁上一頁第10頁,共45頁，2024年2月25日，星期天流體力學(xué)發(fā)展簡史納維

Claude-Louis-Marie-HenriNavier1785-1836法國力學(xué)家、工程師貢獻(xiàn)：1821年推廣了歐拉理想流體運(yùn)動微分方程，考慮流體粘性建立了用于實(shí)際粘性流體的運(yùn)動微分方程（只含一個粘性系數(shù)）斯托克斯GeorgeGabrielStokes公元1819-1903英國數(shù)學(xué)家、力學(xué)家貢獻(xiàn)：1845年改進(jìn)了納維粘性流體的運(yùn)動微分方程，建立了含有兩個粘性常數(shù)的粘性流體運(yùn)動微分方程，稱為納維-斯托克斯方程，奠定了近代流體力學(xué)的基礎(chǔ)返回下一頁上一頁第11頁,共45頁，2024年2月25日，星期天流體力學(xué)發(fā)展簡史雷諾

OsborneReynolds公元1842-1912英國力學(xué)家、工程師貢獻(xiàn)：1883年通過對管流流動狀態(tài)的實(shí)驗(yàn)觀察研究，首次發(fā)現(xiàn)流體兩種流動狀態(tài)---層流和紊流，同時(shí)建立了流動現(xiàn)象相似的規(guī)律---只要管流的雷諾數(shù)相等的兩個流動現(xiàn)象是相似的。返回下一頁上一頁第12頁,共45頁，2024年2月25日，星期天流體力學(xué)發(fā)展簡史普朗特

LudwigPrandtl公元1875-1953德國力學(xué)家貢獻(xiàn)：1904年建立了邊界層理論，將當(dāng)時(shí)流體力學(xué)兩個互不相通的方向（數(shù)學(xué)理論流體力學(xué)和實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)）結(jié)合起來，從而奠定了現(xiàn)代流體力學(xué)的基礎(chǔ)。此外在空氣動力學(xué)、紊流理論研究也作了開創(chuàng)性的貢獻(xiàn)返回下一頁上一頁第13頁,共45頁，2024年2月25日，星期天流體力學(xué)發(fā)展簡史馮.卡門

TheodorevonKarman公元1881-1963美籍匈牙利力學(xué)家貢獻(xiàn)：建立了卡門渦街、升力面等理論，20世紀(jì)初在他的推動下，空氣動力學(xué)從流體力學(xué)發(fā)展出來形成了獨(dú)立的力學(xué)分支。我國三大力學(xué)家郭永懷、錢學(xué)森、錢偉長是他的學(xué)生。返回下一頁上一頁第14頁,共45頁，2024年2月25日，星期天流體力學(xué)發(fā)展簡史六十年代后期，逐漸形成流體力學(xué)與其他學(xué)科交叉的分支學(xué)科與計(jì)算機(jī)結(jié)合的計(jì)算流體力學(xué)。與生物力學(xué)交叉的生物流變學(xué)與電磁力學(xué)交叉的磁流體力學(xué)與化學(xué)變化、物理變化相結(jié)合的物理-化學(xué)流體動力學(xué)。返回上一頁第15頁,共45頁，2024年2月25日，星期天1．什么是流體連續(xù)性性質(zhì)？(掌握)2．什么理想氣體性質(zhì)？（了解）3．什么是流體的慣性性質(zhì)？（了解）4．什么是流體的重力性質(zhì)？（了解）5．什么是流體的可壓縮性、熱脹性？根據(jù)此性質(zhì)可將流體力學(xué)分為哪兩種？（掌握）6．什么是流體的易變形性質(zhì)？（掌握)1.1.2流體的基本性質(zhì)返回第16頁,共45頁，2024年2月25日，星期天7．什么是流體的粘性性質(zhì)？它是如何產(chǎn)生的？對流體運(yùn)動會產(chǎn)生什么影響？（掌握）8．什么是牛頓內(nèi)摩擦定律？它有何意義和用途？（掌握） 9．什么是流體的粘性系數(shù)和運(yùn)動粘度？它有哪些基本特性？（掌握） 10.作用在流體上的力是如何分類的？（掌握） 11．如何應(yīng)用牛頓內(nèi)摩擦定律分析解決實(shí)際問題？（了解） 第17頁,共45頁，2024年2月25日，星期天1．什么是流體連續(xù)性性質(zhì)？(掌握)流體質(zhì)點(diǎn)概念返回下一頁P(yáng)zyx定義：能夠表現(xiàn)某空間位置流體宏觀上的統(tǒng)計(jì)平均特性（密度、壓力等）的最小流體微團(tuán)稱為流體的質(zhì)點(diǎn)大?。和ǔＳ觅|(zhì)點(diǎn)半徑描述第18頁,共45頁，2024年2月25日，星期天流體連續(xù)性假設(shè)(continuoushypothesis)流體是由連續(xù)排列的流體質(zhì)點(diǎn)所構(gòu)成的在充滿連續(xù)性流體介質(zhì)的空間，流體有關(guān)的物理參數(shù)不僅是空間和時(shí)間的連續(xù)函數(shù)而且是連續(xù)可微的函數(shù)適用條件研究對象的特征尺寸（如管道管徑、飛機(jī)長度）遠(yuǎn)大于流體質(zhì)點(diǎn)半徑本課程所涉及流體力學(xué)均屬于連續(xù)介質(zhì)流體力學(xué)返回上一頁第19頁,共45頁，2024年2月25日，星期天2．什么是理想氣體性質(zhì)？（了解）概念理想氣體是指忽略分子大小及分子間相互作用的氣體，其基本性質(zhì)可分為狀態(tài)性質(zhì)和過程性質(zhì)狀態(tài)性質(zhì)：指理想氣體在一定狀態(tài)下各個狀態(tài)參數(shù)的相互關(guān)系過程性質(zhì)：指理想氣體從初態(tài)經(jīng)過特定過程達(dá)到終態(tài)后，初態(tài)和終態(tài)狀態(tài)參數(shù)的相互關(guān)系。返回下一頁第20頁,共45頁，2024年2月25日，星期天規(guī)律狀態(tài)性質(zhì)：可由克拉貝龍方程描述返回下一頁上一頁P(yáng)—壓力（壓強(qiáng)）,Paρ—密度,kg/m3T—絕對溫度,KM—?dú)怏w分子量kg/kmolR*—普適氣體常數(shù)8314.3J/kmol.KR—?dú)怏w常數(shù)，J/kg.KR空氣＝287J/kg.KRH2=4124J/kg.KRN2=296.2J/kg.KRO2=259.8J/kg.KRCO2=188.9J/kg.K第21頁,共45頁，2024年2月25日，星期天過程性質(zhì)：返回上一頁等溫過程：定壓過程：定容過程：絕熱過程：多變過程：第22頁,共45頁，2024年2月25日，星期天3．什么是流體的慣性性質(zhì)？（了解）概念慣性inertia是指物體保持原來靜止或運(yùn)動狀態(tài)的性質(zhì)，是物體的固有屬性。大小慣性大小通常用物體的質(zhì)量來表征，在流體力學(xué)中更關(guān)心的是單位體積的流體質(zhì)量，因此在本課程中使用密度表征單位體積內(nèi)流體所具有的慣性大小返回第23頁,共45頁，2024年2月25日，星期天4．什么是流體的重力性質(zhì)？（了解）概念重力性質(zhì)

處于地球引力場中的流體受到地球引力作用的性質(zhì)。重度γ單位體積流體所受到的重力，表征流體重力性大小的一個參數(shù)返回第24頁,共45頁，2024年2月25日，星期天5．什么是流體的可壓縮性、熱脹性？根據(jù)此性質(zhì)可將流體力學(xué)分為哪兩種？（掌握）概念壓縮性compression是指流體受壓體積縮小、密度增加的性質(zhì)熱膨脹性thermalexpansion是指流體受熱體積膨脹、密度減小的性質(zhì)大小通常用壓縮系數(shù)和熱膨脹系數(shù)分別表示流體壓縮性和熱膨脹性的大小返回下一頁第25頁,共45頁，2024年2月25日，星期天返回上一頁壓縮系數(shù)coefficientofcompression定義下一頁物理意義：單位壓力變化所產(chǎn)生的體積變化率特征分析水的壓縮系數(shù)(0℃,參見教材表1-3)壓強(qiáng)(atm)510204080β×109m2/N0.5380.5360.5310.5280.515第26頁,共45頁，2024年2月25日，星期天返回上一頁下一頁理想氣體的壓縮系數(shù)β=1/p(等溫壓縮)結(jié)論一般液體流動可忽略其可壓縮性氣體低速流動(即常溫狀態(tài)下氣體流動速度大約不超過100m/s)，氣體的壓縮性可忽略第27頁,共45頁，2024年2月25日，星期天返回上一頁熱膨脹系數(shù)Coefficientofthermalexpansion定義物理意義：單位溫度變化所產(chǎn)生的體積變化率特征分析水的熱膨脹系數(shù)大約為萬分之一到七理想氣體的熱膨脹系數(shù)1/T(常溫下約3/1000)結(jié)論一般液體的熱膨脹性可忽略氣體流動過程溫差變化不大時(shí)，熱脹性可忽略不可壓縮流體incompressiblefluid壓縮系數(shù)、熱膨脹系數(shù)為零的流體。本課程主要討論不可壓縮流體流動規(guī)律第28頁,共45頁，2024年2月25日，星期天6．什么是流體的易變形性質(zhì)？（掌握)易變形性性質(zhì)easymorphotropy所謂流體的易變形性質(zhì)是指流體具有以下特征：流體沒有確定形狀，其形狀取決于與流體接觸的邊界（這是流體與固體最直觀的差別）一般地要將流體一分為二幾乎不用做功（固體則不然）流體在切應(yīng)力作用下將發(fā)生連續(xù)變形（固體在切應(yīng)力作用下發(fā)生確定的變形，這是流體與固體主要的力學(xué)性質(zhì)的差別）流體定義：在任何微小剪切力作用下均發(fā)生連續(xù)變形的物質(zhì)稱為流體返回下一頁第29頁,共45頁，2024年2月25日，星期天連續(xù)變形返回下一頁第30頁,共45頁，2024年2月25日，星期天7．什么是流體的粘性性質(zhì)？它是如何產(chǎn)生的？對流體運(yùn)動會產(chǎn)生什么影響？（掌握）粘性viscosity概念流體質(zhì)點(diǎn)間或流層間發(fā)生相對運(yùn)動時(shí)自動產(chǎn)生一內(nèi)摩擦力以抵抗這種相對運(yùn)動，流體所具有的這種性質(zhì)稱為流體的粘性產(chǎn)生原因?qū)怏w:分子之間的相互作用；氣體分子作熱運(yùn)動對液體:液體微觀粒子或離子團(tuán)間相互作用返回上一頁下一頁第31頁,共45頁，2024年2月25日，星期天對流動的影響由于粘性流體在流動過程中將產(chǎn)生內(nèi)摩擦力，從而引起流體機(jī)械能耗散為熱能，直至流體機(jī)械能耗盡而終止流動，所以要維持流體的流動就必須不斷地從外界補(bǔ)充相應(yīng)的機(jī)械能。由于粘性的存在，對物面附近的流動將產(chǎn)生重大影響，向物面方向靠近，流體相對于物面的運(yùn)動速度將逐漸降低直至物面處為零返回上一頁第32頁,共45頁，2024年2月25日，星期天8．什么是牛頓內(nèi)摩擦定律？它有何意義和用途？（掌握） 實(shí)驗(yàn)牛頓進(jìn)行了兩個平板之間較薄夾層流體剪切流動的實(shí)驗(yàn)下一頁返回FδUu(y)yx第33頁,共45頁，2024年2月25日，星期天結(jié)論返回兩平板之間的速度分布為平板給與流體的單位面積的剪切力（即切應(yīng)力）與速度梯度（角變形速率）的關(guān)系為μ—比例系數(shù)，稱為粘性系數(shù)上一頁下一頁第34頁,共45頁，2024年2月25日，星期天返回上一頁進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)表明，上述切應(yīng)力與速度梯度的關(guān)系可推廣到兩無限接近的薄層，所以牛頓內(nèi)摩擦定律可表示為即作用在流體上的切應(yīng)力與速度梯度成正比第35頁,共45頁，2024年2月25日，星期天9．什么是流體的粘性系數(shù)和運(yùn)動粘度？它有哪些基本特性？（掌握）定義粘性系數(shù)是由牛頓內(nèi)摩擦定律所定義的，又稱為動力粘度，是表示流體粘性大小的參數(shù)下一頁返回物理意義單位速度梯度所產(chǎn)生的剪切應(yīng)力運(yùn)動粘度在流體力學(xué)中μ常常以μ/ρ的形式出現(xiàn)，所以引入名為運(yùn)動粘度的參數(shù)(Pa.s或N.s/m2)(m2/s)第36頁,共45頁，2024年2月25日，星期天返回物理意義單位速度梯度下移動單位質(zhì)量的流體一特征距離所需耗散的功量，其因次為運(yùn)動學(xué)因次，因此稱為運(yùn)動粘度，所表征的是流體流動性大小性質(zhì)動力粘度是流體粘性大小度量參數(shù)，運(yùn)動粘度是流體流動性大小的度量參數(shù)。μ、ν數(shù)值大小僅與流體種類和溫度有關(guān)，是流體的物性參數(shù)，因此可通過查流體物性參數(shù)表獲取氣體的粘性系數(shù)隨溫度升高而升高液體的粘性系數(shù)隨溫度的升高而降低上一頁第37頁,共45頁，2024年2月25日，星期天10.作用在流體上的力是如何分類的？（掌握）概念質(zhì)量力massforcedistanceforce外界作用于流體內(nèi)部每一質(zhì)點(diǎn)上的力。無需與流體接觸而施加于流體上的力，又稱為遠(yuǎn)程力。在流體力學(xué)中，所關(guān)心的質(zhì)量力是作用于單位流體質(zhì)量的質(zhì)量力。典型的質(zhì)量力：重力牽連慣性力等表面力surfaceforce是相鄰流體或其它物體對我們所研究對象施加的直接接觸力，通常用單位面積上的表面力—表面應(yīng)力來表示返回下一頁第38頁,共45頁，2024年2月25日，星期天表面力分解通常將表面力分解在兩個方向上表面法線方向該方向上的力稱為正應(yīng)力，內(nèi)法線方向上的力稱為壓應(yīng)力，外法線上的力稱為拉應(yīng)力基本假定：對一般流體，流體不能承受拉應(yīng)力。表面切線方向上該方向上的力稱為切應(yīng)力特性：一般地，表面力不僅是時(shí)間和空間位置的函數(shù)，而且與表面的方向有關(guān)返回上一頁第39頁,共45頁，2024年2月25日，星期天11．如何應(yīng)用牛頓內(nèi)摩擦定律分析解決實(shí)際問題？（了解）例1-1轉(zhuǎn)軸直徑d=0.36m,軸承長度L=1m,軸與軸承的縫隙寬δ=0.2mm,其中充滿動力粘滯系數(shù)μ=0.72Pa.s的油，若軸的轉(zhuǎn)速n=200rpm,求克服油的粘滯阻力所需的功率下一頁返回nLδdμ分析：由于軸與軸承間的間隙厚度通常較小，所以可以認(rèn)為間隙流體的速度分布呈線性分布（軸的徑向上），且可以近似當(dāng)作平板夾層內(nèi)的流體運(yùn)動，而流體在物面處的速度與相應(yīng)的物面速度是相