流體力學(xué)(Fluid.ppt

1、上 篇 流體力學(xué)(Fluid Mechanics）,第一章 緒 論(Introduction) 第一節(jié) 流體的定義、特征及連續(xù)介質(zhì)假設(shè) (Definition, Characteristics and Continuum Hypothesis of a Fluid) 1、定義：能夠流動的物質(zhì)。 根據(jù)其力學(xué)特征(mechanical characteristics)可以定義為： 受到任何微小剪切力(shear force)的作用都能夠?qū)е缕溥B續(xù)變形的物質(zhì)。 流體是液體(liquid)和氣體(gas)的總稱。,2、流體的主要特征(Basic Characteristics of a Fluid),

2、易流動性（力學(xué)特征，易變形）(Fluidity) 靜止?fàn)顟B(tài)的流體(static fluid)不能承受剪切應(yīng)力； 流體只能承受壓力(compressive stress pressure)，不能承受拉力(tensile stress, tension)； 液體隨其所在容器的形狀而變，氣體總能充滿它所到達(dá)的全部空間。,3、 流體的連續(xù)介質(zhì)假設(shè)（Continuum Hypothesis ）,1753年，歐拉（L.Euler）提出了連續(xù)介質(zhì)假設(shè)， 為研究流體的宏觀運動奠定了基礎(chǔ)。,內(nèi)容：,不考慮分子間存在的間隙，而把流體看作是 由無數(shù)連續(xù)分布的流體微團(tuán)或質(zhì)點組成的連續(xù)介質(zhì)。,作用與意義： 連續(xù)介質(zhì)模型

3、的假設(shè)使表征流體屬性的物理量，如密度、壓力（壓強）、溫度、速度、黏度、應(yīng)力等都可以看成是連續(xù)分布的，可以用時間、空間的單值連續(xù)函數(shù)來表示，從而就可以以微分方程來描述流體的平衡、運動規(guī)律了。,一、流體密度與重度： 密度定義：單位體積的流體所具有的質(zhì)量 物理意義：表示流體在空間分布的密集程度。,對于均質(zhì)流體，各點密度相同，即：,對于非均質(zhì)流體，各點密度不相同，在流體的空間中某點密度：,第二節(jié) 流體的主要物理特性(Physical Characteristics of a Fluid),重度：,對于均質(zhì)流體,對于非均質(zhì)流體,1、壓縮性： 定義：在一定的溫度下，流體的體積隨壓強升高而縮 小的性質(zhì) 表示

4、方法：體積壓縮系數(shù) (The coefficient of compressibility),（1/Pa）,二、流體的壓縮性與膨脹性,2、膨脹性： 定義： 在一定的壓強下，流體的體積隨溫度的升 高而增大的性質(zhì) 表示方法：溫度膨脹系數(shù)(the coefficient of expansibility),（1/K）,實驗表明: 液體不具有明顯的壓縮性與膨脹性 - 可以不考慮 氣體的壓縮性與膨脹性不同于液體，具有明顯的壓縮性與膨脹性的壓縮性大得多，這是由于氣體的密度隨著溫度和壓強的改變將發(fā)生顯著的變化。 對于理想氣體，其密度與溫度和壓強之間的關(guān)系用熱力學(xué)中的狀態(tài)方程式表示，即,三、流體的黏性,2、定

5、義：流體在流動過程中由于流體之間的內(nèi)摩擦力而 引起的阻礙流體運動的性質(zhì)稱為流體的黏性。,1、實驗,內(nèi)摩擦力的表示：用剪切應(yīng)力（單位接觸面積上的力）。,實驗表明：剪切應(yīng)力的大小同速度梯度du/dy成正比。 即：,式中黏度或黏滯系數(shù)(viscosity or absolute viscosity)。,N/m2（牛頓內(nèi)摩擦定律）,黏度的單位是：N.s/m2或Pa.s 黏度的物理意義：表征單位速度梯度作用下的切應(yīng)力，反映了流體黏性的動力性質(zhì)，所以又被稱為動力黏度。,與動力黏度對應(yīng)的是運動黏度(kinematic viscosity)，二者的關(guān)系是,運動黏度物理意義： 單位速度梯度作用下的切應(yīng)力對單位體

6、積的質(zhì)量作用產(chǎn)生的阻力加速度。,（m2/s）,原因：分子之間的內(nèi)聚力對液體黏性起主要作用。 當(dāng) 溫度升高時，分子間距離變大，內(nèi)聚力相應(yīng)變小，因而黏度下降。,液體黏度：隨溫度升高急劇下降。,3、黏性與溫度的關(guān)系,氣體黏度：隨溫度的上升而增大。,原因：相鄰流層之間分子動量的交換對氣體黏性起主要作用。 當(dāng)溫度升高時，氣體的熱運動加強，動量交換增多，各層之間的制動作用加大，因而黏度增大。,書上表1-1、1-2,混合氣體的黏度，可以近似用下式來計算：,式中: Mm混合氣體的分子量； m混合氣體的黏度； Mi、i、i混合氣體中各組分的分子量、體積百分?jǐn)?shù)、黏度。,4、混合氣體的黏度,液體與固體壁面相接觸時，

7、當(dāng)液體內(nèi)聚力小于液體與壁面間的附著力時，液體的表面張力將使液體沿垂直管壁上升； 反之，當(dāng)液體內(nèi)聚力大于液體與壁面間的附著力時，液體的表面張力將使液體沿垂直管壁下降。,四、液體的張力特性(Surface Tension and Capillarity),表面張力定義： 當(dāng)液體出現(xiàn)自由表面時，液體表面層中的液體分子都受到指向液體內(nèi)部的拉力。,毛細(xì)現(xiàn)象：液體沿管壁上升或下降的現(xiàn)象,-表面張力系數(shù), N/m.)、 -接觸角、 -液體的重度 d-管內(nèi)徑,第三節(jié) 作用在流體上的力 -質(zhì)量力與表面力,一、質(zhì)量力(mass force)： 1、定義：指作用在流體某體積內(nèi)所有流體質(zhì)點上,并與這一體積的流體質(zhì)量成正比的力。 例如：重力是最普遍的一個質(zhì)量力（G=mg)。 其他質(zhì)量力如：磁力場中的磁力； 電力場中的電動力； 加速運動中的慣性力。 2、度量方法：單位質(zhì)量力f,單位：ms2。,在直角坐標(biāo)系中，若質(zhì)量力在各坐標(biāo)軸上投影分別為dFx、dFy、dFz。設(shè)X、Y、Z為單位質(zhì)量力在x、y、z軸向的分力，則單位質(zhì)量力的軸向分力分別表示為:,在重力場中：,二、表面力(surface force),定義：指作用在流體中所取某部分流體體積表面上的