fluid-mechanics-1流體力學(xué)

1、工程流體力學(xué),Engineering Fluid Mechanics,學(xué) 時(shí)：40 課程性質(zhì)：必修 學(xué) 分：2.5 適用專業(yè)：車輛工程 姓 名：李小芹 郵箱地址： 辦 公 室：中以樓A303 電 話2,參考教材,1、流體力學(xué)(第二版)，張也影，高等教育出版社 2、流體力學(xué)及應(yīng)用，郭榮良，機(jī)械工業(yè)出版社 3、流體力學(xué)、泵與風(fēng)機(jī)（第三版），周謨?nèi)?中國(guó)建筑工業(yè)出版社。 4、Fluid Mechanics with Engineering Application (Tenth Edition) E. John Finnemore 清華大學(xué) 出版社影印版,3,學(xué)時(shí)分配,第一章

2、緒論 2 第二章流體靜力學(xué) 6 第三章流體動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ) 14 第四章液流形態(tài)及水力損失 6 第五章孔口管嘴及有壓管道流動(dòng) 4 第六章 氣體的一元流動(dòng) 2 實(shí) 驗(yàn) 6 總學(xué)時(shí) 40,4,第一章 緒 論,1-1 流體力學(xué)的研究?jī)?nèi)容與方法 1-2 流體力學(xué)的發(fā)展簡(jiǎn)史及工程應(yīng)用 1-3 流體的特性及連續(xù)介質(zhì)假設(shè) 1-4 作用在流體上的力 1-5 流體的壓縮性及膨脹性 1-6 流體的黏性,5,1-1 流體力學(xué)的研究?jī)?nèi)容與方法,流體力學(xué)是以流體為研究對(duì)象，以高等數(shù)學(xué)連續(xù)函數(shù)為數(shù)學(xué)工具，采用試驗(yàn)分析與理論研究以及計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合的方法，探討流體處于平衡或運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)的力學(xué)規(guī)律以及流體與邊界間相互作用的一門科學(xué)。

3、 常用方法： 理論方法、實(shí)驗(yàn)方法、計(jì)算方法,6,1-2 流體力學(xué)的發(fā)展及工程應(yīng)用,古希臘的阿基米德建立了包括物理浮力定律和浮體穩(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); 15世紀(jì)，意大利達(dá)芬奇的著作才談到水波、管流、水 力機(jī)械、鳥的飛翔原理等問題； 17世紀(jì)，帕斯卡闡明了靜止流體中壓力的概念; 17世紀(jì)，牛頓研究了在流體中運(yùn)動(dòng)的物體所受到的阻力，得到阻力與流體密度、物體迎流截面積以及運(yùn)動(dòng)速度的平方成正比的關(guān)系;,7,流體力學(xué)的發(fā)展簡(jiǎn)史,1738年伯努利出版專著時(shí)，首先采用了水動(dòng)力學(xué)這個(gè)名詞并作為書名； 1880年前后出現(xiàn)了空氣動(dòng)力學(xué)這個(gè)名詞； 1935年以后，人們概括了這兩方面的知識(shí)，

4、建立了統(tǒng)一的體系，統(tǒng)稱為流體力學(xué)。,8,1-2 流體力學(xué)的發(fā)展簡(jiǎn)史及工程應(yīng)用,Aeronautical and Astronautical Engineering Mechanical Engineering Civil and Hydraulic Engineering Environmental Science and Engineering Agricultural Engineering Chemical Engineering Material Science and Engineering Meteorological Engineering Metrology Oceanogra

5、phy Biosciences,9,Aeronautical and Astronautical Engineering,1-2 流體力學(xué)的應(yīng)用,10,Aeronautical and Astronautical Engineering,1-2 流體力學(xué)的應(yīng)用,11,Aeronautical and Astronautical Engineering,1-2 流體力學(xué)的應(yīng)用,12,1-2 流體力學(xué)的應(yīng)用,Mechanical Engineering,13,1-2 流體力學(xué)的應(yīng)用,Mechanical Engineering,14,1-2 流體力學(xué)的應(yīng)用,Mechanical Engineeri

6、ng,15,1-2 流體力學(xué)的應(yīng)用,Agricultural Engineering,16,1-2 流體力學(xué)的應(yīng)用,Agricultural Engineering,17,1-2 流體力學(xué)的應(yīng)用,Agricultural Engineering,18,1-2 流體力學(xué)的應(yīng)用,Civil Hydraulicand Environmental Engineering,19,1-2 流體力學(xué)的應(yīng)用,Civil,Hydraulicand Environmental Engineering,20,1-2 流體力學(xué)的應(yīng)用,Civil,hydraulic and Environmental Engineer

7、ing,21,1-2 流體力學(xué)的應(yīng)用,Chemical Engineering,22,1-2 流體力學(xué)的應(yīng)用,Bioscience,23,Meteorological Engineering,1-2 流體力學(xué)的應(yīng)用,24,1-2 流體力學(xué)的應(yīng)用,Other Applications,Visualization of Flow Past Swimmers Arm,25,1-3 流體的特性及連續(xù)介質(zhì)假設(shè),一、流體的力學(xué)特性 流體不能承受拉力，流體內(nèi)部不存在抵抗拉伸變形的拉應(yīng)力； 流體在宏觀平衡狀態(tài)下不能承受剪切力，微小的剪切力就會(huì)導(dǎo)致流體連續(xù)變形，產(chǎn)生流動(dòng)。,易流動(dòng)性,命名的由來,區(qū)別的標(biāo)志,26

8、,易流動(dòng)性 流體在靜止時(shí)只有法應(yīng)力而沒有切應(yīng)力，流體 的這個(gè)宏觀性質(zhì)稱為易流動(dòng)性。,連續(xù)介質(zhì)假設(shè)(Continuum Assumption),流體的性質(zhì)與流體分子的結(jié)構(gòu)以及分子間的作用力直接相關(guān)。分子間的作用力的性質(zhì)與分子間的距離有關(guān)。在液體和氣體中，分子間的作用力很弱，很小的切應(yīng)力，都可使它們產(chǎn)生任意大的變形。因此，流體表現(xiàn)出易流動(dòng)性。,27,二、流體連續(xù)介質(zhì)假定 流體是由連續(xù)的無(wú)間隙的流體質(zhì)點(diǎn)所組成的連續(xù)介質(zhì)。,微觀上，流體由大量分子組成，分子間距離尺度遠(yuǎn)大于分子本身尺度。每個(gè)分子做無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)，相互間頻繁發(fā)生碰撞。因此流體的微觀結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)在時(shí)間和空間上是不均勻、離散、隨機(jī)的。 宏觀上，流體

9、的宏觀結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)又呈現(xiàn)出均勻性，連續(xù)性，確定性。,連續(xù)介質(zhì)假設(shè),28,連續(xù)介質(zhì)假設(shè),微觀充分大:分子團(tuán)的尺度和分子的尺度相比足夠 大，包含大量的分子。 宏觀充分小:分子團(tuán)的尺度與宏觀物體的尺度相比 非常小，流體質(zhì)點(diǎn)所占據(jù)的體積極限 為零。,三、流體質(zhì)點(diǎn)(Fluid Particle) 流體質(zhì)點(diǎn)是微觀上充分大，宏觀充分小的分子團(tuán)。,29,連續(xù)介質(zhì)假設(shè),四、連續(xù)介質(zhì)假設(shè)的合理性 宏觀物體的特征尺度和特征時(shí)間與分子間的距離和碰撞時(shí)間相比大的不可比擬，個(gè)別分子的行為幾乎不會(huì)影響大量分子統(tǒng)計(jì)平均后的宏觀物理量。因此，考慮流體的宏觀運(yùn)動(dòng)可以不必直接考慮流體的分子結(jié)構(gòu)。 有了連續(xù)假設(shè)可以把原本是大量的離散分

10、子的運(yùn)動(dòng)問題近似為連續(xù)的充滿整個(gè)空間的流體質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)問題，看成是空間和時(shí)間的連續(xù)函數(shù)，就可以應(yīng)用數(shù)學(xué)分析的方法進(jìn)行分析研究。,30,1-4 作用在流體上的力,按作用方式，平衡流體上的作用力有：質(zhì)量力與表面力。,一 質(zhì)量力( Force on Body) 與流體微團(tuán)質(zhì)量大小有關(guān)并且集中在微團(tuán)質(zhì)量中心上的力稱為質(zhì)量力。,如重力（G=mg）、慣性力（F=ma、F=m2r）等。,流體質(zhì)點(diǎn) 的質(zhì)量力：,31,表面力按其作用方向可分為兩種：沿表面內(nèi)法線方向的壓力和沿表面切向的摩擦力。對(duì)于處于平衡狀態(tài)的流體，切向摩擦力為零，只有沿受壓面內(nèi)法線方向的流體靜壓力。,二 表面力 (Force on Surface

11、) 與表面面積有關(guān)而且分布作用在流體表面上的力稱為表面力。 表面力是由與分離體相接觸的其它物體的作用產(chǎn)生的針對(duì)流體的作用力。,1-4 作用在流體上的力,32,1-5-1 密度(Density),1-5 流體的物理性質(zhì),密度,比重,比體積,33,1-5 流體的物理性質(zhì),密度,相對(duì)密度,比重,比體積,如果流體為均質(zhì),下腳標(biāo)w代表4攝氏度蒸餾水的相應(yīng)物理量,34,1-5-2 壓縮性和膨脹性(Compressibility and Expansibility),1-5 流體的物理性質(zhì),流體受壓，體積縮小，密度增大的性質(zhì)，稱為流體的壓縮性。流體受熱，體積膨脹，密度減小的性質(zhì)，稱為流體的膨脹性。,壓縮率,

12、膨脹系數(shù),體積模量,35,1-5 流體的物理性質(zhì),不可壓縮流體(Incompressibility Fluid),等溫壓縮率和體膨脹系數(shù)完全為零的流體。,此種流體的密度、比體積、相對(duì)密度均為恒定常數(shù)，它實(shí)際并不存在。,一般將液體作為不可壓縮流體來考慮，當(dāng)液體遇到壓縮性起關(guān)鍵作用的水擊現(xiàn)象、液體沖擊、水中爆破波的傳播等問題時(shí)為不可壓縮流體來考慮。,而氣體作為可壓縮流體來考慮。只有當(dāng)?shù)蜏?、低壓、低速時(shí)才把它作為不可壓氣體來考慮。,36,1-5 流體的物理性質(zhì),1-5-3 粘性(Viscosity),流體運(yùn)動(dòng)時(shí)內(nèi)部產(chǎn)生切應(yīng)力的性質(zhì)稱為流體的粘性。,流體在靜止時(shí)不承受切應(yīng)力，但在運(yùn)動(dòng)時(shí)，對(duì)相鄰兩層流體

13、間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，即相對(duì)滑動(dòng)卻是有抵抗的，在層與層之間產(chǎn)生內(nèi)部摩擦力或切應(yīng)力。,37,1-5 流體的物理性質(zhì),一 牛頓內(nèi)摩擦定律,物理意義：切應(yīng)力與速度梯度成正比。,牛頓流體：滿足牛頓內(nèi)摩擦定律的流體。,38,二 流體的粘度(Fluid Viscosity),物理意義：?jiǎn)挝凰俣忍荻认碌那袘?yīng)力，直接反應(yīng)流 體粘性的大小。,動(dòng)力粘度,物理意義：動(dòng)力粘度與密度之比，不能直接反應(yīng)流 體粘性的大小。,運(yùn)動(dòng)粘度,氣體與液體的粘度變化規(guī)律不同：對(duì)于液體，粘度隨溫度升高或壓強(qiáng)降低而減小，溫度降低或壓強(qiáng)升高而增大；對(duì)于氣體，其粘度變化規(guī)律與液體正好相反。,1-5 流體的物理性質(zhì),39,1-5 流體的物理性質(zhì),三 理想流體(Ideal Fluid),假定不存在粘性，即=0，流體為理想流體或無(wú)粘性流體，這種流體在運(yùn)動(dòng)時(shí)不僅內(nèi)部不存在摩擦力，而且在它與固體接觸的邊界上也不存在摩擦力。 理想流體是流體力學(xué)中的一個(gè)重要假設(shè)模型，它實(shí)際并不存在，但這種理論模型卻有重大的理論和實(shí)際價(jià)值。,40,1-5 流體的物理性質(zhì),四 應(yīng)用舉例,同心環(huán)形縫隙中的直線運(yùn)動(dòng),41,同心環(huán)形縫隙中的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),42,圓盤縫隙中的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),43,常用氣體的物理性質(zhì),101 325Pa、20C,44,常用氣體的物理性質(zhì),45,水的體膨脹系數(shù),