第1章-緒論-流體力學(xué)-授課終

1、流體力學(xué) 緒 論,流體力學(xué)及其任務(wù) 作用在流體上的力 流體的主要物理性質(zhì) 牛頓流體和非牛頓流體,1、流體的定義,在物理性質(zhì)上，具有受任何微小的剪切力都能產(chǎn)生連續(xù)變形的特性，即流動(dòng)性的介質(zhì)。,2、流體和固體的區(qū)別:,從力學(xué)分析的意義上看，在于它們對(duì)外力抵抗的能力不同。 固體：既能承受壓力，也能承受拉力與抵抗拉伸變形。 流體：具有流動(dòng)性。在靜止時(shí)不能承受剪切力或拉力，而能承受一定壓力。,一、流體的概念,第一節(jié) 流體力學(xué)的任務(wù)及發(fā)展簡(jiǎn)史,流體力學(xué)中研究得最多的流體是水和空氣。 3、液體和氣體的共同點(diǎn)： 兩者均具有易流動(dòng)性，即在任何微小切應(yīng)力作用下都會(huì)發(fā)生變形或流動(dòng)，故二者統(tǒng)稱為流體。 4、液體和氣體

2、的區(qū)別： (1)氣體易于壓縮；而液體難于壓縮； (2)液體有一定的體積，存在一個(gè)自由液面；氣體能充滿任意形狀的容器，無(wú)一定的體積，不存在自由液面。,二、流體力學(xué)概念,流體力學(xué)是力學(xué)的一個(gè)獨(dú)立分支，是一門研究流體的平衡和流體機(jī)械運(yùn)動(dòng)規(guī)律及其實(shí)際應(yīng)用的技術(shù)科學(xué)。 1738年伯努利出版他的專著時(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)，建立了統(tǒng)一的體系，統(tǒng)稱為流體力學(xué)。,流體力學(xué)主要基礎(chǔ)是牛頓運(yùn)動(dòng)定律和質(zhì)量守恒定律，常常還要用到熱力學(xué)知識(shí)，本構(gòu)方程和物理學(xué)、化學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)。,三、研究?jī)?nèi)容,流、固體相互作用,流動(dòng)規(guī)律,平衡

3、規(guī)律,流體動(dòng)力學(xué),流體運(yùn)動(dòng)學(xué),流體靜力學(xué),掌 握,基本概念、基本原理 基本計(jì)算方法,公式推導(dǎo)的前提條件、適用范圍 各種系數(shù)的確定方法 結(jié)合實(shí)際靈活運(yùn)用,測(cè)壓、測(cè)速、測(cè)流量的儀器原理 使用方法,四、重點(diǎn)內(nèi)容,明 確,熟 悉,第一時(shí)期： 18世紀(jì)以前,五、流體力學(xué)發(fā)展史,第二時(shí)期： 18世紀(jì)20世紀(jì)初葉,第三時(shí)期： 近代,第一時(shí)期： 18世紀(jì)以前,公元前250年 阿基米德論浮體,流體力學(xué)第一部著作,第二章 流體靜力學(xué),古希臘數(shù)學(xué)家、力學(xué)家，靜力學(xué)和流體靜力學(xué)的奠基人,達(dá)芬奇,水力學(xué),沉浮、孔口出流、物體的運(yùn)動(dòng)阻力以及管道、明渠中水流等問(wèn)題,實(shí)驗(yàn)方法了解水流性態(tài),達(dá)芬奇（Leonardo da Vi

4、nci ,14521519）：意大利文藝復(fù)興時(shí)期的美術(shù)家、自然科學(xué)家、工程師，是力學(xué)理論的奠基者，為水力學(xué)、流體力學(xué)古典理論的形成做出了重要貢獻(xiàn)。他強(qiáng)調(diào)數(shù)學(xué)和力學(xué)是自然科學(xué)的基礎(chǔ)。在軍事、水利、土木、機(jī)械工程等方面有許多重要的設(shè)想和發(fā)現(xiàn)。達(dá)芬奇的力學(xué)研究并不只限于理論上。他還運(yùn)用力學(xué)和機(jī)械原理設(shè)計(jì)了許多機(jī)器和器械，參加了運(yùn)河、水利和建筑工程的設(shè)計(jì)和施工。他通過(guò)對(duì)鳥翼運(yùn)動(dòng)的研究，于1493年首次設(shè)計(jì)出一個(gè)飛行器。他在水力學(xué)方面寫有許多重要手稿，并在他死后以水的運(yùn)動(dòng)與測(cè)量為題出版。,1612年 伽利略,第二章 流體靜力學(xué),潛體的沉浮原理,并首先提出，運(yùn)動(dòng)物體的阻力隨著流體介質(zhì)密度的增大和速度的提高

5、而增大。,在流體靜力學(xué)中應(yīng)用了虛位移原理,1643年 托里拆利,1650年 帕斯卡,孔口泄流公式,液體中壓力傳遞定律,1686 牛頓,流體黏性,第一章 黏性,自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理,牛頓內(nèi)摩擦定律,英國(guó)偉大的數(shù)學(xué)家、物理學(xué)家、天文學(xué)家和自然哲學(xué)家。,第二時(shí)期： 18世紀(jì)20世紀(jì)初葉,1738 伯努利,伯努利方程,古典流體力學(xué)成為一門獨(dú)立學(xué)科,第三章 流體動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ),流體動(dòng)力學(xué)基本公式,瑞士科學(xué)家，曾在俄國(guó)彼得堡科學(xué)院任教，他在流體力學(xué)、氣體動(dòng)力學(xué)、微分方程和概率論等方面都有重大貢獻(xiàn)，是理論流體力學(xué)的創(chuàng)始人。,丹伯努利（Daniel Bernoull，17001782）：瑞士科學(xué)家，他在流體力學(xué)、氣

6、體動(dòng)力學(xué)、微分方程和概率論等方面都有重大貢獻(xiàn)，是理論流體力學(xué)的創(chuàng)始人。 以流體動(dòng)力學(xué)（1738）一書著稱于世，書中提出流體力學(xué)的一個(gè)定理，反映了理想流體（不可壓縮、不計(jì)粘性的流體）中能量守恒定律。這個(gè)定理和相應(yīng)的公式稱為伯努利定理和伯努利公式。 他與歐拉是好友。,1755 歐拉,理想流體平衡微分方程,第二章 流體靜力學(xué),理想流體運(yùn)動(dòng)微分方程,第三章 流體動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ),瑞士數(shù)學(xué)家、力學(xué)家、天文學(xué)家、物理學(xué)家，變分法的奠基人，復(fù)變函數(shù)論的先驅(qū)者，理論流體力學(xué)的創(chuàng)始人。,L 歐拉（Leonhard Euler ，17071783）：瑞士數(shù)學(xué)家、力學(xué)家、天文學(xué)家、物理學(xué)家，變分法的奠基人，復(fù)變函數(shù)論的先

7、驅(qū)者，理論流體力學(xué)的創(chuàng)始人。 柏林科學(xué)院的創(chuàng)始人之一。他是剛體力學(xué)和流體力學(xué)的奠基者，彈性系統(tǒng)穩(wěn)定性理論的開(kāi)創(chuàng)人。他認(rèn)為質(zhì)點(diǎn)動(dòng)力學(xué)微分方程可以應(yīng)用于液體。他曾用兩種方法來(lái)描述流體的運(yùn)動(dòng)，即分別根據(jù)空間固定點(diǎn)（1755）和根據(jù)確定的流體質(zhì)點(diǎn)（1759）描述流體速度場(chǎng)。前者稱為歐拉法，后者稱為拉格朗日法。歐拉奠定了理想流體的理論基礎(chǔ)，給出了反映質(zhì)量守恒的連續(xù)方程（1752）和反映動(dòng)量變化規(guī)律的流體動(dòng)力學(xué)方程（1755）。歐拉的專著和論文多達(dá)800多種。,納維爾 斯托克斯,NS方程,流體動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ),黏性流體運(yùn)動(dòng)微分方程,1883 雷諾,層流、紊流,流動(dòng)阻力,雷諾應(yīng)力,英國(guó)力學(xué)家、物理學(xué)家和工程師。杰

8、出的實(shí)驗(yàn)科學(xué)家。,儒可夫斯基,機(jī)翼理論升力公式,繞流運(yùn)動(dòng),機(jī)翼設(shè)計(jì),1912卡 門,卡門渦街,美國(guó)著名空氣動(dòng)力學(xué)家,解釋機(jī)翼張線的線鳴、水下螺旋槳的嗡鳴,1904普朗特,邊界層理論,流動(dòng)阻力,德國(guó)力學(xué)家?，F(xiàn)代流體力學(xué)的創(chuàng)始人之一。邊界層理論、風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)技術(shù)、機(jī)翼理論、紊流理論等方面都作出了重要的貢獻(xiàn)，被稱作空氣動(dòng)力學(xué)之父。,第三時(shí)期： 近 代,三元流動(dòng)理論,計(jì)算流體力學(xué),多相流,環(huán)境流體力學(xué),磁流體力學(xué),非牛頓流體力學(xué),大禹治水 4000多年前的大禹治水，說(shuō)明我國(guó)古代已有大規(guī)模的治河工程。 (公元前256210年) 秦代，在公元前256-前210年間便修建了都江堰、鄭國(guó)渠、靈渠三大水利工程，說(shuō)明

9、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)達(dá)到相當(dāng)水平。 龍首渠（公元前156-前87） 西漢武帝時(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(zhǎng)十余里的穿山隧洞，有效地防止了黃土的塌方。,流體力學(xué)在中國(guó),李冰（公元前302-235）,都江堰,“寸金難買寸光陰”對(duì)我們來(lái)說(shuō)是再熟悉不過(guò)的詩(shī)句了，但是其中卻揭示了計(jì)量時(shí)間的方法。我國(guó)古代計(jì)時(shí)是用銅壺滴漏，它使水從高度不等的幾個(gè)容器里依次滴下來(lái)，最后滴到最低的有浮標(biāo)的容器里，根據(jù)浮標(biāo)上的刻度也就是根據(jù)最低容器里的水位來(lái)讀取時(shí)間。這樣，就使無(wú)形的時(shí)間改換成有形的尺寸了。光陰自然可以用寸來(lái)計(jì)量。銅壺漏滴中的最低容器里的水

10、位，是由高處的水一滴一滴流下來(lái)，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的積累而形成的，所以銅壺滴漏的計(jì)時(shí)原理實(shí)質(zhì)上就是水滴總數(shù)的自動(dòng)累計(jì)。,李冰（公元前302235）偉大的水利學(xué)家。他領(lǐng)導(dǎo)創(chuàng)建了目前世界上歷史最悠久的水利工程都江堰。李冰總結(jié)了前人治水的經(jīng)驗(yàn)，在渠首工程的選點(diǎn)上作了深刻的科學(xué)研究。精心地選擇在成都平原頂點(diǎn)的岷江上游出山口處作為工程地點(diǎn)，采用乘勢(shì)利導(dǎo)、因時(shí)制宜的治水方略，修建了都江堰水利工程：無(wú)壩引水的魚嘴分水堤，泄洪排沙的溢洪道，保證成都平原引足春水和控制洪水的咽喉工程寶瓶口。使魚嘴分水堤、寶瓶口、飛沙堰溢洪道三大主體工程各有其獨(dú)特的功能和作用。它們之間相互依存，相互制約，形成布局合理的系統(tǒng)工程，聯(lián)合發(fā)揮分

11、流分沙、泄洪排沙、引水輸沙的重要作用。其科學(xué)合理的設(shè)計(jì)方案，仍令當(dāng)今科學(xué)界贊嘆不已。都江堰保證了流區(qū)千萬(wàn)畝農(nóng)田和城市用水的需要，使其枯水不缺、洪水不淹、泥沙少淤、水旱從人，堪稱“天然佳構(gòu)”。,水利風(fēng)力機(jī)械 在古代，以水為動(dòng)力的簡(jiǎn)單機(jī)械也有了長(zhǎng)足的發(fā)展，例如用水輪提水，或通過(guò)簡(jiǎn)單的機(jī)械傳動(dòng)去碾米、磨面等。東漢杜詩(shī)任南陽(yáng)太守時(shí)（公元37年）曾創(chuàng)造水排（水力鼓風(fēng)機(jī)），利用水力，通過(guò)傳動(dòng)機(jī)械，使皮制鼓風(fēng)囊連續(xù)開(kāi)合，將空氣送入冶金爐，較西歐約早了一千一百年。,真州船閘 北宋（960-1126）時(shí)期，在運(yùn)河上修建的真州船閘與十四世紀(jì)末荷蘭的同類船閘相比，約早三百多年。 潘季順明朝的水利家潘季順（1521-

12、1595）提出了“筑堤防溢，建壩減水，以堤束水，以水攻沙”和“借清刷黃”的治黃原則，并著有兩河管見(jiàn)、兩河經(jīng)略和河防一攬。 流 量清朝雍正年間，何夢(mèng)瑤在算迪一書中提出流量等于過(guò)水?dāng)嗝婷娣e乘以斷面平均流速的計(jì)算方法。,錢學(xué)森 錢學(xué)森（1911）浙江省杭州市人， 他在火箭、導(dǎo)彈、航天器的總體、動(dòng)力、制導(dǎo)、氣動(dòng)力、結(jié)構(gòu)、材料、計(jì)算機(jī)、質(zhì)量控制和科技管理等領(lǐng)域的豐富知識(shí)，為中國(guó)火箭導(dǎo)彈和航天事業(yè)的創(chuàng)建與發(fā)展作出了杰出的貢獻(xiàn)。1957年獲中國(guó)科學(xué)院自然科學(xué)一等獎(jiǎng)，1979年獲美國(guó)加州理工學(xué)院杰出校友獎(jiǎng)，1985年獲國(guó)家科技進(jìn)步獎(jiǎng)特等獎(jiǎng)。1989年獲小羅克維爾獎(jiǎng)?wù)潞褪澜缂?jí)科學(xué)與工程名人稱號(hào)，1991年被國(guó)務(wù)

13、院、中央軍委授予“國(guó)家杰出貢獻(xiàn)科學(xué)家”榮譽(yù)稱號(hào)和一級(jí)英模獎(jiǎng)?wù)隆?周培源（ 19021993)。 1902年8月28日出生，江蘇宜興人。理論學(xué)家、流體力學(xué)家主要從事物理學(xué)的基礎(chǔ)理論中難度最大的兩個(gè)方面即愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論引力論和流體力學(xué)中的湍流理論的研究與教學(xué)并取得出色成果。,吳仲華（Wu Zhonghua）在1952年發(fā)表的在軸流式、 徑流式和混流式亞聲速和超聲速葉輪機(jī)械中的三元流普遍理論和在1975年發(fā)表的使用非正交曲線坐標(biāo)的葉輪機(jī)械三元流動(dòng)的基本方程及其解法兩篇論文中所建立的葉輪機(jī)械三元流理論，至今仍是國(guó)內(nèi)外許多優(yōu)良葉輪機(jī)械設(shè)計(jì)計(jì)算的主要依據(jù)。,六 流體力學(xué)的研究方法,1、理論方法是通過(guò)對(duì)

14、液體物理性質(zhì)和流動(dòng)特性的科學(xué)抽象（近似），提出合理的理論模型。對(duì)這樣的理論模型，根據(jù)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，將原來(lái)的具體流動(dòng)問(wèn)題轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)問(wèn)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。 理論方法中，流體力學(xué)引用的主要定理有： 質(zhì)量守恒定律： 動(dòng)量守恒定律： 牛頓運(yùn)動(dòng)第二定律： 能量守恒定律：動(dòng)能+壓能+位能+能量損失=const,理論分析的步驟大致如下：首先是建立“力學(xué)模型”，即針對(duì)實(shí)際流體的力學(xué)問(wèn)題，分析其中的各種矛盾并抓住主要方面，對(duì)問(wèn)題進(jìn)行簡(jiǎn)化而建立反映問(wèn)題本質(zhì)的“力學(xué)模型”。 其次是針對(duì)流體運(yùn)動(dòng)的特

15、點(diǎn)，用數(shù)學(xué)語(yǔ)言表達(dá)，從而得到連續(xù)性方程、動(dòng)量方程和能量方程。此外，還要加上某些聯(lián)系流動(dòng)參量的關(guān)系式(例如狀態(tài)方程) 。這些方程合在一起稱為流體力學(xué)基本方程組。求出方程組的解后，結(jié)合具體流動(dòng)，解釋這些解的物理含義和流動(dòng)機(jī)理。,2、實(shí)驗(yàn)方法：通過(guò)對(duì)具體流動(dòng)的觀察與測(cè)量，來(lái)認(rèn)識(shí)流動(dòng)規(guī)律。至今，工程中的許多問(wèn)題，即使能用現(xiàn)代理論分析與數(shù)值計(jì)算求解，最終還要借助實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)修正。 實(shí)驗(yàn)研究形式：包括原型實(shí)驗(yàn)（現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)）和模型試驗(yàn)。,模型理論：量綱分析（因次分析） 、相似理論，如原形和模型之間的Re相似或Fr相似,模型實(shí)驗(yàn)在流體力學(xué)中占有重要地位。把研究對(duì)象的尺度改變(放大或縮小)以便能安排實(shí)驗(yàn)。根據(jù)模型實(shí)驗(yàn)

16、所得的數(shù)據(jù)可以用像換算單位制那樣的簡(jiǎn)單算法求出原型的數(shù)據(jù)。,現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)是對(duì)自然界固有的流動(dòng)現(xiàn)象或已有工程的全尺寸流動(dòng)現(xiàn)象，利用各種儀器進(jìn)行系統(tǒng)觀測(cè)，從而總結(jié)出流體運(yùn)動(dòng)的規(guī)律，并借以預(yù)測(cè)流動(dòng)現(xiàn)象的演變?，F(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)常常是對(duì)已有事物、已有工程的觀測(cè)，而實(shí)驗(yàn)室模擬卻可以對(duì)還沒(méi)有出現(xiàn)的事物、沒(méi)有發(fā)生的現(xiàn)象(如待設(shè)計(jì)的工程、機(jī)械等)進(jìn)行觀察，使之得到改進(jìn)。因此，實(shí)驗(yàn)室模擬是研究流體力學(xué)的重要方法。,3、數(shù)值方法是在計(jì)算機(jī)應(yīng)用的基礎(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)值模型，通過(guò)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(chǎng)的數(shù)值解。近二三十年

17、來(lái)，這一方法得到很大發(fā)展，已形成專門學(xué)科計(jì)算流體力學(xué)。,七、學(xué)習(xí)的難點(diǎn)與對(duì)策,新概念多、抽象、不易理解 主要概念匯總比較記憶，結(jié)合實(shí)驗(yàn)觀察分析。 推演繁難 分析各種推導(dǎo)要領(lǐng)，掌握通用的推導(dǎo)方法，如控制體法，理解思路，不要求對(duì)各個(gè)過(guò)程死記硬背。 偏微分方程（組）的公式名目繁多 對(duì)一些形式簡(jiǎn)單的常用公式要求記住。,八、連續(xù)介質(zhì)假設(shè),為了研究方便，我們把流體看成是由質(zhì)點(diǎn)組成的，而質(zhì)點(diǎn)之間沒(méi)有間隙的物質(zhì)，這就叫連續(xù)介質(zhì)。,連續(xù)介質(zhì)假設(shè),連續(xù)介質(zhì)模型（continuous medium model）：把流體視為沒(méi)有間隙地充滿它所占據(jù)的整個(gè)空間的一種連續(xù)介質(zhì)，且其所有的物理量都是空間坐標(biāo)和時(shí)間的連續(xù)函數(shù)的

18、一種假設(shè)模型：u =u(t,x,y,z)。 注意：超稀薄流體分子間距太大用連續(xù)介質(zhì)模型顯然不適用。,思考： 1、含有氣泡的液體是否適用連續(xù)介質(zhì)模型？ 適用連續(xù)介質(zhì)模型。 若氣泡相對(duì)于液體而言可以看作孤立的點(diǎn)的話，則含有氣泡的液體可以適用連續(xù)介質(zhì)模型。 2、土中水的滲流是否適用連續(xù)介質(zhì)模型？ 適用連續(xù)介質(zhì)模型。,第二節(jié) 作用于流體上的力,一、表面力 ：是毗鄰流體或其它物體作用在隔離體表面上的直接施加的接觸力。,如粘滯力、壓力、表面張力等。,壓力P:垂直于作用面。流體單位面積上所受的壓力稱為壓強(qiáng),切力T:平行于作用面。流體單位面積上的所受的切力稱為切應(yīng)力,按作用方向可分為：壓力和切力,其大小與受作

19、用流體的表面積成比例,二、質(zhì)量力,作用于所研究流體的每一個(gè)質(zhì)點(diǎn)上，其大小與流體的質(zhì)量成比例的力，如重力、慣性力等,單位質(zhì)量力,重力場(chǎng)中:X=0,Y=0,Z=-g,注意：?jiǎn)挝毁|(zhì)量力相當(dāng)于加速度的概念。單位：LT-2,重力與壓應(yīng)力，無(wú)法承受剪切力。,靜止的流體受到哪幾種力的作用？,一、流體的基本特征,容易流動(dòng)(易變形),第三節(jié) 流體的基本特性和主要物理力學(xué)性質(zhì),（一）流體的慣性：物體具有的反抗改變?cè)羞\(yùn)動(dòng)狀態(tài)的性質(zhì)。,單位體積均質(zhì)流體所具有的質(zhì)量，稱為密度,非均質(zhì)流體時(shí)任一點(diǎn)密度：密度隨點(diǎn)而異,質(zhì)量是物質(zhì)的基本屬性之一，是物體慣性大小的量度，,二、主要物理力學(xué)性質(zhì),（二）流體的容重,單位體積均質(zhì)流

20、體所具有的重量稱為容重,非均質(zhì)流體時(shí)任一點(diǎn)容重,容重和密度的關(guān)系,（三）流體的粘滯性,流體運(yùn)動(dòng)時(shí)若質(zhì)點(diǎn)間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)，則質(zhì)點(diǎn)間就要產(chǎn)生內(nèi)摩擦力，并具有抵抗剪切變形的能力，這種性質(zhì)即為流體的粘滯性,粘性大小由粘度來(lái)量度。 流體的粘度是由流動(dòng)流體的內(nèi)聚力和分子的動(dòng)量交換所引起的。 動(dòng)力粘度m：又稱絕對(duì)粘度、動(dòng)力粘性系數(shù)、粘度，是反映流體粘滯性大小的系數(shù)，單位：Ns/m2。 運(yùn)動(dòng)粘度：又稱相對(duì)粘度、運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù) (m2/s) 。,流體遵循牛頓內(nèi)摩擦定律,粘度的影響因素,流體粘度m的數(shù)值隨流體種類不同而不同，并隨壓強(qiáng)、溫度變化而變化。 一般地，相同條件下，液體的粘度大于氣體的粘度。 壓強(qiáng)對(duì)常見(jiàn)的流體，

21、如水、氣體等，m值隨壓強(qiáng)的變化不大，一般可忽略不計(jì)。 溫度是影響粘度的主要因素。當(dāng)溫度升高時(shí)，液體的粘度減小，氣體的粘度增加。,粘滯系數(shù),液體: 隨著溫度的升高，粘滯系數(shù)降低,氣體: 隨著溫度的升高，粘滯系數(shù)增大,無(wú)粘性流體(超流體): 即不考慮粘性 目前在常溫下還未發(fā)現(xiàn)(類似于超導(dǎo)體),a.液體：內(nèi)聚力是產(chǎn)生粘度的主要因素，當(dāng)溫度升高，分子間距離增大，吸引力減小，因而使剪切變形速度所產(chǎn)生的切應(yīng)力減小，所以m值減小。 b.氣體：氣體分子間距離大，內(nèi)聚力很小，所以粘度主要是由氣體分子運(yùn)動(dòng)動(dòng)量交換的結(jié)果所引起的。溫度升高，分子運(yùn)動(dòng)加快，動(dòng)量交換頻繁，所以m值增加。,牛頓內(nèi)摩擦定律,牛頓平板實(shí)驗(yàn),設(shè)

22、板間的y 向流速呈直線分布，,即： 則：,大多數(shù)流體滿足：,引入動(dòng)力粘度u ，則得牛頓內(nèi)摩擦定律,式中：流速梯度 代表液體微團(tuán)的剪切變形速率。,在兩平板間取一方形質(zhì)點(diǎn)，高度為dy，dt時(shí)間后，質(zhì)點(diǎn)微團(tuán)從abcd運(yùn)動(dòng)到abcd。,由圖1-2得：,說(shuō)明：流體的切應(yīng)力與剪切變形速率，或角變形率成正比。,則：,牛頓內(nèi)摩擦定律： 液體運(yùn)動(dòng)時(shí)，相鄰液層間所產(chǎn)生的切應(yīng)力與剪切變形的速率成正比。即 t粘性切應(yīng)力，是單位面積上的內(nèi)摩擦力。 1）流體的切應(yīng)力與剪切變形速率，或角變形率成正比。區(qū)別于固體的重要特性:固體的切應(yīng)力與角變形的大小成正比。 2）流體的切應(yīng)力與動(dòng)力粘度m成正比。 3）對(duì)于平衡流體du /dy

23、 =0，對(duì)于理想流體m=0，所以均不產(chǎn)生切應(yīng)力，即t =0。,牛頓流體、非牛頓流體,牛頓流體（newtonian fluids）：是指任一點(diǎn)上的剪應(yīng)力都同剪切變形速率呈線性函數(shù)關(guān)系的流體，即遵循牛頓內(nèi)摩擦定律的流體稱為牛頓流體。 非牛頓流體：不符合上述條件的均稱為非牛頓流體 通用的公式：,切應(yīng)力與剪切變形速率成線性關(guān)系的流體是牛頓流體，對(duì)嗎？,牛頓流體和非牛頓流體,非,例 題,例題1-2 一 底 面 積 為45x40cm2 ，高為 5cm 的 木 塊， 質(zhì) 量 為5kg ， 沿 涂 有 潤(rùn) 滑 油 的 斜 面 向 下 作 等 速 運(yùn) 動(dòng)， 木 塊 運(yùn) 動(dòng) 速 度u=1m/s ， 油 層 厚 度

24、1mm ， 斜 坡 角22.620 ， 求 油 的 粘 度 .,解： 木 塊 重 量 沿 斜 坡 分 力 F 與 切 力 T平 衡 時(shí)， 等 速 下 滑,例題1-3在圖中，汽缸內(nèi)壁的直徑D=12cm、活塞的直徑d=11.96cm，活塞的長(zhǎng)度l=14cm，活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)的速度為v=1m/s，潤(rùn)滑油的 =0.1Pa.s，試問(wèn)作用在活塞上的粘性力為多少？,解：因粘性的作用，粘附在汽缸內(nèi)壁的潤(rùn)滑油速度為零，粘附在活塞外沿的潤(rùn)滑油與活塞的速度相同，由于活塞與汽缸的間距很小，潤(rùn)滑油的速度可近似認(rèn)為是從零線性變化到1m/s。 由牛頓內(nèi)摩擦定律,四、流體的可壓縮性（compressibility）：作用在流體上

25、的壓力變化可引起流體的體積變化或密度變化，這一現(xiàn)象稱為流體的可壓縮性。,體積壓縮系數(shù)：在一定的溫度下，當(dāng)壓強(qiáng)增大一個(gè)單位值時(shí)，流體體積的相對(duì)減小值： 單位1/Pa,因?yàn)閴嚎s中質(zhì)量m不變，dm =d(rV )=rdV +V dr =0， 所以,流體的壓縮性在工程上往往用體積彈性模量來(lái)表示。 體積彈性模量K（bulk modulus of elasticity）是體積壓縮系數(shù)的倒數(shù)。單位Pa,水的K =2109Pa,流體的種類不同，其p和K值不同。 p與K隨溫度和壓強(qiáng)而變化，但變化甚微。 K越大， p越小，越不易被壓縮，當(dāng)K趨于無(wú)窮時(shí)，表示該流體絕對(duì)不可壓縮 。 不可壓縮流體：指流體每個(gè)質(zhì)點(diǎn)在流動(dòng)

26、全過(guò)程中密度不變化的流體，對(duì)均質(zhì)不可壓縮流體，密度時(shí)時(shí)處處都不變化。 氣體的壓縮性：一般情況下遵循理想氣體狀態(tài)方程。 在一定溫度和中等壓強(qiáng)下，水的體積模量變化不大,（五）膨脹性：流體溫度升高時(shí)，流體體積增加的特性稱為流體的膨脹性。,體積膨脹系數(shù),1、液體的膨脹性常以體膨脹系數(shù)表示： 在壓強(qiáng)不變的條件下溫度升高一個(gè)單位時(shí)流體體積的相對(duì)增加量,氣體的壓縮性和膨脹性,氣體與液體不同，具有顯著的壓縮性和膨脹性,一般常溫常壓下，常用氣體的密度、壓強(qiáng)、溫度三者之間的關(guān)系，符合氣體狀態(tài)方程,式中：p為氣體的絕對(duì)壓強(qiáng)，為氣體的密度，T為氣體的熱力學(xué)溫度，R為氣體常數(shù)。,空氣的氣體常數(shù)為287J/kg.K,不可

27、壓縮流體: 密度幾乎不變,按常數(shù)考慮.,熱力學(xué)溫度T與人們慣用的攝氏溫度t的關(guān)系是：T（K）=273.15+t()。,1.為什么水通常被視為不可壓縮流體？ 因?yàn)樗腒 =2109Pa ，水的體積變化很小，可忽略不計(jì)，所以通?？砂阉暈椴豢蓧嚎s流體。 2.自來(lái)水水龍頭突然開(kāi)啟或關(guān)閉時(shí)，水是否為不可壓縮流體？為什么？ 為可壓縮流體。因?yàn)榇藭r(shí)引起水龍頭附近處的壓強(qiáng)變化，且變幅較大。,例 題,1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓=0.1MPa兆帕=101KPa=千帕左右=1bar巴=760mmHg（毫米汞柱）=14.696磅/英寸2(psi)1工程大氣壓1Kgf/cm2千克力/平方厘米,（六）、液體的表面張力特性,液體具有盡

28、量縮小其表面力的趨勢(shì)，在宏觀上可以認(rèn)為沿液體表面作用張力，稱為表面張力。 液體內(nèi)部的分子之間的相互作用力是相互平衡的。液體自由面由于水分子及空氣分子間的引力不平衡，使自由面能承受微弱拉力。,產(chǎn)生于：,液體與氣體相接觸的自由表面,液體與固體接觸表面,兩種不同液體接觸表面,表面張力系數(shù)：自由面上單位長(zhǎng)度所受的拉力。20C的水=0.074N/m,水銀=0.54 N/m。,在水力學(xué)實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)測(cè)壓管內(nèi)徑過(guò)?。╠10mm）時(shí)，就會(huì)引起毛細(xì)管現(xiàn)象，讀數(shù)產(chǎn)生誤差 。,毛細(xì)現(xiàn)象 1、定義：表面張力可以引起液面的上升或下降，會(huì)形成上凸或下凹的曲面的現(xiàn)象 2、內(nèi)聚力和附著力 內(nèi)聚力：同一液體分子之間的吸引力 附著力

29、：液體與固體分子之間的吸引力 3、影響液面上升或下降的因素 1）附著力大于內(nèi)聚力 表面張力使管內(nèi)液面上升 ，形成凹面。 如：水或酒精。 2）附著力小于內(nèi)聚力 表面張力使管內(nèi)液面下降，形成凸面。如：汞。,（七）、其他特性,汽化壓強(qiáng)是指液體汽化和凝結(jié)達(dá)到平衡時(shí)液面的壓強(qiáng)。汽化壓強(qiáng)隨液體的種類和溫度的不同而改變。,綜上所述，流體的慣性、重力特性和粘滯性對(duì)流體運(yùn)動(dòng)有重要的影響，而液體的可壓縮性、表面張力和汽化壓強(qiáng)只有在特殊問(wèn)題中才需要考慮，請(qǐng)注意區(qū)分。,1、汽化：物質(zhì)從液相變?yōu)闅庀嗟默F(xiàn)象。,2、空化：液體內(nèi)局部壓力降低時(shí)，液體內(nèi)部或液固交界面上蒸氣或氣體的空穴（空泡）的形成、發(fā)展和潰滅的過(guò)程。實(shí)際工程中的空化現(xiàn)象與液體的汽化壓強(qiáng)有關(guān)，需要注意。