流体力学第一章ppt课件.pptx

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1、流体力学,合肥工业大学土木与水利工程学院,主讲：曹广学电话：18755192818邮箱：,课程安排,学时数：3224（理论课）8（实验课）课程性质：专业基础课,教 材： 李玉柱流体力学第2版,高等教育出版社参考书：吴持恭水力学第4版，高等教育出版社 刘鹤年流体力学第2版，中国建筑工业出版社 大连工学院水力学解题指导及习题集高等教育出版社 王惠民流体力学基础第2版，清华大学出版社,第一章 绪论,第一章绪论,1.1 流体力学的任务及其发展简史,1.2 流体的主要物理力学性质,1.3 作用在流体上的力,1.4 流体的力学模型,第一章 绪论,自然界中物质存在的形态有：固态、液体和气体。,1.1 流体力

2、学的任务及其发展简史,具有流动性的物体统称为流体。,一、流体的定义,根据物体有没有流动性，可以把物体分为固体和流体，流体又包括液体和气体。,流动性：在微小的剪切力作用下，就能连续不断的变形，即发生流动，外力停止，流动停止。,第一章 绪论,1.1 流体力学的任务及其发展简史,流体和固体的区别：,第一章 绪论,1.1 流体力学的任务及其发展简史,流体力学是研究流体各种力作用下的平衡和机械运动规律及其在工程实际中应用的一门学科，是力学的一个分支。,二、流体力学的任务,流体力学在许多工业部门都有着广泛的应用。,流体力学遵循物质运动的普遍规律，如：牛顿第二定律，质量守恒定律，能量守恒定律和动量守恒定律等

3、。,第一章 绪论,流体力学在工程中的应用,航空航天航海,船舶运动,地效翼艇 （WIG）,海洋平台,潜器,第一章 绪论,南浦大桥,节能型建筑,三峡大坝,建筑与环境,流体力学在工程中的应用,第一章 绪论,能源动力,飞机发动机,蒸汽机车,流体力学在工程中的应用,第一章 绪论,气象云图,龙卷风,气象科学,流体力学在工程中的应用,第一章 绪论,污水净化设备模型,电厂冷却塔,环境控制,流体力学在工程中的应用,第一章 绪论,流体力学应用广泛，已派生出很多新的分支:电磁流体力学、生物流体力学化学流体力学、地球流体力学高温气体动力学、非牛顿流体力学爆炸力学、流变学、计算流体力学等,流体力学在工程中的应用,20世

4、纪中业以来，大工业的形成，高新技术工业的出现和发展，特别是电子计算机的出现、发展和广泛应用，大大地推动了科学技术的发展。由于工业生产和尖端技术的发展需要，促使流体力学和其他学科相互浸透，形成了许多边缘学科，使这一古老的学科发展成包括多个学科分支的全新的学科体系，焕发出强盛的生机和活力。,第一章 绪论,1.1 流体力学的任务及其发展简史,流体力学是人类同自然界作斗争、在长期的生产实践中发展起来的。,三、流体力学的发展,流体力学的西方史古代流体力学的情况。,古希腊学者阿基米德在公元前250年发表学术论文论浮体，第一个阐明了相对密度的概念，发现了物体在流体中所受浮力的基本原理阿基米德原理。奠定了流体

5、静力学的基础。,阿基米德（Archimedes，公元前287212）,第一章 绪论,16世纪以后，西方资本主义处于上升阶段，工农业生产有了很大的发展，对于流体平衡和运动规律的认识才随之有所提高 。,1.1 流体力学的任务及其发展简史,17世纪牛顿研究了运动物体在流体中受到的阻力，得到阻力与流体密度、物体迎流截面积和运动速度的平方成正比的关系。他还提出粘性流体运动时的内摩擦力公式，即牛顿粘性定律。,牛顿（Isaac.Newton，16431727）,第一章 绪论,1.1 流体力学的任务及其发展简史,一条途径是一些数学家和力学家，以牛顿力学理论和数学分析为基本方法，建立了理想液体运动的系统理论，称

6、为“水动力学”或古典流体力学。代表人物有伯努利（D.I.Bernouli）、欧拉（L.Euler）纳维埃（C.L.M.H.Navier）和斯托克斯（G.G.Stokes）等。,18至19世纪，沿着两条途径建立了流体运动的系统理论。,第一章 绪论,1.1 流体力学的任务及其发展简史,1738年伯努利给出理想流体运动的能量方程。,D.Bernoulli（17001782）瑞士科学家,第一章 绪论,1.1 流体力学的任务及其发展简史,1755年欧拉导出理想流体运动微分方程。,欧拉（L.Euler，17071783）瑞士科学家,第一章 绪论,1.1 流体力学的任务及其发展简史,拉格朗日提出了新的流体动

7、力学微分方程，使流体动力学的解析方法有了进一步发展。严格地论证了速度势的存在，并提出了流函数的概念，为应用复变函数去解析流体定常的和非定常的平面无旋运动开辟了道路。,拉格朗日（J.-L.Lagrange,17361813）,第一章 绪论,1.1 流体力学的任务及其发展简史,1821-1845年，纳维埃（C.L.M.H.Navier）和斯托克斯（G.G.Stokes）导出适用于实际流体运动的纳维埃-斯托克斯方程，即N-S方程。,纳维（L.Navier，17851836，法国）,斯托克斯（G.Stokes，18191903，英国）,第一章 绪论,1.1 流体力学的任务及其发展简史,1821-184

8、5年，另一途径是一些土木工程师，根据实际工程的需要，凭借实地观察和室内试验，建立实用的经验公式，以解决实际工程问题。这些成果被总结成以实际液体为对象的重实用的水力学。代表人物有毕托（H.Pitot）、谢才（A.de Chezy）、达西（H.Darcy）等。,第一章 绪论,1.1 流体力学的任务及其发展简史,1732年毕托发明了量测流体点流速的毕托管。,1769年谢才建立了计算均匀流的谢才公式。,第一章 绪论,1.1 流体力学的任务及其发展简史,1856年达西提出了线性渗流的达西定律。,第一章 绪论,1.1 流体力学的任务及其发展简史,1883年雷诺（O.Reynolds）发表了关于层流、湍流两

9、种流态的系列试验结果，又于1895年导出了紊流运动的雷诺方程。1904年普朗特（L.Prandtl）提出边界层概念，创立了边界层理论。这一理论既明确了理想流体的适用范围，又能计算实际物体运动时的阻力。,第一章 绪论,1.1 流体力学的任务及其发展简史,流体力学在中国大禹治水-4000多年前的大禹治水，说明我国古代已有大规模的治河工程。 (公元前256210年)秦代，在公元前256-前210年间便修建了都江堰、郑国渠、灵渠三大水利工程，说明当时对明槽水流和堰流流动规律的认识已经达到相当水平。真州船闸-北宋（960-1126）时期，在京杭大运河上修建的真州船闸与十四世纪末荷兰的同类船闸相比，约早三

10、百多年。近代，我国出现了象钱学森、周培源、吴仲华等流体力学知名专家，但流体力学整体在我国发展较为缓慢，有待于诸位的努力！,第一章 绪论,侧重于理论分析的流体力学称为理论流体力学。 侧重于工程应用的流体力学称为工程流体力学。,四、流体力学的研究方法 1. 理论分析-运用经典流体力学的原理研究流体运动。 2. 科学试验-通过试验的手段研究流体运动的规律性。 3. 数值模拟利用计算机数值求解描述液体运动的微分方 程、积分方程等，得到问题的数值解。,1.1 流体力学的任务及其发展简史,第一章 绪论,流体的物理性质是决定流体流动状态的内在因素，所以我们先学习流体有关的几个物理力学性质。,1.2 流体的主

11、要物理力学性质,1.2.1 惯性,惯性是物体保持其原有运动状态的一种特性，惯性的大小以质量来衡量，质量大的物体惯性大。,一个物体反抗改变原有运动状态而作用于其他物体上的反作用力称为惯性力。,第一章 绪论,水的密度 水银的密度,1.2 流体的主要物理力学性质,单位体积的流体质量是密度，密度的单位为,均质流体的密度,非均质流体的密度,温度与水的密度关系,液体的密度随温度和压强的变化甚微，一般近似认为液体的密度为常数。,第一章 绪论,物体之间具有相互吸引的性质，这个吸引力称为万有引力。地球对地球表面附近物体的引力称为重力。用G 表示，重力的大小称为重量。,1.2 流体的主要物理力学性质,1.2.2

12、万有引力特性,单位体积流体所具有的重力，称为容重（重度）。,第一章 绪论,1.2 流体的主要物理力学性质,1.2.3 粘性,前面我们学习了流体具有流动性。流动性是流体受切力作用发生连续变形的性质。这种变形亦称为减切变形。流体在运动状态下，内部质点间或流层间因相对运动而产生内摩擦力以抵抗减切变形的性质称为粘性。也就是说：当流体处于运动状态时，流体质点之间存在着相对运动，则质点间要产生内摩擦力抵制其相对运动，这种性质称为流体的粘滞性，此内摩擦力称为粘滞力。,观看录像演示,第一章 绪论,1.2 流体的主要物理力学性质,为了理解流体的粘性，如图所示，液体沿固定平面壁作平面直线运动，紧靠固体壁面的第一层

13、水层粘在壁面上不动；第一层通过摩擦作用影响第二层的流速、第二层又通过摩擦（粘性力）作用影响第三层流速，依此类推。,一、粘性表象,因各流层的不同，它们之间就有相对运动，上层的流得快，它就要拖动下一层，而下一层流得较慢，就要阻止上面一层，于是两层之间就产生内摩擦力，如图所示。,流体粘性示意图,流体粘性示意图,第一章 绪论,由于运动流体内部存在摩擦力，于是流体在运动过程中为克服内摩擦力就要不断消耗流体的能量，所以说粘性是引起流体运动能量损失的根源，因此在分析和研究流体运动中流体的粘性占有很重要的地位。,1.2 流体的主要物理力学性质,由于内摩擦力与作用面平行，故称故称为切力，用切应力表示，记作 ，（

14、单位用Pa， ）,应指出，粘性对流体运动的影响极为重要。,第一章 绪论,实验表明，相邻流层接触面的单位面积上所产生的,二、牛顿内摩擦定律,引入比例系数为,式中， 为动力粘度，简称粘度。 为流速梯度。,上式即为牛顿内摩擦定律，它可表述为：作层流做运动的流体，相邻流层间单位面积上所作用的内摩擦力，与流速梯度成正比，与流体的性质有关。,内摩擦力，即切应力存在,1.2 流体的主要物理力学性质,第一章 绪论,粘性切应力与速度梯度成正比；,(2)粘性切应力与角变形速率成正比；,(3)比例系数 称动力粘度，简称粘度。,牛顿内摩擦定律表明：,(4)运动粘度,1.2 流体的主要物理力学性质,观看录像演示,第一章

15、 绪论,温度对流体粘度的影响很大，压强对流体粘度的影响不大，一般忽略不计。,粘度的影响因素,1.2 流体的主要物理力学性质,水的粘度随温度的变化,第一章 绪论,温度对流体粘度的影响很大,温度,压强对流体粘度的影响不大，一般忽略不计,液体：分子内聚力是产生粘度的主要因素。温度分子间距分子吸引力内摩擦力粘度,气体：分子热运动引起的动量交换是产生粘度的主要因素。温度分子热运动动量交换内摩擦力粘度,粘度的影响因素,1.2 流体的主要物理力学性质,第一章 绪论,三、牛顿流体和非牛顿流体,1.牛顿流体,2.非牛顿流体,符合牛顿内摩擦定律的流体如水、空气、汽油和水银等,不符合牛顿内摩擦定律的流体如泥浆、血浆

16、、新拌水泥砂浆、新拌混凝土等。,1.2 流体的主要物理力学性质,第一章 绪论,例题1：一平板在油面上做水平运动（如图所示），已知平板的运动速度为u=40cm/s，油层的厚度=5mm，油的动力粘度=0.1Pas，求作用在平板上的切应力。,解：,因为油层的厚度很小，流层的流线分布可近似看做直线分布，即,由牛顿内摩擦定律,1.2 流体的主要物理力学性质,第一章 绪论,压缩性用体积压缩系数表示。,1.2.4 压缩性及膨胀性,压缩性：指流体受压,体积缩小,密度增大,除去外力后能恢复原状的性质膨胀性：指流体受热,体积膨胀,密度减小,温度下降后能恢复原状的性质,1.压缩性,体积压缩系数指恒温下液体体积的相对

17、缩小值与压强增值之比。,压强增大时体积缩小，所以加一个负号来确保压缩率为正值。,1.2 流体的主要物理力学性质,一、液体的压缩性及膨胀性,第一章 绪论,流体压缩时其质量并不改变，故,故,所谓弹性模量E，乃体积压缩系数的倒数，即,水的压缩性和膨胀性很小，在一般情况下可忽略不计，只有在某些特殊情况下，如水管阀门突然关闭时所发生的水击现象，自然循环的热水采暖系统等问题时，才需考虑其水的压缩性和膨胀性。,1.2 流体的主要物理力学性质,2.膨胀性,膨胀性用体积膨胀系数表示，在一定压强下，单位温升所引起的体积变化率。,第一章 绪论,气体具有明显的压缩性和膨胀性。常用气体的密度、压强和温度三者之间的关系，

18、相当符合理想气体状态方程，即,式中，p-为气体的绝对压强； T-为气体热力学温度； R-为气体常数，空气的气体常数是287J/（kgK）。,1.2 流体的主要物理力学性质,二、气体的压缩性及膨胀性,观看录像演示,第一章 绪论,1.2.5 表面张力特性,一、液体的表面张力1. 表面张力现象水滴悬在水龙头出口而不滴落；细管中的液体自动上升或下降一个高度（毛细管现象）；铁针浮在液面上而不下沉。2. 表面张力 在液体的自由表面上，由于分子间引力作用的结果，产生了及其微小的拉力，这种拉力称之为表面张力。,1.2 流体的主要物理力学性质,第一章 绪论,二、毛细管现象 直径很小两端开口的细管竖直插入液体中，

19、由于表面张力的作用，管中的液面会发生上升或下降的现象，称之为毛细管现象。,1.2 流体的主要物理力学性质,水,水银,第一章 绪论,欢 迎 提 问,如果您有任何问题，请毫不犹豫地提出 !,In case of you have any question, DO NOT hesitate to ask me !,第一章 绪论,1.3 作用在流体上的力,作用于流体上的力按作用方式不同分为：表面力和质量力,一、表面力,应力即单位面积上的表面力。,表面力是作用于流体的表面，并与受作用的表面面积成比例的力，常用应力来度量。,1. 表面力与作用面垂直的压应力,2. 表面力与作用面平行的切应力,隔离体受力分析

20、,第一章 绪论,1.3 作用在流体上的力,二、质量力,作用在每个流体质点上的力，其大小与流体质量成正比。如重力，惯性力，磁力等。在均质流体中，质量力又称体积力。,单位质量力,分别投影在三个坐标轴上,单位质量力及其分量具有加速度的量纲LT-2,第一章 绪论,欢 迎 提 问,如果您有任何问题，请毫不犹豫地提出 !,In case of you have any question, DO NOT hesitate to ask me !,第一章 绪论,1.4 流体的力学模型,定义：连续介质即假设流体是一种连续充满其所占空间毫无间隙的连续体。,连续介质的意义,连续介质的概念是瑞士学者欧拉在1753年提

21、出的。,避免了流体分子运动的复杂性，只需研究流体的宏观运动。可以利用数学上的连续函数来研究流体的平衡与运动规律。,1.4.1 连续介质模型,观看录像演示,第一章 绪论,在流体力学中，为研究方便，提出了理想流体的概念。,1.4.2 理想流体,理想流体就是把流体看作没有粘性的连续介质。而把考虑粘性的流体称为粘性流体或实际流体。我们研究流体的运动时，先把流体当成理想流体进行分析，然后再考虑粘性对粘性流体进行修正。,1.4 流体的力学模型,1.4.3 不可压缩流体,流体都是可压缩的，然而有许多流体，如水等液体，其密度变化很小，可忽略不计，由此引出了不可压缩流体的概念。,不可压缩流体就是把流体看作没有压

22、缩性和膨胀性的连续介质。,第一章 绪论,欢 迎 提 问,如果您有任何问题，请毫不犹豫地提出 !,In case of you have any question, DO NOT hesitate to ask me !,第一章 绪论,第一章 绪论,教学基本要求1、明确流体力学课程的性质和任务。2、了解流体的基本特征，连续介质和理想流体的概念和在流体力学研究中的作用。3、理解流体几个主要物理性质的特征和度量方法，重点掌握流体的粘滞性，包括牛顿内摩擦定律及其适用条件。4、了解质量力、表面力的定义，理解单位面积表面力（压强、切应力）和单位质量力的物理意义。学习重点1、连续介质和理想流体的概念。2、流体的基本特征和主要物理性质，特别是流体的粘滞性和牛顿内摩擦定律及其应用条件。3、作用在流体上的两种力。,第一章 绪论,课后习题,课外例题：如图所示水流在平板上运动，其靠近边壁附近的流速呈抛物线分布，B点为抛物线的端点，水的运动粘滞系数为,思考题全部；习题3、4、5、6,试求y=0,2,4cm处的切应力。,第一章 绪论,课后习题,由牛顿内摩擦定律知：,例题求解：,要先确定速度函数,设,已知条件：,解得：,第一章 绪论,课后习题,例题求解：,所以：,最终结果：,