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1、工程流体力学,中国地质大学工程学院力学课部石奎,1-1流体力学的任务及发展简史1-2流体的特征和连续介质假设1-3流体的主要物理性质1-4作用在流体上的力,第一章绪论,1-1流体力学的任务及发展简史,一、研究内容,流、固体相互作用,流动规律,平衡规律,流体动力学,流体运动学,流体静力学,掌 握,基本概念、基本原理 基本计算方法,公式推导的前提条件、适用范围 各种系数的确定方法 结合实际灵活运用,测压、测速、测流量的仪器原理 使用方法,明 确,熟 悉,二、重点内容,航空航天航海,流体力学也是众多应用科学和工程技术的基础。,由于空气动力学的发展，人类研制出3倍声速的战斗机。,F-15,使重量超过3
2、百吨，面积达半个足球场的大型民航客机，靠空气的支托象鸟一样飞行成为可能，创造了人类技术史上的奇迹。,利用超高速气体动力学，物理化学流体力学和稀薄气体力学的研究成果，人类制造出航天飞机，建立太空站，实现了人类登月的梦想。,排水量达50万吨以上的超大型运输船,航速达30节，深潜达数百米的核动力潜艇,单价超过10亿美元，能抵御大风浪的海上采油平台,海洋石油钻井平台,用翼栅及高温，化学，多相流动理论设计制造成功大型气轮机，水轮机，涡喷发动机等动力机械，为人类提供单机达百万千瓦的强大动力。,大型水利枢纽工程，超高层建筑，大跨度桥梁等的设计和建造离不开水力学和风工程。,长江三峡工程,大型水利枢纽工程，超高
3、层建筑，大跨度桥梁等的设计和建造离不开水力学和风工程。,环境与生态控制,水污染,大气污染,灾害预报与控制,龙卷风,火山与地震预报,流体力学需要与其他学科交叉，如工程学，地学，天文学，物理学，材料科学，生命科学等，在学科交叉中开拓新领域，建立新理论，创造新方法。,星云,毛细血管流动,四、流体力学发展史,第一阶段（16世纪以前）：流体力学形成的萌芽阶段,公元前250年,流体力学第一部著作,流体静力学,阿基米德：古希腊数学家、力学家，静力学和流体静力学的奠基人,论浮体,第二阶段（16世纪文艺复兴以后-18世纪中叶）流体力学成为一门独立学科的基础阶段,水力学,沉浮、孔口出流、物体的运动阻力以及管道、明
4、渠中水流等问题,实验方法了解水流性态,1612年,流体静力学,潜体的沉浮原理,在流体静力学中应用了虚位移原理，并首先提出，运动物体的阻力随着流体介质密度的增大和速度的提高而增大。,伽利略,1643年,孔口泄流公式,1650年,液体中压力传递定律,托里切利,帕斯卡,1686年,流体黏性,黏性,自然哲学的数学原理,牛顿内摩擦定律,牛顿：英国伟大的数学家、物理学家、天文学家和自然哲学家。,第三阶段（18世纪中叶-19世纪末）流体力学沿着两个方向发展欧拉（理论）、伯努利（实验）,1755年,理想流体平衡微分方程,流体静力学,理想流体运动微分方程,流体动力学基础,欧拉：瑞士数学家、力学家、天文学家、物理
5、学家，变分法的奠基人，复变函数论的先驱者，理论流体力学的创始人。,NS方程,流体动力学基础,黏性流体运动微分方程,第四阶段（19世纪末以来）流体力学飞跃发展,理论分析与试验研究相结合量纲分析和相似性原理起重要作用1883年雷诺雷诺实验（判断流态）1903年普朗特边界层概念（绕流运动）1933-1934年尼古拉兹尼古拉兹实验（确定阻力系数）,流体力学与相关的邻近学科相互渗透，形成很多新分支和交叉学科。,层流、紊流,黏性流体的一维定常流动,雷诺应力,雷诺：英国力学家、物理学家和工程师。杰出的实验科学家。,1883年,1904年,边界层理论,不可压缩流体二维边界层概述,德国力学家。现代流体力学的创始
6、人之一。边界层理论、风洞实验技术、机翼理论、紊流理论等方面都作出了重要的贡献，被称作空气动力学之父。,普朗特,1912年,卡门涡街,卡 门：美国著名空气动力学家,解释机翼张线的线鸣、水下螺旋桨的嗡鸣,流体力学在中国,真州船闸北宋（960-1126）时期，在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，约早三百多年。潘季顺明朝的水利家潘季顺（1521-1595）提出了“筑堤防溢，建坝减水，以堤束水，以水攻沙”和“借清刷黄”的治黄原则，并著有两河管见、两河经略和河防一揽。流 量清朝雍正年间，何梦瑶在算迪一书中提出流量等于过水断面面积乘以断面平均流速的计算方法。,都江堰,（公元前302-235
7、）,李冰,钱学森（1911）浙江省杭州市人， 他在火箭、导弹、航天器的总体、动力、制导、气动力、结构、材料、计算机、质量控制和科技管理等领域的丰富知识，为中国火箭导弹和航天事业的创建与发展作出了杰出的贡献。1957年获中国科学院自然科学一等奖，1979年获美国加州理工学院杰出校友奖，1985年获国家科技进步奖特等奖。1989年获小罗克维尔奖章和世界级科学与工程名人称号，1991年被国务院、中央军委授予“国家杰出贡献科学家”荣誉称号和一级英模奖章。,周培源（ 19021993)。 1902年8月28日出生，江苏宜兴人。理论学家、流体力学家主要从事物理学的基础理论中难度最大的两个方面即爱因斯坦广义
8、相对论引力论和流体力学中的湍流理论的研究与教学并取得出色成果。,吴仲华（Wu Zhonghua）在1952年发表的在轴流式、径流式和混流式亚声速和超声速叶轮机械中的三元流普遍理论和在1975年发表的使用非正交曲线坐标的叶轮机械三元流动的基本方程及其解法两篇论文中所建立的叶轮机械三元流理论，至今仍是国内外许多优良叶轮机械设计计算的主要依据。,五、流体力学研究方法,理论分析方法、实验方法、数值方法相互配合，互为补充理论研究方法力学模型物理基本定律求解数学方程分析和揭示本质和规律实验方法相似理论模型实验装置数值方法计算机数值方法是现代分析手段中发展最快的方法之一,1-2流体的特征和连续介质假设,一、
9、流体的定义和特征,任何一个微小的剪切力都能使流体发生连续的变形,固体的变形与受力的大小成正比,流体与固体的区别,固体,流体,流体与固体的区别,原因：,由于分子间的作用力不同造成的,流体所含的分子数少 分子间隙大 流体分子间作用力小 分子运动剧烈,流动性无固定形状,液体与气体的区别,液体难于压缩；而气体易于压缩。,液体有一定的体积，存在一个自由液面；气体 能充满任意形状的容器，无一定的体积，不存 在自由液面。,液体的分子距和分子的有效直径差不多是相等的气体分子距比分子平均直径约大十倍。,液体有力求自身表面积收缩到最小的特性气体分子间的吸引力微小，分子热运动起决定性作用,问题的引出：,微观：分子间
10、存有空隙，在空间是不连续的。,宏观：一般工程中，所研究流体的空间尺度 要比分子距离大得多。,流体是由大量做无规则运动的分子组成的，分子之间存在空隙，但在标准状况下，1mm3液体中含有3.31019个左右的分子，相邻分子间的距离约为3.110-8cm。1mm3气体中含有2.71016个左右的分子，相邻分子间的距离约为3.210-7cm,二、流体的连续介质假设,必要性：,连续介质假设后物理量在流体中连续分布可将流体的各物理量看作是空间坐标和时间的连续函数解析方法等数学工具来研究流体的平衡和运动规律,流体连续介质物理量连续,合理性：流体分子的间隙极其微小可看做连续介质,避免了流体分子运动的复杂性，只
11、需研究流体的宏观运动。,可以利用数学工具来研究流体的平衡与运动规律。,优 点:,1mm3液体3.310191mm3气体2.71016,适用范围：,火箭在高空稀薄气体中飞行 激波 MEMS（微尺度流体机械系统）,L / l 100 适用,L 物体特征尺寸l 流体质点特征尺寸,1-2流体的主要物理性质,一、流体的密度,定义：单位体积流体所具有的质量 用符号来表示。,单位：kg/m3,均质流体：,非均质流体：,常见流体的密度：,流体重要属性，表征流体在空间某点质量的密集程度。,二、流体的压缩性和膨胀性,定义：在一定压强下，单位温升引起的体积变化率。,1、液体的膨胀性,体积膨胀系数,在一般情况下，液体
12、的体积膨胀系数忽略不计。,定义：在一定温度下，单位压强所引起的体积相对减小值。,2、液体的压缩性,体积压缩系数,在一般情况下，液体的体积压缩系数忽略不计。,2、液体的压缩性（续）,体积模量K ：压缩系数的倒数。,说 明：,工程上常用体积模量衡量流体压缩性,越大，越易被压缩,流体的种类不同，其值不同。气体压缩性大于液体。,同一种流体的值随温度、压强的变化而变化。,3、气体的压缩性和膨胀性,理想气体状态方程,R气体常数空气R=8.31/0.029=287J/kgK,等温过程：压缩系数,等压过程：膨胀系数,绝热过程：压缩系数,不可压缩流体：流体密度随温度、压强变化很小的流体。,不可压均质流体：,可压
13、缩流体：,4、不可压缩流体和可压缩流体,严格地说，不存在完全不可压缩的流体。,对于气体，当所受压强变化相对较小时，可视为不可压缩流体。 （锅炉尾部烟道）,气体对物体流动的相对速度比声速要小得多时，气体的密度变化也很小，可以近似地看成是常数，也可当作不可压缩流体处理。,三、流体的黏性,1、流体的黏性,定义：在外力作用下，流体微元间出现相对运动时，产生阻抗相对运动的切向阻力的性质。,库仑实验(1784),普通板、涂腊板和细沙板，三种圆板的衰减时间,2.牛顿内摩擦定律,与接触面的面积A成正比,与流体的种类有关,与接触面上压强P 无关,与垂直于流动方向的速度梯度du/dy成正比,F 流体层接触面上的内
14、摩擦力，N；A流体层间的接触面积，m2；du/dy垂直于流动方向上的速度梯度，1/s； 动力黏度，Pas。,牛顿内摩擦定律,速度梯度,则,角变形率,3.粘度的表示方法, 动力黏度，Pas, 运动黏度，m2/s,反映流体粘滞性大小的系数,四、影响粘度的因素,液体吸引力T,气体热运动T,4.牛顿流体、非牛顿流体,牛顿流体：是指任一点上的剪应力都同剪切变形速率呈线性函数关系的流体，即遵循牛顿内摩擦定律的流体称为牛顿流体。,非牛顿流体：不符合上述条件的均称为非牛顿流体。,o,膨胀型流体,牛顿流体,拟塑性流体,塑性流体,流 体 分 类,四、液体的表面张力和毛细现象,内聚力：是分子间的相互吸引力。,附着力
15、：是指两种不同物质接触部分的相互吸引力。,表面张力：液体表面由于分子引力不均衡而产生的 沿表面作用于任一界线上的张力。,表面张力,表面张力系数：是指自由液面上单位长度所受到的 表面张力。单位为N/m。,毛细现象,液体在细管中能上升或下降的现象液体沿固体上升：内聚力大于附着力液体沿固体下降：内聚力小于附着力,连续介质流体微元具有流体宏观特性的最小体积的流体团理想流体不考虑粘性的流体不可压缩性=c,五、流体力学的模型,1-4作用在流体上的力,作用在流体上的力可以分为两大类，表面力和质量力。,一、表面力,定义：,两个分力,与流体表面相切的切向力T,特点：,分离体以外的流体通过接触面作用在流体上的力，
16、其大小与作用面积成正比,通过接触面产生的力 与面积成正比,与流体表面垂直的法向力P,作用在流体上的表面力,法向应力p,切向应力,压 强,切应力,二、质量力,定义：作用在流体某体积内所有流体质点上并与这一 体积的流体质量成正比的力，又称体积力。,特点：,例如：重力、惯性力等,单位质量力:,非接触力与流体质量成正比,例1-1一平板距另一固定平板=0.5mm，二板水平放置,其间充满流体，上板在单位面积上为=2N/m2的力作用下，以u=0.25m/s的速度移动。试求该流体的动力黏度,由于两平板间隙很小，速度分布可认为是线性分布，可用增量来表示微分,解：,由牛顿内摩擦定律,（Pas）,例1-2一汽缸内壁
17、的直径D=12cm，活塞的直径d=11.96cm，活塞长度L=14cm，活塞往复运动的速度为1m/s，润滑油的 =0.1Pas。求作用在活塞上的粘性力。,解：,注意：面积、速度梯度的取法,例1-3 动力粘度0.172Pas的润滑油充满在两个同轴圆柱体的间隙中，外筒固定，内径D12cm，间隙h0.02cm，试求：（1）当内筒以速度U1m/s沿轴线方向运动时，内筒表面的切应力1，如图（a）；（2）当内筒以转速n180r/min旋转时，内筒表面的切应力2，如图（b）。,解：因内、外筒之间的间隙h很小，间隙中的润滑油运动速度可以看作线性分布，即,内筒外径,（1）当内筒以速度U1m/s沿轴线方向运动时，
18、内筒表面的切应力,（2）当内筒以转速n180r/min旋转时，内筒表面的切应力,1、流体的粘度与哪些因素有关？它们随温度如何变化？,流体流体的种类、温度、压强。液体粘度随温度升高而减小，气体粘度随温度升高而增大。,2、牛顿流体的与du/dy成正比，那么与du/dy成正比的流体一定是牛顿流体吗 ？,不一定，因为宾汉塑性流体的与du/dy成正比，但曲线不通过原点。,3、为什么荷叶上的露珠总是呈球形？,表面张力的作用。,思考,4、一块毛巾，一头搭在脸盆内的水中， 一头在脸盆外，过了一段时间后，脸盆外的台子上湿了一大块，为什么？,5、为什么测压管的管径通常不能小于1厘米？,毛细现象。,如管的内经过小，就会引起毛细现象，毛细管内液面上升或下降的高度较大，从而引起过大的误差。,
