流體力學(xué)多媒體章節(jié).ppt

流體力學(xué)多媒體課件,安徽建筑工業(yè)學(xué)院環(huán)境工程系 王造奇,緒 論,流體力學(xué)是研究流體機(jī)械運(yùn)動(dòng)規(guī)律及其應(yīng)用的科學(xué)，是力學(xué)的一個(gè)重要分支。 流體力學(xué)研究的對(duì)象液體和氣體。,流體力學(xué)發(fā)展簡(jiǎn)史 流體力學(xué)的研究方法 作用在流體上的力 流體的主要物理性質(zhì) 流體力學(xué)的模型,流體力學(xué)發(fā)展簡(jiǎn)史,第一階段（16世紀(jì)以前）：流體力學(xué)形成的萌芽階段 第二階段（16世紀(jì)文藝復(fù)興以后-18世紀(jì)中葉）流體力學(xué)成為一門獨(dú)立學(xué)科的基礎(chǔ)階段 第三階段（18世紀(jì)中葉-19世紀(jì)末）流體力學(xué)沿著兩個(gè)方向發(fā)展歐拉、伯努利 第四階段（19世紀(jì)末以來(lái)）流體力學(xué)飛躍發(fā)展,第一階段（16世紀(jì)以前）：流體力學(xué)形成的萌芽階段,公元前2286年公元前2278年 大禹治水疏壅導(dǎo)滯（洪水歸于河） 公元前300多年 李冰 都江堰深淘灘，低作堰 公元584年公元610年 隋朝 南北大運(yùn)河、船閘應(yīng)用 埃及、巴比倫、羅馬、希臘、印度等地水利、造船、航海產(chǎn)業(yè)發(fā)展 系統(tǒng)研究 古希臘哲學(xué)家阿基米德論浮體（公元前250年）奠定了流體靜力學(xué)的基礎(chǔ),返回,第二階段（16世紀(jì)文藝復(fù)興以后-18世紀(jì)中葉）流體力學(xué)成為一門獨(dú)立學(xué)科的基礎(chǔ)階段,1586年 斯蒂芬水靜力學(xué)原理 1650年 帕斯卡“帕斯卡原理” 1612年 伽利略物體沉浮的基本原理 1686年 牛頓牛頓內(nèi)摩擦定律 1738年 伯努利理想流體的運(yùn)動(dòng)方程即伯努利方程 1775年 歐拉理想流體的運(yùn)動(dòng)方程即歐拉運(yùn)動(dòng)微分方程,第三階段（18世紀(jì)中葉-19世紀(jì)末）流體力學(xué)沿著兩個(gè)方向發(fā)展歐拉（理論）、伯努利（實(shí)驗(yàn)）,工程技術(shù)快速發(fā)展，提出很多經(jīng)驗(yàn)公式 1769年 謝才謝才公式（計(jì)算流速、流量） 1895年 曼寧曼寧公式（計(jì)算謝才系數(shù)） 1732年 比托比托管（測(cè)流速） 1797年 文丘里文丘里管（測(cè)流量） 理論 1823年納維，1845年斯托克斯分別提出粘性流體運(yùn)動(dòng)方程組（N-S方程）,第四階段（19世紀(jì)末以來(lái)）流體力學(xué)飛躍發(fā)展,理論分析與試驗(yàn)研究相結(jié)合 量綱分析和相似性原理起重要作用 1883年 雷諾雷諾實(shí)驗(yàn)（判斷流態(tài)） 1903年 普朗特邊界層概念（繞流運(yùn)動(dòng)） 1933-1934年 尼古拉茲尼古拉茲實(shí)驗(yàn)（確定阻力系數(shù)） ,流體力學(xué)與相關(guān)的鄰近學(xué)科相互滲透，形成很多新分支和交叉學(xué)科,流體力學(xué)的研究方法,理論分析方法、實(shí)驗(yàn)方法、數(shù)值方法相互配合，互為補(bǔ)充 理論研究方法 力學(xué)模型物理基本定律求解數(shù)學(xué)方程分析和揭示本質(zhì)和規(guī)律 實(shí)驗(yàn)方法 相似理論模型實(shí)驗(yàn)裝置 數(shù)值方法 計(jì)算機(jī)數(shù)值方法是現(xiàn)代分析手段中發(fā)展最快的方法之一,作用在流體上的力,1.質(zhì)量力：作用在所研究的流體質(zhì)量中心，與質(zhì)量成正比,重力 慣性力,單位質(zhì)量力,重力,2.表面力：外界對(duì)所研究流體表面的作用力，作用在外 表面，與表面積大小成正比,應(yīng)力,切線方向： 切向應(yīng)力剪切力,內(nèi)法線方向： 法向應(yīng)力壓強(qiáng),F,A,Fn,F,表面力具有傳遞性,流體相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)因粘性而產(chǎn)生的內(nèi)摩擦力,流體的主要物理性質(zhì) 慣性、粘性、壓縮（膨脹）性,1.慣性,密度,常見的密度（在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下）： 4時(shí)的水 20時(shí)的空氣,容重（重度）,比重,2.粘性：在外力作用下，流體微元間出現(xiàn)相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)， 隨之產(chǎn)生阻抗相對(duì)運(yùn)動(dòng)的內(nèi)摩擦力,微觀機(jī)制：分子間吸引力、分子不規(guī)則運(yùn)動(dòng)的動(dòng)量交換,牛頓內(nèi)摩擦定律：,切應(yīng)力：,z,v,v+dv,v,x,z,dz,y,a.速度梯度 的物理意義,角變形速度（剪切變形速度）,vdt,(v+dv)dt,dvdt,dz,d,流體與固體在摩擦規(guī)律上完全不同,正比于dv/dz,正比于正壓力，與速度無(wú)關(guān),b.動(dòng)力粘度（系數(shù)）：與流體性質(zhì)有關(guān) PaS,運(yùn)動(dòng)粘度（系數(shù)）： m/s,微觀機(jī)制：,液體 吸引力 T ,氣體 熱運(yùn)動(dòng) T ,dv/dz,牛頓流體,o,牛頓流體服從牛頓內(nèi)摩擦定律的流體（水、大部分輕油、氣體等）,c.牛頓流體與非牛頓流體,0,dv/dz,o,塑性流體,非牛頓流體,塑性流體克服初始應(yīng)力0后，才與速度梯度成正比（牙膏、新拌水泥砂漿、中等濃度的懸浮液等）,dv/dz,o,擬塑性流體,擬塑性流體的增長(zhǎng)率隨dv/dz的增大而降低（高分子溶液、紙漿、血液等）,dv/dz,o,膨脹型流體,膨脹型流體的增長(zhǎng)率隨dv/dz的增大而增加（淀粉糊、挾沙水流）,0,dv/dz,o,膨脹型流體,牛頓流體,擬塑性流體,塑性流體,例：汽缸內(nèi)壁的直徑D=12cm，活塞的直徑d=11.96cm，活塞長(zhǎng)度L=14cm，活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)的速度為1m/s，潤(rùn)滑油的 =0.1Pas。求作用在活塞上的粘性力。,解：,注意：面積、速度梯度的取法,d,D,L,例：旋轉(zhuǎn)圓筒粘度計(jì)，外筒固定，內(nèi)筒轉(zhuǎn)速n=10r/min。內(nèi)外筒間充入實(shí)驗(yàn)液體。內(nèi)筒r1=1.93cm，外筒 r2=2cm，內(nèi)筒高h(yuǎn)=7cm，轉(zhuǎn)軸上扭距M=0.0045Nm。求該實(shí)驗(yàn)液體的粘度。,解：,注意：1.面積A的取法； 2.單位統(tǒng)一,h,n,r1,r2,得,3.壓縮（膨脹）性,a.壓縮系數(shù),在一定溫度下，密度的變化率與壓強(qiáng)的變化成正比,體積模量（彈性模量）,b.膨脹系數(shù),在一定壓強(qiáng)下，體積的變化率與溫度的變化成正比,c.氣體,理想氣體狀態(tài)方程,R氣體常數(shù) 空氣R=8.31/0.029=287J/kgK,等溫過(guò)程：壓縮系數(shù),等壓過(guò)程：膨脹系數(shù),絕熱過(guò)程：壓縮系數(shù),低速（標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)，v68m/s）氣流可按不可壓縮流體處理,表面張力和毛細(xì)現(xiàn)象,1.表面張力：由分子的內(nèi)聚力引起 單位：N/m,發(fā)生在液氣接觸的周界、液固接觸的周界、不同液體接