流體力學(xué)第二劉鶴主編緒論P(yáng)PT學(xué)習(xí)教案

1、會(huì)計(jì)學(xué)1 流體力學(xué)第二劉鶴主編緒論流體力學(xué)第二劉鶴主編緒論 第1頁(yè)/共37頁(yè) 第2頁(yè)/共37頁(yè) n 流體力學(xué)在土木工程中的應(yīng)用流體力學(xué)在土木工程中的應(yīng)用 水利工程水利工程 江河海堤壩江河海堤壩 水庫(kù)大壩水庫(kù)大壩 水力電站水力電站 橋梁、涵洞、倒橋梁、涵洞、倒 虹吸管虹吸管 n水利、建筑、路橋工程水利、建筑、路橋工程 基坑排水基坑排水 地基抗?jié)B穩(wěn)定處理地基抗?jié)B穩(wěn)定處理 圍堰新建圍堰新建 n給水排水工程、環(huán)境工程給水排水工程、環(huán)境工程 取水取水 水處理水處理 輸配水輸配水 n路橋工程路橋工程 排水排水 地表水截水溝、邊溝、排水溝、急流槽、跌水等地表水截水溝、邊溝、排水溝、急流槽、跌水等 消能措施消

2、能措施 地下水滲水暗溝、盲溝地下水滲水暗溝、盲溝 跨越河流、溝渠跨越河流、溝渠 橋梁、涵洞、倒虹吸管、透水路堤橋梁、涵洞、倒虹吸管、透水路堤 第3頁(yè)/共37頁(yè) 第一章第一章 緒緒 論論 學(xué)習(xí)要求：學(xué)習(xí)要求： 1 1、了解流體的主要物理力學(xué)性質(zhì)，理解易流動(dòng)特、了解流體的主要物理力學(xué)性質(zhì)，理解易流動(dòng)特 性和粘滯性，掌握牛頓內(nèi)摩擦定律。性和粘滯性，掌握牛頓內(nèi)摩擦定律。 2 2、理解質(zhì)量力和表面力，掌握其表示方法。、理解質(zhì)量力和表面力，掌握其表示方法。 3 3、理解連續(xù)介質(zhì)（質(zhì)點(diǎn)的概念）、粘性流體、理、理解連續(xù)介質(zhì)（質(zhì)點(diǎn)的概念）、粘性流體、理 想流體、不可壓縮流體、可壓縮流體。想流體、不可壓縮流體、可

3、壓縮流體。 4 4、知道流體的研究方法。、知道流體的研究方法。 第4頁(yè)/共37頁(yè) 第5頁(yè)/共37頁(yè) 第6頁(yè)/共37頁(yè) 第7頁(yè)/共37頁(yè) 第8頁(yè)/共37頁(yè) 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 第9頁(yè)/共37頁(yè) 1-1 1-1 流體力學(xué)的任務(wù)及研究對(duì)象流體力學(xué)的任務(wù)及研究對(duì)象 液體與氣體統(tǒng)稱為流體。液體與氣體統(tǒng)稱為流體。 本書(shū)主要研究以水為代表的流體的宏觀運(yùn)動(dòng)和平本書(shū)主要研究以水為代表的流體的宏觀運(yùn)動(dòng)和平 衡規(guī)律及其應(yīng)用。衡規(guī)律及其應(yīng)用。 流體的基本特征：易流動(dòng)、不易壓縮、均勻等向的連續(xù)體。流體的基本特征：易流動(dòng)、不易壓縮、均勻等向的連續(xù)體。 各點(diǎn)性質(zhì)相同 同一點(diǎn)上各方向

4、性質(zhì)相同 自然界物質(zhì)的三種狀態(tài)：固體、液體和氣體自然界物質(zhì)的三種狀態(tài)：固體、液體和氣體 第10頁(yè)/共37頁(yè) 第11頁(yè)/共37頁(yè) 1-2 1-2 連續(xù)介質(zhì)假定（宏觀上）連續(xù)介質(zhì)假定（宏觀上） 假定流體所占據(jù)的空間完全由流體質(zhì)點(diǎn)所充滿而假定流體所占據(jù)的空間完全由流體質(zhì)點(diǎn)所充滿而 沒(méi)有任何空隙的連續(xù)體。沒(méi)有任何空隙的連續(xù)體。 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)： 避免了流體分子運(yùn)動(dòng)的復(fù)雜性，只需研究流體的宏觀運(yùn)動(dòng)避免了流體分子運(yùn)動(dòng)的復(fù)雜性，只需研究流體的宏觀運(yùn)動(dòng) 可以利用數(shù)學(xué)工具來(lái)研究流體的平衡與運(yùn)動(dòng)規(guī)律可以利用數(shù)學(xué)工具來(lái)研究流體的平衡與運(yùn)動(dòng)規(guī)律 第12頁(yè)/共37頁(yè) 1-2 1-2 流體力學(xué)的研究方法流體力學(xué)的研究方法 1

5、 1 理論分析法理論分析法 2 2 科學(xué)實(shí)驗(yàn)法科學(xué)實(shí)驗(yàn)法 3 3 數(shù)值計(jì)算數(shù)值計(jì)算法法 建立力學(xué)模型建立力學(xué)模型 建立數(shù)學(xué)方程建立數(shù)學(xué)方程 求解方程求解方程 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證 原型觀測(cè)原型觀測(cè) 模型試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮囼?yàn) 系統(tǒng)試驗(yàn)系統(tǒng)試驗(yàn) 研究方法研究方法 有限差分法有限差分法 有限元法有限元法 邊界元法等邊界元法等 第13頁(yè)/共37頁(yè) 第14頁(yè)/共37頁(yè) 進(jìn)而可以導(dǎo)出液體平衡或運(yùn)動(dòng)進(jìn)而可以導(dǎo)出液體平衡或運(yùn)動(dòng) 狀態(tài)下的基本關(guān)系式。狀態(tài)下的基本關(guān)系式。 第15頁(yè)/共37頁(yè) 面力面力 第16頁(yè)/共37頁(yè) 第17頁(yè)/共37頁(yè) 1-2 1-2 流體的主要物理力學(xué)性質(zhì)流體的主要物理力學(xué)性質(zhì) 量綱量綱物理量的種類。

6、如：長(zhǎng)度、時(shí)間、質(zhì)量等。物理量的種類。如：長(zhǎng)度、時(shí)間、質(zhì)量等。 一、易流動(dòng)一、易流動(dòng) 性性 單位單位 量度物理量的基準(zhǔn)。量度物理量的基準(zhǔn)。 量綱分為基本量綱和導(dǎo)出量綱量綱分為基本量綱和導(dǎo)出量綱 流體在靜止時(shí)不能承受切應(yīng)力和不能抵抗剪切變流體在靜止時(shí)不能承受切應(yīng)力和不能抵抗剪切變 形的性質(zhì)稱為流體的易流動(dòng)性。形的性質(zhì)稱為流體的易流動(dòng)性。 第18頁(yè)/共37頁(yè) 二、慣性（質(zhì)量和密度）二、慣性（質(zhì)量和密度） 慣性慣性 物體保持原有運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的特性。物體保持原有運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的特性。 慣性的大小以質(zhì)量來(lái)度量。慣性的大小以質(zhì)量來(lái)度量。 密度密度 單位體積流體所具有的質(zhì)量，用符號(hào)單位體積流體所具有的質(zhì)量，用符號(hào)表示

7、。表示。 密度的國(guó)際單位為：密度的國(guó)際單位為：kg/m3。 物體中所含物質(zhì)數(shù)量，稱為質(zhì)量。物體中所含物質(zhì)數(shù)量，稱為質(zhì)量。 對(duì)于液體，一般情況下，壓強(qiáng)和溫度對(duì)對(duì)于液體，一般情況下，壓強(qiáng)和溫度對(duì)的影響極小。的影響極小。 慣性力慣性力 由流體慣性引起的對(duì)外界抵抗的反作用力。由流體慣性引起的對(duì)外界抵抗的反作用力。 F = Ma 通常取水的密度為：通常取水的密度為：1000kg/m3。 第19頁(yè)/共37頁(yè) 三、重力特性（重量和容重）三、重力特性（重量和容重） 容重容重 單位體積液體所具有的重量，用符號(hào)單位體積液體所具有的重量，用符號(hào) 表示。表示。 容重的國(guó)際單位為：容重的國(guó)際單位為：N/m3或或kN/m

8、3。 G = Mg 液體受地球引力的性質(zhì)，稱為重力特性。液體受地球引力的性質(zhì)，稱為重力特性。 式中：式中：g 重力加速度，一般取重力加速度，一般取 g = 9.8 m/s2。 = g 水的容重為：水的容重為：9.8103N/m3或或 9.8kN/m3。 第20頁(yè)/共37頁(yè) 四、粘滯性四、粘滯性 運(yùn)動(dòng)的流體具有一定的阻抗剪切變形的能力，這種運(yùn)動(dòng)的流體具有一定的阻抗剪切變形的能力，這種 特性稱為液體的特性稱為液體的粘性和粘滯性粘性和粘滯性。 由于流體中存在粘滯性，運(yùn)動(dòng)流體需要克服內(nèi)摩擦由于流體中存在粘滯性，運(yùn)動(dòng)流體需要克服內(nèi)摩擦 力作功，因此它是流體在流動(dòng)中產(chǎn)生能量損失的主要力作功，因此它是流體在

9、流動(dòng)中產(chǎn)生能量損失的主要 原因。原因。 靜止時(shí)，流體沒(méi)有抵抗剪切變形的能力，即流體具靜止時(shí)，流體沒(méi)有抵抗剪切變形的能力，即流體具 有易流動(dòng)性。有易流動(dòng)性。 此處的內(nèi)摩擦力就是粘滯力 第21頁(yè)/共37頁(yè) 粘性對(duì)流體運(yùn)動(dòng)的影響：粘性對(duì)流體運(yùn)動(dòng)的影響： 粘滯力：粘滯力： dy du 式中：式中： 單位面積上的內(nèi)摩擦力，稱為內(nèi)摩擦切應(yīng)力單位面積上的內(nèi)摩擦力，稱為內(nèi)摩擦切應(yīng)力 動(dòng)力粘滯系數(shù)，單位為：帕斯卡動(dòng)力粘滯系數(shù)，單位為：帕斯卡秒秒 dy du 流速梯度，即流速沿流速梯度，即流速沿y方向的變化率方向的變化率 牛頓內(nèi)摩擦定律牛頓內(nèi)摩擦定律 令：令：稱為運(yùn)動(dòng)粘度稱為運(yùn)動(dòng)粘度 第22頁(yè)/共37頁(yè) 對(duì)牛頓內(nèi)

10、摩擦定理的幾點(diǎn)說(shuō)明：對(duì)牛頓內(nèi)摩擦定理的幾點(diǎn)說(shuō)明： dy du 1. 1. 液體：溫度越高，粘度越小；氣體剛好相反；液體：溫度越高，粘度越??；氣體剛好相反； 物理意義：剪切變形速度； 粘度與壓強(qiáng)和溫度相關(guān) 2. 2. 上式不是對(duì)所有的液體都適用，僅適用于牛頓流體；上式不是對(duì)所有的液體都適用，僅適用于牛頓流體； 3. 3. 牛頓流體：在溫度不變的條件下，粘度值不變的流體；凡是牛頓流體：在溫度不變的條件下，粘度值不變的流體；凡是 滿足上式關(guān)系的流體都是牛頓流體；滿足上式關(guān)系的流體都是牛頓流體； 4. 4. 水、空氣、油類和水銀等流體在一般溫度下都是牛頓流體。水、空氣、油類和水銀等流體在一般溫度下都是

11、牛頓流體。 假設(shè)假設(shè) 沒(méi)有粘性的液體（粘度沒(méi)有粘性的液體（粘度 為為0 0），成為理想液體。實(shí)際中不），成為理想液體。實(shí)際中不 存在理想液體，都是有粘性的。存在理想液體，都是有粘性的。 第23頁(yè)/共37頁(yè) 表表1-1 1-1 水的黏度與溫度的關(guān)系水的黏度與溫度的關(guān)系 第24頁(yè)/共37頁(yè) 表表1-2 1-2 空氣的黏度與溫度的關(guān)系空氣的黏度與溫度的關(guān)系 第25頁(yè)/共37頁(yè) y u d d 004. 0 25. 0 105 . 0 2 0 d d 3 u y u 第26頁(yè)/共37頁(yè) 第27頁(yè)/共37頁(yè) 五、壓縮性和膨脹性五、壓縮性和膨脹性 壓縮性壓縮性 流體受壓、體積縮小、密度增大的性質(zhì)。流體受壓

12、、體積縮小、密度增大的性質(zhì)。 解除解除外力后又能恢復(fù)原狀的特性，稱為彈性。外力后又能恢復(fù)原狀的特性，稱為彈性。 液體的壓縮性和彈性，常用壓縮系數(shù)液體的壓縮性和彈性，常用壓縮系數(shù) 和彈性系數(shù)和彈性系數(shù) K來(lái)度來(lái)度 量。量。 1 dV V dV V dp dp K 式中：式中：p 外加壓強(qiáng)外加壓強(qiáng) 壓縮系數(shù)壓縮系數(shù) (m2/s) ) K 體積彈性模量體積彈性模量 (Pa) ) 越大，液體越易壓縮。越大，液體越易壓縮。 膨脹性膨脹性 流體受熱、體積膨脹、密度減小的性質(zhì)。流體受熱、體積膨脹、密度減小的性質(zhì)。 第28頁(yè)/共37頁(yè) 1 dV V d dpdp 液體的熱膨脹性用熱膨脹系數(shù)表示。表示在一液體的

13、熱膨脹性用熱膨脹系數(shù)表示。表示在一 定的壓強(qiáng)下，溫度升高一度，密度的相對(duì)減小率。定的壓強(qiáng)下，溫度升高一度，密度的相對(duì)減小率。 若液體的原體積為若液體的原體積為V，溫度增加，溫度增加dT后，體積增加后，體積增加dV ，熱膨脹系數(shù)為：，熱膨脹系數(shù)為： 11 V dVd VdTdT 第29頁(yè)/共37頁(yè) 第30頁(yè)/共37頁(yè) pRT 第31頁(yè)/共37頁(yè) 第32頁(yè)/共37頁(yè) 六、表面張力特性六、表面張力特性 當(dāng)液體與其它流體或固體接觸時(shí)，在分界面上都產(chǎn)生表面張力， 出現(xiàn)一些特殊現(xiàn)象，例如空氣中的雨滴呈球狀，液體的自由表 面好像一個(gè)被拉緊了的彈性薄膜等。 表面張力的形成主要取決于分界面液體分子間的吸引力，也稱 為內(nèi)聚力。 液體在表面張力作用下具有盡量縮小其表面的趨勢(shì)。液體在表面張力作用下具有盡量縮小其表面的趨勢(shì)。 表面張力的大小，用表面張力系數(shù)表面張力的大小，用表面張力系數(shù) 度量。度量。 單位長(zhǎng)度的表面張力，稱為表面張力系數(shù)，單位為：?jiǎn)挝婚L(zhǎng)度的表面張力，稱為表面張力系數(shù)，單位為：N/m。 表面張力系數(shù)表面張力系數(shù) 隨液體種類和溫度而變化。隨液體種類和溫度而變化。 表面張力是液體的特有性質(zhì)。表面張力是液體的特有性質(zhì)。 第33頁(yè)/共37頁(yè) 液體在細(xì)管中能上升或下降的現(xiàn)象