流體力學第二劉鶴主編緒論PPT學習教案

1、會計學1 流體力學第二劉鶴主編緒論流體力學第二劉鶴主編緒論 第1頁/共37頁 第2頁/共37頁 n 流體力學在土木工程中的應用流體力學在土木工程中的應用 水利工程水利工程 江河海堤壩江河海堤壩 水庫大壩水庫大壩 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/共37頁 第一章第一章 緒緒 論論 學習要求：學習要求： 1 1、了解流體的主要物理力學性質，理解易流動特、了解流體的主要物理力學性質，理解易流動特 性和粘滯性，掌握牛頓內摩擦定律。性和粘滯性，掌握牛頓內摩擦定律。 2 2、理解質量力和表面力，掌握其表示方法。、理解質量力和表面力，掌握其表示方法。 3 3、理解連續(xù)介質（質點的概念）、粘性流體、理、理解連續(xù)介質（質點的概念）、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/共37頁 第5頁/共37頁 第6頁/共37頁 第7頁/共37頁 第8頁/共37頁 流體力學與相關的鄰近學科相互滲透，形成很多新 分支和交叉學科 第9頁/共37頁 1-1 1-1 流體力學的任務及研究對象流體力學的任務及研究對象 液體與氣體統(tǒng)稱為流體。液體與氣體統(tǒng)稱為流體。 本書主要研究以水為代表的流體的宏觀運動和平本書主要研究以水為代表的流體的宏觀運動和平 衡規(guī)律及其應用。衡規(guī)律及其應用。 流體的基本特征：易流動、不易壓縮、均勻等向的連續(xù)體。流體的基本特征：易流動、不易壓縮、均勻等向的連續(xù)體。 各點性質相同 同一點上各方向

4、性質相同 自然界物質的三種狀態(tài)：固體、液體和氣體自然界物質的三種狀態(tài)：固體、液體和氣體 第10頁/共37頁 第11頁/共37頁 1-2 1-2 連續(xù)介質假定（宏觀上）連續(xù)介質假定（宏觀上） 假定流體所占據的空間完全由流體質點所充滿而假定流體所占據的空間完全由流體質點所充滿而 沒有任何空隙的連續(xù)體。沒有任何空隙的連續(xù)體。 優(yōu)點：優(yōu)點： 避免了流體分子運動的復雜性，只需研究流體的宏觀運動避免了流體分子運動的復雜性，只需研究流體的宏觀運動 可以利用數學工具來研究流體的平衡與運動規(guī)律可以利用數學工具來研究流體的平衡與運動規(guī)律 第12頁/共37頁 1-2 1-2 流體力學的研究方法流體力學的研究方法 1

5、 1 理論分析法理論分析法 2 2 科學實驗法科學實驗法 3 3 數值計算數值計算法法 建立力學模型建立力學模型 建立數學方程建立數學方程 求解方程求解方程 實驗驗證實驗驗證 原型觀測原型觀測 模型試驗模型試驗 系統(tǒng)試驗系統(tǒng)試驗 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/共37頁 第14頁/共37頁 進而可以導出液體平衡或運動進而可以導出液體平衡或運動 狀態(tài)下的基本關系式。狀態(tài)下的基本關系式。 第15頁/共37頁 面力面力 第16頁/共37頁 第17頁/共37頁 1-2 1-2 流體的主要物理力學性質流體的主要物理力學性質 量綱量綱物理量的種類。

6、如：長度、時間、質量等。物理量的種類。如：長度、時間、質量等。 一、易流動一、易流動 性性 單位單位 量度物理量的基準。量度物理量的基準。 量綱分為基本量綱和導出量綱量綱分為基本量綱和導出量綱 流體在靜止時不能承受切應力和不能抵抗剪切變流體在靜止時不能承受切應力和不能抵抗剪切變 形的性質稱為流體的易流動性。形的性質稱為流體的易流動性。 第18頁/共37頁 二、慣性（質量和密度）二、慣性（質量和密度） 慣性慣性 物體保持原有運動狀態(tài)的特性。物體保持原有運動狀態(tài)的特性。 慣性的大小以質量來度量。慣性的大小以質量來度量。 密度密度 單位體積流體所具有的質量，用符號單位體積流體所具有的質量，用符號表示

7、。表示。 密度的國際單位為：密度的國際單位為：kg/m3。 物體中所含物質數量，稱為質量。物體中所含物質數量，稱為質量。 對于液體，一般情況下，壓強和溫度對對于液體，一般情況下，壓強和溫度對的影響極小。的影響極小。 慣性力慣性力 由流體慣性引起的對外界抵抗的反作用力。由流體慣性引起的對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/共37頁 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，用符號單位體積液體所具有的重量，用符號 表示。表示。 容重的國際單位為：容重的國際單位為：N/m3或或kN/m

8、3。 G = Mg 液體受地球引力的性質，稱為重力特性。液體受地球引力的性質，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/共37頁 四、粘滯性四、粘滯性 運動的流體具有一定的阻抗剪切變形的能力，這種運動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，運動流體需要克服內摩擦由于流體中存在粘滯性，運動流體需要克服內摩擦 力作功，因此它是流體在流動中產生能量損失的主要力作功，因此它是流體在

9、流動中產生能量損失的主要 原因。原因。 靜止時，流體沒有抵抗剪切變形的能力，即流體具靜止時，流體沒有抵抗剪切變形的能力，即流體具 有易流動性。有易流動性。 此處的內摩擦力就是粘滯力 第21頁/共37頁 粘性對流體運動的影響：粘性對流體運動的影響： 粘滯力：粘滯力： dy du 式中：式中： 單位面積上的內摩擦力，稱為內摩擦切應力單位面積上的內摩擦力，稱為內摩擦切應力 動力粘滯系數，單位為：帕斯卡動力粘滯系數，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 牛頓內摩擦定律牛頓內摩擦定律 令：令：稱為運動粘度稱為運動粘度 第22頁/共37頁 對牛頓內

10、摩擦定理的幾點說明：對牛頓內摩擦定理的幾點說明： 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； 粘度與壓強和溫度相關 2. 2. 上式不是對所有的液體都適用，僅適用于牛頓流體；上式不是對所有的液體都適用，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 滿足上式關系的流體都是牛頓流體；滿足上式關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。 假設假設 沒有粘性的液體（粘度沒有粘性的液體（粘度 為為0 0），成為理想液體。實際中不），成為理想液體。實際中不 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/共37頁 表表1-1 1-1 水的黏度與溫度的關系水的黏度與溫度的關系 第24頁/共37頁 表表1-2 1-2 空氣的黏度與溫度的關系空氣的黏度與溫度的關系 第25頁/共37頁 y u d d 004. 0 25. 0 105 . 0 2 0 d d 3 u y u 第26頁/共37頁 第27頁/共37頁 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。流體受壓

12、、體積縮小、密度增大的性質。 解除解除外力后又能恢復原狀的特性，稱為彈性。外力后又能恢復原狀的特性，稱為彈性。 液體的壓縮性和彈性，常用壓縮系數液體的壓縮性和彈性，常用壓縮系數 和彈性系數和彈性系數 K來度來度 量。量。 1 dV V dV V dp dp K 式中：式中：p 外加壓強外加壓強 壓縮系數壓縮系數 (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。流體受熱、體積膨脹、密度減小的性質。 第28頁/共37頁 1 dV V d dpdp 液體的熱膨脹性用熱膨脹系數表示。表示在一液體的

13、熱膨脹性用熱膨脹系數表示。表示在一 定的壓強下，溫度升高一度，密度的相對減小率。定的壓強下，溫度升高一度，密度的相對減小率。 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 ，熱膨脹系數為：，熱膨脹系數為： 11 V dVd VdTdT 第29頁/共37頁 第30頁/共37頁 pRT 第31頁/共37頁 第32頁/共37頁 六、表面張力特性六、表面張力特性 當液體與其它流體或固體接觸時，在分界面上都產生表面張力， 出現一些特殊現象，例如空氣中的雨滴呈球狀，液體的自由表 面好像一個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 為內聚力。 液體在表面張力作用下具有盡量縮小其表面的趨勢。液體在表面張力作用下具有盡量縮小其表面的趨勢。 表面張力的大小，用表面張力系數表面張力的大小，用表面張力系數 度量。度量。 單位長度的表面張力，稱為表面張力系數，單位為：單位長度的表面張力，稱為表面張力系數，單位為：N/m。 表面張力系數表面張力系數 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。表面張力是液體的特有性質。 第33頁/共37頁 液體在細管中能上升或下降的現象