流體力學(xué)基礎(chǔ)

1、 流體力學(xué)基礎(chǔ)流體力學(xué)基礎(chǔ) 流體力學(xué)基礎(chǔ)流體力學(xué)基礎(chǔ)在在微小剪切力微小剪切力的持續(xù)作用下能夠的持續(xù)作用下能夠連續(xù)變形連續(xù)變形的物質(zhì)的物質(zhì) 流體定義流體定義固態(tài)固態(tài)液態(tài)液態(tài)氣態(tài)氣態(tài)固體固體液體液體氣體氣體流體流體一、一、 流體的定義和特征流體的定義和特征 流流體與固體的區(qū)別體與固體的區(qū)別固體能抵抗一定數(shù)量的拉力，壓力和剪切力固體能抵抗一定數(shù)量的拉力，壓力和剪切力。流體不能承受拉力。靜止流體不能承受剪切力，流體不能承受拉力。靜止流體不能承受剪切力， 沒有固定的形狀，易于流動。沒有固定的形狀，易于流動。流動性流動性無固定形狀無固定形狀 一、流體的定義和特征一、流體的定義和特征 液體液體 氣體氣體不易

2、壓縮不易壓縮具有一定體積，有自由表面具有一定體積，有自由表面易于壓縮易于壓縮沒有固定的形狀，不能形成自由表面沒有固定的形狀，不能形成自由表面微觀：流體由分子構(gòu)成，分子間存有空隙，在空微觀：流體由分子構(gòu)成，分子間存有空隙，在空間是不連續(xù)的。間是不連續(xù)的。一般工程中，所研究流體的空間尺度要比一般工程中，所研究流體的空間尺度要比分子距離大得多，關(guān)心的是宏觀流動問題。分子距離大得多，關(guān)心的是宏觀流動問題。1mm1mm3 3液體中含有液體中含有3.33.310101919個(gè)左右的分子個(gè)左右的分子1mm1mm3 3氣體中含有氣體中含有2.72.710101616個(gè)左右的分子個(gè)左右的分子 一、流體的定義和特

3、征一、流體的定義和特征 5（一）流體的密（一）流體的密度度v定義：定義：單位體積流體所具有的質(zhì)量。單位體積流體所具有的質(zhì)量。 用符號用符號來表示。來表示。單位：單位：kg/mkg/m3 3 Vm 均質(zhì)流體：均質(zhì)流體： 非均質(zhì)流體：非均質(zhì)流體：VmVmVddlim0常見流體的密度：常見流體的密度： 水水1000 kg/m3 空氣空氣1.23 kg/m3 水銀水銀13600 kg/m3流體重要屬性，表征流體在空間某點(diǎn)質(zhì)流體重要屬性，表征流體在空間某點(diǎn)質(zhì)量的密集程度量的密集程度二、二、 流體的主要物理性質(zhì)流體的主要物理性質(zhì) 6v相對密度：相對密度：是指某種流體的密度與是指某種流體的密度與4時(shí)水的密度

4、的時(shí)水的密度的 比值，用符號比值，用符號d來表示。來表示。Wfd 流體的密度，流體的密度，kg/m3； 4時(shí)水的密度，時(shí)水的密度，kg/m3。fW二、二、 流體的主要物理性質(zhì)流體的主要物理性質(zhì) v密度的影響因素：密度的影響因素： 與流體的種類有關(guān)與流體的種類有關(guān) 與溫度有關(guān)與溫度有關(guān) 與壓強(qiáng)有關(guān)與壓強(qiáng)有關(guān)水的密度變化，水的密度變化，可以從可以從“熱工學(xué)熱工學(xué)”的的“未飽和水與過熱未飽和水與過熱蒸汽蒸汽 表表”中查得；中查得；氣體密度的變化氣體密度的變化，可用完全氣體（熱力學(xué)的理想氣體），可用完全氣體（熱力學(xué)的理想氣體）的狀態(tài)方程來確定的狀態(tài)方程來確定211212TpTp二、二、 流體的主要物理

5、性質(zhì)流體的主要物理性質(zhì) 煙氣在煙囪里面從下部流到煙氣在煙囪里面從下部流到大氣中的自然循環(huán)原理大氣中的自然循環(huán)原理gHpgHpaassgH)(ppsasa二、二、 流體的主要物理性質(zhì)流體的主要物理性質(zhì) 9思考一下！自然循環(huán)的兩個(gè)條件自然循環(huán)的兩個(gè)條件？1、流體的密度差、流體的密度差2、一定的高度、一定的高度二、二、 流體的主要物理性質(zhì)流體的主要物理性質(zhì) 10v定義定義：1 1、流體的壓縮性、流體的壓縮性v體積壓縮系數(shù)體積壓縮系數(shù)當(dāng)溫度保持不變，單位壓強(qiáng)增當(dāng)溫度保持不變，單位壓強(qiáng)增量引起流體體積的相對縮小量量引起流體體積的相對縮小量P PV VT一定一定VVpdd1pdVVd流體的體積壓縮系數(shù)，流

6、體的體積壓縮系數(shù)，m m2 2/N/N；流體壓強(qiáng)的增加量，流體壓強(qiáng)的增加量，PaPa； 原有流體的體積，原有流體的體積，m m3 3；流體體積的增加量，流體體積的增加量，m m3 3。（二）（二）流體的壓縮性和膨脹性流體的壓縮性和膨脹性二、二、 流體的主要物理性質(zhì)流體的主要物理性質(zhì) 11v定義定義：2 2、流體的膨脹性、流體的膨脹性v體積膨脹系數(shù)體積膨脹系數(shù)壓強(qiáng)不變，升高一個(gè)單位溫度壓強(qiáng)不變，升高一個(gè)單位溫度所引起流體體積的相對增加量所引起流體體積的相對增加量VdVtVd1V流體的體積膨脹系數(shù)，流體的體積膨脹系數(shù)，1/1/，1/K1/K；t d流體溫度的增加量，流體溫度的增加量，K K；V原有

7、流體的體積，原有流體的體積，m m3 3；Vd流體體積的增加量，流體體積的增加量，m m3 3。VTP P一定一定V二、二、 流體的主要物理性質(zhì)流體的主要物理性質(zhì) 123 3、可壓縮流體和不可壓縮流體、可壓縮流體和不可壓縮流體不可壓縮流體：不可壓縮流體：流體密度隨流體密度隨溫度、壓強(qiáng)溫度、壓強(qiáng)變化不能忽略的流體變化不能忽略的流體0ddt不可壓均質(zhì)流體：不可壓均質(zhì)流體：const流體密度隨流體密度隨溫度、壓強(qiáng)溫度、壓強(qiáng)變化很小的流體變化很小的流體可壓縮流體：可壓縮流體：const1013252732730pt 二、二、 流體的主要物理性質(zhì)流體的主要物理性質(zhì) 13幾點(diǎn)說明：幾點(diǎn)說明： 嚴(yán)格地說，不

8、存在完全不可壓縮的流體。嚴(yán)格地說，不存在完全不可壓縮的流體。 一般情況下一般情況下, ,把液體都視為不可壓縮流體，氣體視把液體都視為不可壓縮流體，氣體視為可壓縮流體。為可壓縮流體。對于氣體，當(dāng)所受壓強(qiáng)變化相對較小時(shí)，也可視對于氣體，當(dāng)所受壓強(qiáng)變化相對較小時(shí)，也可視為不可壓縮流體。為不可壓縮流體。（鍋爐尾部煙道）（鍋爐尾部煙道）氣體對物體流氣體對物體流動的相對速度比聲速要小得多時(shí)，氣體的密度變化動的相對速度比聲速要小得多時(shí)，氣體的密度變化很小，也可當(dāng)作不可壓縮流體處理。很小，也可當(dāng)作不可壓縮流體處理。 對于液體，管路中壓強(qiáng)變化較大時(shí)，必須作為可壓對于液體，管路中壓強(qiáng)變化較大時(shí)，必須作為可壓縮流體

9、?？s流體。（發(fā)生水擊、水下爆破）（發(fā)生水擊、水下爆破）二、二、 流體的主要物理性質(zhì)流體的主要物理性質(zhì) 14思考一下！ 跳水時(shí)身體與水面越平行身體越疼，為什么？跳水時(shí)身體與水面越平行身體越疼，為什么？1、流體不能承受任何微小的剪切力，但可以承受一定的壓力、流體不能承受任何微小的剪切力，但可以承受一定的壓力2、液體可看做不可壓縮流體、液體可看做不可壓縮流體二、二、 流體的主要物理性質(zhì)流體的主要物理性質(zhì) 15（三三）流體的黏性和牛頓內(nèi)摩擦定律流體的黏性和牛頓內(nèi)摩擦定律1 1、流體的黏性、流體的黏性v 牛頓在牛頓在 自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理中自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理中（16871687）指出：相鄰）指出：相鄰兩層

10、流體作相對運(yùn)動時(shí)存在內(nèi)摩擦作用，稱為粘性力。兩層流體作相對運(yùn)動時(shí)存在內(nèi)摩擦作用，稱為粘性力。v 庫侖實(shí)驗(yàn)庫侖實(shí)驗(yàn)(1784)(1784)庫侖用液體內(nèi)懸吊圓盤擺動實(shí)驗(yàn)證實(shí)流體存在內(nèi)摩擦庫侖用液體內(nèi)懸吊圓盤擺動實(shí)驗(yàn)證實(shí)流體存在內(nèi)摩擦普通板、涂臘板和細(xì)沙板，三種圓板的衰減時(shí)間普通板、涂臘板和細(xì)沙板，三種圓板的衰減時(shí)間二、二、 流體的主要物理性質(zhì)流體的主要物理性質(zhì) 16v 流體粘性所產(chǎn)生的兩種效應(yīng)流體粘性所產(chǎn)生的兩種效應(yīng) 流體內(nèi)部各流體微團(tuán)之間會產(chǎn)生粘性力；流體內(nèi)部各流體微團(tuán)之間會產(chǎn)生粘性力； 流體將粘附于它所接觸的固體表面。流體將粘附于它所接觸的固體表面。 v定義定義： 流體微團(tuán)間發(fā)生流體微團(tuán)間發(fā)生

11、相對滑移相對滑移時(shí)產(chǎn)生時(shí)產(chǎn)生切向阻力切向阻力的性質(zhì)的性質(zhì)二、二、 流體的主要物理性質(zhì)流體的主要物理性質(zhì) 17圖1-2 流體的黏性實(shí)驗(yàn)dy0uduFF，二、二、 流體的主要物理性質(zhì)流體的主要物理性質(zhì) 182 2、牛頓內(nèi)摩擦定律、牛頓內(nèi)摩擦定律與垂直于流動方向的速度梯度與垂直于流動方向的速度梯度du/du/dydy成正比成正比與接觸面的面積與接觸面的面積A A成正比成正比與流體的種類有關(guān)與流體的種類有關(guān)與接觸面上壓強(qiáng)與接觸面上壓強(qiáng)P P 無關(guān)無關(guān)內(nèi)摩擦力內(nèi)摩擦力 F F二、二、 流體的主要物理性質(zhì)流體的主要物理性質(zhì) 19yuAFddv數(shù)學(xué)表達(dá)式數(shù)學(xué)表達(dá)式v寫成等式為寫成等式為yuAFddF F 流

12、體層接觸面上的內(nèi)摩擦力，流體層接觸面上的內(nèi)摩擦力，N；A A流體層間的接觸面積，流體層間的接觸面積，m2；du/du/dydy垂直于流動方向上的速度梯度，垂直于流動方向上的速度梯度，1/s； 動力黏度，動力黏度，Pas。二、二、 流體的主要物理性質(zhì)流體的主要物理性質(zhì) 20v流層間單位面積上的內(nèi)摩擦力稱為流層間單位面積上的內(nèi)摩擦力稱為切向應(yīng)力切向應(yīng)力yuAFdd牛頓內(nèi)摩擦定律牛頓內(nèi)摩擦定律yuAFdd二、二、 流體的主要物理性質(zhì)流體的主要物理性質(zhì) 21v 動力黏度動力黏度，Pasv 運(yùn)動黏度運(yùn)動黏度，m2/s反映流體粘滯性反映流體粘滯性大小的系數(shù)大小的系數(shù)yuAFdd二、二、 流體的主要物理性質(zhì)

13、流體的主要物理性質(zhì) 22v 流體的切應(yīng)力與剪切變形速率，或角變形率成正比。流體的切應(yīng)力與剪切變形速率，或角變形率成正比。v 當(dāng)速度梯度等于零時(shí)，內(nèi)摩擦力也等于零。當(dāng)速度梯度等于零時(shí)，內(nèi)摩擦力也等于零。v 當(dāng)流體沒有黏性當(dāng)流體沒有黏性( (=0=0) )時(shí)，內(nèi)摩擦力等于零。時(shí)，內(nèi)摩擦力等于零。 當(dāng)流體處于當(dāng)流體處于靜止?fàn)顟B(tài)靜止?fàn)顟B(tài)或以相同速度運(yùn)動或以相同速度運(yùn)動( (流層間沒有相對流層間沒有相對運(yùn)動運(yùn)動) )時(shí)，時(shí)，內(nèi)摩擦力等于零內(nèi)摩擦力等于零，此時(shí)流體有黏性，但流體的黏性，此時(shí)流體有黏性，但流體的黏性作用表現(xiàn)不出來。作用表現(xiàn)不出來。dydudtd 二、二、 流體的主要物理性質(zhì)流體的主要物理性質(zhì)

14、 233 3、影響?zhàn)ば缘囊蛩?、影響?zhàn)ば缘囊蛩?常壓，壓強(qiáng)對流體的黏性影響很小，可忽略不計(jì)常壓，壓強(qiáng)對流體的黏性影響很小，可忽略不計(jì) 高壓，流體黏性隨壓強(qiáng)升高而增大。高壓，流體黏性隨壓強(qiáng)升高而增大。 液體的黏性隨溫度升高而減小液體的黏性隨溫度升高而減小 氣體的黏性隨溫度升高而增大。氣體的黏性隨溫度升高而增大。v溫溫 度度: :v壓壓 強(qiáng)：強(qiáng)：相同條件下，液體的粘度大于氣體的粘度。相同條件下，液體的粘度大于氣體的粘度。v流體種類：流體種類：二、二、 流體的主要物理性質(zhì)流體的主要物理性質(zhì) 24(1)(1)液體：兩層液體之間的粘性力主要由液體：兩層液體之間的粘性力主要由分子內(nèi)聚力分子內(nèi)聚力形成形成(2

15、)(2)氣體：兩層氣體之間的粘性力主要由氣體：兩層氣體之間的粘性力主要由分子動量交換分子動量交換形成形成溫度溫度分子間距分子間距分子吸引力分子吸引力內(nèi)摩擦力內(nèi)摩擦力粘度粘度溫度溫度分子熱運(yùn)動分子熱運(yùn)動動量交換動量交換內(nèi)摩擦力內(nèi)摩擦力粘度粘度原因：原因：二、二、 流體的主要物理性質(zhì)流體的主要物理性質(zhì) 25v舉舉 例例: :電廠汽輪機(jī)潤滑油系統(tǒng)除了保持一定油壓外，必須保持電廠汽輪機(jī)潤滑油系統(tǒng)除了保持一定油壓外，必須保持油溫不能超過油溫不能超過7070，冷油器出口油溫，冷油器出口油溫4545。油溫過高油溫過高黏性減小黏性減小油膜變薄油膜變薄軸和軸承之間干摩擦軸和軸承之間干摩擦油溫過低油溫過低黏性增大

16、黏性增大油膜變厚油膜變厚不能形成連續(xù)油膜不能形成連續(xù)油膜機(jī)組振動加大機(jī)組振動加大鍋爐燃用的重油需加熱到一定溫度后，黏性減小才能用鍋爐燃用的重油需加熱到一定溫度后，黏性減小才能用油泵打出油泵打出二、二、 流體的主要物理性質(zhì)流體的主要物理性質(zhì) 264 4、理想流體的假設(shè)、理想流體的假設(shè) 具有粘性的流體（具有粘性的流體（00）。）。v 理想理想 忽略粘性的流體（忽略粘性的流體（=0 0）。）。 在實(shí)際流體的黏性作用表現(xiàn)不出來的場合在實(shí)際流體的黏性作用表現(xiàn)不出來的場合( (像在靜止流體中或勻速直像在靜止流體中或勻速直線流動的流體中線流動的流體中) )，可以把實(shí)際流體當(dāng)理想流體來處理。，可以把實(shí)際流體當(dāng)

17、理想流體來處理。對于實(shí)際流動問題，先研究不計(jì)黏性影響的理想流體的流動，而后引對于實(shí)際流動問題，先研究不計(jì)黏性影響的理想流體的流動，而后引入黏性影響，再研究黏性流體流動的更為復(fù)雜的情況，也是符合認(rèn)識入黏性影響，再研究黏性流體流動的更為復(fù)雜的情況，也是符合認(rèn)識事物由簡到繁的規(guī)律的。事物由簡到繁的規(guī)律的。對某些黏性不起主要作用的問題，先不計(jì)黏性的影響，使問題的分析對某些黏性不起主要作用的問題，先不計(jì)黏性的影響，使問題的分析大為簡化，從而有利于掌握流體流動的基本規(guī)律。大為簡化，從而有利于掌握流體流動的基本規(guī)律。二、二、 流體的主要物理性質(zhì)流體的主要物理性質(zhì) 275 5、牛頓流體、非牛頓流體、牛頓流體、

18、非牛頓流體v 牛頓流體：牛頓流體： 不符合上述條件的均稱為非牛頓流體。不符合上述條件的均稱為非牛頓流體。 是指任一點(diǎn)上的剪應(yīng)力遵循是指任一點(diǎn)上的剪應(yīng)力遵循牛頓內(nèi)摩擦定律牛頓內(nèi)摩擦定律的流體稱為的流體稱為牛頓流體。牛頓流體。v 非牛頓流體：非牛頓流體：ndydu)(01、賓漢型流體：賓漢型流體： 0 0，n=1, =Const2、假假(偽偽)塑性流體：塑性流體： 0=0，n15、理想流體：理想流體： 0=0， =0流體流體二、二、 流體的主要物理性質(zhì)流體的主要物理性質(zhì) 28流流 體體 類類 別別 定定 義義 ndydu)(0 實(shí)實(shí) 例例 理理 想想 流流 體體 無粘性及完無粘性及完全不可壓縮全不

19、可壓縮的流體的一的流體的一種假想流體種假想流體 0 、00 牛頓流體牛頓流體 滿足牛頓內(nèi)摩擦定律滿足牛頓內(nèi)摩擦定律00 、0 、1 n 水、空氣、水、空氣、汽油、煤油、汽油、煤油、甲苯、乙醇等甲苯、乙醇等 賓漢型塑性賓漢型塑性流體流體 00 、Const 、1 n 牙膏、泥漿、血漿等牙膏、泥漿、血漿等 假塑性流體假塑性流體 00 、0 、1 n 橡膠、油漆、尼龍等橡膠、油漆、尼龍等 實(shí)際流體實(shí)際流體 非牛非牛頓流頓流體體 膨脹性流體膨脹性流體 有粘性、可有粘性、可壓縮的流體壓縮的流體0 00 、0 、1 n 生面團(tuán)、濃淀粉糊生面團(tuán)、濃淀粉糊 流流 體體 分分 類類二、二、 流體的主要物理性質(zhì)流

20、體的主要物理性質(zhì) 29思考一下！ 靜止流體有粘性嗎？靜止流體內(nèi)部有粘性切應(yīng)力嗎？靜止流體有粘性嗎？靜止流體內(nèi)部有粘性切應(yīng)力嗎？1、靜止流體有粘性。、靜止流體有粘性。2、靜止流體內(nèi)部沒有粘性切應(yīng)力。、靜止流體內(nèi)部沒有粘性切應(yīng)力。二、二、 流體的主要物理性質(zhì)流體的主要物理性質(zhì) v 壓強(qiáng)的表示方法壓強(qiáng)的表示方法依據(jù)計(jì)量基準(zhǔn)的不同依據(jù)計(jì)量基準(zhǔn)的不同1.絕對壓強(qiáng)：絕對壓強(qiáng)： 以完全真空時(shí)的絕對零壓強(qiáng)以完全真空時(shí)的絕對零壓強(qiáng)(p(p0)0)為基準(zhǔn)為基準(zhǔn)來計(jì)量的壓強(qiáng)稱為絕對壓強(qiáng)來計(jì)量的壓強(qiáng)稱為絕對壓強(qiáng)ghppa a點(diǎn)絕對壓強(qiáng)為點(diǎn)絕對壓強(qiáng)為hzagp / pap三三 、壓強(qiáng)的度量、壓強(qiáng)的度量以當(dāng)?shù)卮髿鈮簭?qiáng)為基

21、準(zhǔn)來計(jì)量的壓強(qiáng)稱以當(dāng)?shù)卮髿鈮簭?qiáng)為基準(zhǔn)來計(jì)量的壓強(qiáng)稱為相對壓強(qiáng)。為相對壓強(qiáng)。2.相對壓強(qiáng)：相對壓強(qiáng)：則則a點(diǎn)相對壓強(qiáng)為點(diǎn)相對壓強(qiáng)為ghpppae表壓強(qiáng)表壓強(qiáng)計(jì)示壓強(qiáng)計(jì)示壓強(qiáng)h0pzagp / papap三三 、壓強(qiáng)的度量、壓強(qiáng)的度量負(fù)的計(jì)示壓強(qiáng)，稱為真空或負(fù)壓強(qiáng)，負(fù)的計(jì)示壓強(qiáng)，稱為真空或負(fù)壓強(qiáng)，用符號用符號pv表示表示 。3. 真空：真空：eavpghppp 水泵和風(fēng)機(jī)的吸入管中水泵和風(fēng)機(jī)的吸入管中 凝汽器凝汽器 鍋爐爐膛鍋爐爐膛 煙囪的底部煙囪的底部gppgphavv 真空高度真空高度當(dāng)壓強(qiáng)比當(dāng)?shù)卮髿鈮簭?qiáng)低時(shí)，流體壓強(qiáng)與當(dāng)?shù)禺?dāng)壓強(qiáng)比當(dāng)?shù)卮髿鈮簭?qiáng)低時(shí)，流體壓強(qiáng)與當(dāng)?shù)卮髿鈮簭?qiáng)的差值稱為真空值。大氣

22、壓強(qiáng)的差值稱為真空值。三三 、壓強(qiáng)的度量、壓強(qiáng)的度量aph 測量容器中的真空測量容器中的真空vp Vp ppagh 三三 、壓強(qiáng)的度量、壓強(qiáng)的度量 汽輪機(jī)凝汽器中的真空，常用當(dāng)?shù)卮髿鈮簭?qiáng)的汽輪機(jī)凝汽器中的真空，常用當(dāng)?shù)卮髿鈮簭?qiáng)的 百分?jǐn)?shù)來表示百分?jǐn)?shù)來表示%1001%100 aavppppBB B通常稱為真空度通常稱為真空度三三 、壓強(qiáng)的度量、壓強(qiáng)的度量v 幾點(diǎn)說明：幾點(diǎn)說明： 由于絕大多數(shù)氣體的性質(zhì)是氣體絕對壓強(qiáng)的函數(shù)，由于絕大多數(shù)氣體的性質(zhì)是氣體絕對壓強(qiáng)的函數(shù)， 如正壓性氣體如正壓性氣體=（p)p)，所以氣體的壓強(qiáng)都用，所以氣體的壓強(qiáng)都用 絕對壓強(qiáng)絕對壓強(qiáng)表示。表示。 液體的性質(zhì)幾乎不受壓強(qiáng)

23、的影響，所以液體的壓強(qiáng)液體的性質(zhì)幾乎不受壓強(qiáng)的影響，所以液體的壓強(qiáng) 常用常用計(jì)示壓強(qiáng)計(jì)示壓強(qiáng)表示，只有在表示，只有在汽化點(diǎn)汽化點(diǎn)時(shí)，才用液體的時(shí)，才用液體的 絕對壓強(qiáng)絕對壓強(qiáng)。三三 、壓強(qiáng)的度量、壓強(qiáng)的度量 絕對壓強(qiáng)計(jì)示壓強(qiáng)真空絕對壓強(qiáng)app 大氣壓強(qiáng)大氣壓強(qiáng)app app 完全真空完全真空p0p絕對壓強(qiáng)、大氣壓強(qiáng)、計(jì)示壓強(qiáng)、真空之間的關(guān)系圖三三 、壓強(qiáng)的度量、壓強(qiáng)的度量四四、 流體運(yùn)動的流體運(yùn)動的基本概念基本概念管道流（不可壓縮流體）管道流（不可壓縮流體）噴管流（可壓縮流體）噴管流（可壓縮流體）明渠流明渠流流體機(jī)械內(nèi)部流動流體機(jī)械內(nèi)部流動內(nèi)流內(nèi)流粘性邊界層流動粘性邊界層流動邊界層外部勢流邊界

24、層外部勢流外流外流按流場是否被固體邊界包圍分類按流場是否被固體邊界包圍分類四四、 流體運(yùn)動的流體運(yùn)動的基本概念基本概念 zyx, 0 t 1.1.定常流動定常流動: : 如果流體質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動要素只是坐標(biāo)的函數(shù)如果流體質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動要素只是坐標(biāo)的函數(shù) 而與時(shí)間無關(guān)，這種流動稱為定常流動。而與時(shí)間無關(guān)，這種流動稱為定常流動。Ap= =常數(shù)常數(shù)u= =常數(shù)常數(shù)xyz如圖所示，當(dāng)經(jīng)過流場中如圖所示，當(dāng)經(jīng)過流場中A點(diǎn)的流體點(diǎn)的流體質(zhì)點(diǎn)的流動參量均不變，則為定常流質(zhì)點(diǎn)的流動參量均不變，則為定常流動；這表明在定常流動中，流場的運(yùn)動；這表明在定常流動中，流場的運(yùn)動圖象是不變的。動圖象是不變的。四四、 流體運(yùn)動的流體

25、運(yùn)動的基本概念基本概念 tzyx, 0 t 2.非定常流動非定常流動: 如果流體質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動要素既是坐標(biāo)的函數(shù)又是時(shí)間的如果流體質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動要素既是坐標(biāo)的函數(shù)又是時(shí)間的函數(shù)，這種流動稱為非定常流動函數(shù)，這種流動稱為非定常流動如圖所示，經(jīng)過流場中如圖所示，經(jīng)過流場中B B點(diǎn)的流體質(zhì)點(diǎn)的流體質(zhì)點(diǎn)的流動參量隨時(shí)間變化，則為非定點(diǎn)的流動參量隨時(shí)間變化，則為非定常流動。常流動。Bp =f ( t )u=F(t )xyz四四、 流體運(yùn)動的流體運(yùn)動的基本概念基本概念1.1.流動維數(shù)的確定流動維數(shù)的確定三維流動三維流動: 速度場必須表示為三個(gè)方向坐標(biāo)的函數(shù)速度場必須表示為三個(gè)方向坐標(biāo)的函數(shù) v=v ( x, y,

26、 z, t) 二維流動二維流動: 速度場簡化為二個(gè)空間坐標(biāo)的函數(shù)速度場簡化為二個(gè)空間坐標(biāo)的函數(shù) v=v ( x, y, t) 或或 v=v ( r, z, t) 一維流動一維流動: 速度場可表示為一個(gè)方向坐標(biāo)的函數(shù)速度場可表示為一個(gè)方向坐標(biāo)的函數(shù) v=v( x ) 或或 v=v ( s )四四、 流體運(yùn)動的流體運(yùn)動的基本概念基本概念二維流動二維流動一維流動一維流動三維流動三維流動二維流動二維流動2.2.流動維數(shù)的簡化流動維數(shù)的簡化四四、 流體運(yùn)動的流體運(yùn)動的基本概念基本概念四四、 流體運(yùn)動的流體運(yùn)動的基本概念基本概念dtwdzvdyudx流星、流星、 煙火、煙火、 木屑順?biāo)碌饶拘柬標(biāo)碌?/p>

27、四四、 流體運(yùn)動的流體運(yùn)動的基本概念基本概念 某一瞬時(shí)在流場中所作的一條曲線，在這條曲線上的各流體某一瞬時(shí)在流場中所作的一條曲線，在這條曲線上的各流體質(zhì)點(diǎn)的速度方向都與該曲線相切，因此流線是同一時(shí)刻，不同流質(zhì)點(diǎn)的速度方向都與該曲線相切，因此流線是同一時(shí)刻，不同流體質(zhì)點(diǎn)所組成的曲線。體質(zhì)點(diǎn)所組成的曲線。l 強(qiáng)調(diào)的是空間連續(xù)質(zhì)點(diǎn)而不是某單個(gè)質(zhì)點(diǎn)強(qiáng)調(diào)的是空間連續(xù)質(zhì)點(diǎn)而不是某單個(gè)質(zhì)點(diǎn)l 形成是在某一瞬間而不是一段連續(xù)時(shí)間內(nèi)形成是在某一瞬間而不是一段連續(xù)時(shí)間內(nèi)l 表示的是質(zhì)點(diǎn)的速度方向而不是空間位置連線表示的是質(zhì)點(diǎn)的速度方向而不是空間位置連線四四、 流體運(yùn)動的流體運(yùn)動的基本概念基本概念 在定常流動中，流

28、線不隨時(shí)間改變其位置和形狀，流線和跡線重合。在定常流動中，流線不隨時(shí)間改變其位置和形狀，流線和跡線重合。在非定常流動中，由于各空間點(diǎn)上速度隨時(shí)間變化，流線的形狀和位在非定常流動中，由于各空間點(diǎn)上速度隨時(shí)間變化，流線的形狀和位置是在不停地變化的。置是在不停地變化的。 通過某一空間點(diǎn)在給定瞬間只能有一條流線，一般情況流線不能相交通過某一空間點(diǎn)在給定瞬間只能有一條流線，一般情況流線不能相交和分支。和分支。 流線不能突然折轉(zhuǎn)，是一條光滑的連續(xù)曲線。流線不能突然折轉(zhuǎn)，是一條光滑的連續(xù)曲線。 流線密集的地方流體流動的速度大，流線稀疏的地方流動速度小。流線密集的地方流體流動的速度大，流線稀疏的地方流動速度小

29、。四四、 流體運(yùn)動的流體運(yùn)動的基本概念基本概念 跡線跡線 流線流線定義定義拉格朗日法拉格朗日法歐拉法歐拉法tzwtyvtxudddddd（t為自變量，為自變量， x, y, z 為為t 的函數(shù)的函數(shù) ）),(d),(d),(dtzyxwztzyxvytzyxux(x,y,z(x,y,z為為t t的函數(shù)，的函數(shù)，t t為參變量）為參變量）質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動軌跡質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動軌跡某一瞬時(shí)的速度方向線某一瞬時(shí)的速度方向線研究方法研究方法微分方程微分方程四四、 流體運(yùn)動的流體運(yùn)動的基本概念基本概念（1 1）流管）流管 由流線所組成的管狀曲面稱為流管。由流線所組成的管狀曲面稱為流管。 由流線的定義可知，流管表面的流

30、體速度與管表面相由流線的定義可知，流管表面的流體速度與管表面相 切，所以沒有流體質(zhì)點(diǎn)會穿過流管表面。切，所以沒有流體質(zhì)點(diǎn)會穿過流管表面。 流管如同工程中使用的管道一樣，將流體限制在管內(nèi)流管如同工程中使用的管道一樣，將流體限制在管內(nèi) 流動。如龍卷風(fēng)，吸塵器。流動。如龍卷風(fēng)，吸塵器。四四、 流體運(yùn)動的流體運(yùn)動的基本概念基本概念微元流束和流線的差別微元流束和流線的差別：流束是一個(gè)物理概念，涉及流速、壓強(qiáng)、動量、能量、流量等；流束是一個(gè)物理概念，涉及流速、壓強(qiáng)、動量、能量、流量等；流線是一個(gè)數(shù)學(xué)概念，只是某一瞬時(shí)流場中的一條光滑曲線。流線是一個(gè)數(shù)學(xué)概念，只是某一瞬時(shí)流場中的一條光滑曲線。 （2）流束）

31、流束 過流管橫截面上各點(diǎn)作流線，則得到充滿流管的一過流管橫截面上各點(diǎn)作流線，則得到充滿流管的一 束流線簇，稱為流束。流管指外輪廓，流束指內(nèi)部。束流線簇，稱為流束。流管指外輪廓，流束指內(nèi)部。（3）微元流束）微元流束 當(dāng)流束的橫截面積趨近于零時(shí)，則流束達(dá)到它當(dāng)流束的橫截面積趨近于零時(shí)，則流束達(dá)到它的極限的極限流線。流線。四四、 流體運(yùn)動的流體運(yùn)動的基本概念基本概念（4 4）有效截面）有效截面四四、 流體運(yùn)動的流體運(yùn)動的基本概念基本概念（5 5）總流）總流截面積有限大的流束。如河流、水渠、水管中的水流及截面積有限大的流束。如河流、水渠、水管中的水流及風(fēng)管中的氣流都是總流。風(fēng)管中的氣流都是總流。四四、

32、 流體運(yùn)動的流體運(yùn)動的基本概念基本概念 ARh 222RRRRh R四四、 流體運(yùn)動的流體運(yùn)動的基本概念基本概念 AvVqdA（1）流量）流量sm /3AmVqdA（2）平均流速）平均流速AqVv 四四、 流體運(yùn)動的流體運(yùn)動的基本概念基本概念均勻流：均勻流：流場中同一條流線各空間點(diǎn)上的流場中同一條流線各空間點(diǎn)上的流速相同流速相同。非均勻流：非均勻流：流場中同一條流線各空間點(diǎn)上的流場中同一條流線各空間點(diǎn)上的流速不相同。流速不相同。Cgpz均勻流有如下特征：均勻流有如下特征：（1）均勻流的過水?dāng)嗝妫ㄓ行Ы孛妫┦瞧矫?，并且有效截面的形）均勻流的過水?dāng)嗝妫ㄓ行Ы孛妫┦瞧矫?，并且有效截面的形狀與尺寸沿流

33、程不變；狀與尺寸沿流程不變； （2）均勻流中同一流線上各點(diǎn)的流速相等，各有效截面上的流速）均勻流中同一流線上各點(diǎn)的流速相等，各有效截面上的流速分布相同，平均流速相同；分布相同，平均流速相同；（3）均勻流有效截面上的流體動壓強(qiáng)分布規(guī)律與流體靜力學(xué)中流）均勻流有效截面上的流體動壓強(qiáng)分布規(guī)律與流體靜力學(xué)中流體靜壓強(qiáng)分布規(guī)律相同，也就是在均勻流有效截面上同樣存體靜壓強(qiáng)分布規(guī)律相同，也就是在均勻流有效截面上同樣存在各點(diǎn)靜水頭等于常數(shù)的特征，即在各點(diǎn)靜水頭等于常數(shù)的特征，即四四、 流體運(yùn)動的流體運(yùn)動的基本概念基本概念 均勻流非均勻流非均勻流可分為緩變流和急變流非均勻流可分為緩變流和急變流四四、 流體運(yùn)動的

34、流體運(yùn)動的基本概念基本概念急變流緩變流緩變流緩變流緩變流緩變流急變流急變流急變流急變流緩變流和急變流四四、 流體運(yùn)動的流體運(yùn)動的基本概念基本概念222111AVAV 物理意義：物理意義：當(dāng)流動為可壓縮流體定常流體動時(shí)，沿流動方向的當(dāng)流動為可壓縮流體定常流體動時(shí)，沿流動方向的質(zhì)量流量為一個(gè)常數(shù)。質(zhì)量流量為一個(gè)常數(shù)。2211AVAV l 不可壓縮流體一維定常不可壓縮流體一維定常流動的總流連續(xù)性方程流動的總流連續(xù)性方程五、五、 流體流動的連續(xù)性方程流體流動的連續(xù)性方程常數(shù)gVgpz22（一）理（一）理想流體微元流束的伯努利想流體微元流束的伯努利方程方程適用范圍：適用范圍：理想理想不可壓縮均質(zhì)流體不可

35、壓縮均質(zhì)流體在重力作用下在重力作用下作一維定常流動作一維定常流動并沿同一流線（或微元流束）流動。并沿同一流線（或微元流束）流動。若1、2為同一條流線（或微元流束）上的任意兩點(diǎn)gVgpzgVgpz2222222111 六、六、 理想流體微元流束的伯努利方程理想流體微元流束的伯努利方程 （二）方（二）方程的物理意義和幾何意義程的物理意義和幾何意義常數(shù)gVgpz221、物理意義 Z 單位重量流體所具有的位勢能p/(g) 單位重量流體的壓強(qiáng)勢能V2/(2g) 單位重量流體所具有的動能 六、六、 理想流體微元流束的伯努利方程理想流體微元流束的伯努利方程 常數(shù)gVgpz222、幾何意義 Z 單位重量流體所

36、具有的位置水頭p/(g) 單位重量流體的壓強(qiáng)水頭V2/(2g) 單位重量流體所具有的速度水頭 六、六、 理想流體微元流束的伯努利方程理想流體微元流束的伯努利方程 圖 3-16 總水頭線和靜水頭線 六、六、 理想流體微元流束的伯努利方程理想流體微元流束的伯努利方程 1、洗衣機(jī)中的流體力學(xué)問題；、洗衣機(jī)中的流體力學(xué)問題；2、杜甫詩句：、杜甫詩句：“八月秋高風(fēng)怒號，卷我屋上三重茅八月秋高風(fēng)怒號，卷我屋上三重茅 ”；3、旗子在風(fēng)的作用下總是不斷的抖動；、旗子在風(fēng)的作用下總是不斷的抖動；4、并行的船總是相互靠近；、并行的船總是相互靠近；5、用吹風(fēng)機(jī)吹乒乓球，球不會掉下來也不會跑到氣流外面去。、用吹風(fēng)機(jī)吹

37、乒乓球，球不會掉下來也不會跑到氣流外面去。伯努利定律（方程）與身邊的力學(xué)伯努利定律（方程）與身邊的力學(xué) 六、六、 理想流體微元流束的伯努利方程理想流體微元流束的伯努利方程 理想流體：理想流體：0 黏性流體：黏性流體：0 dydu0 0dydu一部分機(jī)械能不可逆地?fù)p失掉一部分機(jī)械能不可逆地?fù)p失掉由于黏性在流動中所造成的阻力問題，即：討論阻力的由于黏性在流動中所造成的阻力問題，即：討論阻力的性質(zhì)、產(chǎn)生阻力的原因和計(jì)算阻力的方法。性質(zhì)、產(chǎn)生阻力的原因和計(jì)算阻力的方法。七、七、 粘性流體總流的伯努利方程粘性流體總流的伯努利方程 1. 流動為定常流動；2. 流體為粘性不可壓縮的重力流體；3. 沿總流流束

38、滿足連續(xù)性方程，即qv=常數(shù)；4. 方程的兩過流斷面必須是緩變流截面，而不必顧及兩截面間是否有急變流。2l 層流流動: 1 . 103. 1l 紊流流動: 方程適用條件方程適用條件:動能修正系數(shù) ：取決于過流斷面上流速分布 whgVgpzgVgpz222222221111七、七、 粘性流體總流的伯努利方程粘性流體總流的伯努利方程 wpzzh2gggp2g2122112212dA總水頭線靜水頭線伯努利方程的幾何意義：伯努利方程的幾何意義：說明：1.理想流體流動的總水頭線為水平線； 2.實(shí)際流體流動的總水頭線恒為下降曲線； 3.靜水頭線可升、可降、可水平 4.若是均勻流，則總水頭線平行于靜水頭線。

39、 5.總水頭線和靜水頭線之間的距離為相應(yīng)段的速度水頭。 七、七、 粘性流體總流的伯努利方程粘性流體總流的伯努利方程 流動損失分類流動損失分類八、八、 流動損失分類流動損失分類 l定義：定義： 發(fā)生在緩變流整個(gè)流程中的能量損失，是由發(fā)生在緩變流整個(gè)流程中的能量損失，是由 流流體的體的 粘滯力造成的損失。粘滯力造成的損失。 達(dá)西達(dá)西威斯巴赫公式威斯巴赫公式 gdlhf22式中式中 ：沿程阻力系數(shù)(無量綱) 管子有效截面上的平均流速L 管子的長度 d 管子的直徑22fVdlp1. 沿程損失：沿程損失：l計(jì)算公式：計(jì)算公式：l特征：特征： 管道越長，沿程損失越大。管道越長，沿程損失越大。 八、八、 流

40、動損失分類流動損失分類 發(fā)生在流動狀態(tài)急劇變化的急變流中。流體質(zhì)點(diǎn)間產(chǎn)生劇烈的能量交換而產(chǎn)生損失。 如閥門、彎管、變形截面等 22ghjl 計(jì)算公式：計(jì)算公式：局部損失系數(shù)(無量綱) 一般由實(shí)驗(yàn)測定3.總能量損失：總能量損失： jfwhhh能量損失的量綱為長度，工程中也稱其為水頭損失能量損失的量綱為長度，工程中也稱其為水頭損失 2 2Vpfjfwwppghp2. 局部損失：局部損失：l 定義：定義：八、八、 流動損失分類流動損失分類 （一）管（一）管道系統(tǒng)分類道系統(tǒng)分類 按能量損失大小按能量損失大小長管：凡局部阻力在總阻力中的比例不足長管：凡局部阻力在總阻力中的比例不足5的管的管道系統(tǒng)，稱為道

41、系統(tǒng)，稱為“水力長管水力長管”，只考慮沿程損，只考慮沿程損失。失。短管：在水力計(jì)算中，同時(shí)考慮沿程損失和局部損短管：在水力計(jì)算中，同時(shí)考慮沿程損失和局部損失的管道系統(tǒng)，稱為短管。失的管道系統(tǒng)，稱為短管。 按管道系統(tǒng)結(jié)構(gòu)按管道系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單管道：管徑和粗糙度均相同的一根或數(shù)根管子簡單管道：管徑和粗糙度均相同的一根或數(shù)根管子串聯(lián)在一起的管道串聯(lián)在一起的管道復(fù)雜管道復(fù)雜管道串聯(lián)管道串聯(lián)管道并聯(lián)管道并聯(lián)管道枝狀管道枝狀管道網(wǎng)狀管道網(wǎng)狀管道九、九、 管道水力計(jì)算管道水力計(jì)算 1）串聯(lián)管道：不同管徑或不同粗糙度的數(shù)段管子串聯(lián)聯(lián)接所組成的管道系統(tǒng)，如圖(b)所示。2）并聯(lián)管道：是指數(shù)段管道并列聯(lián)接所組成的管道

42、系統(tǒng)，如圖(c)所示。3）枝狀管道：各不相同的出口管段在不同位置分流，形狀如樹枝，如圖(d)所示。4）網(wǎng)狀管道：通過多路系統(tǒng)相互連接組成一些環(huán)形回路，而節(jié)點(diǎn)的流量來自幾個(gè)回路的管道，圖(e)所示。 簡單管道簡單管道九、九、 管道水力計(jì)算管道水力計(jì)算 （二）管（二）管道水力計(jì)算主要任務(wù)道水力計(jì)算主要任務(wù) (1) 根據(jù)給定的流量和允許的壓強(qiáng)損失確定管道直徑和管道布置；(2) 根據(jù)給定的管道直徑、管道布置和流量來驗(yàn)算壓強(qiáng)損失；(3) 根據(jù)給定的管道直徑、管道布置和允許的壓強(qiáng)損失，校核流量。九、九、 管道水力計(jì)算管道水力計(jì)算 1. 1.串聯(lián)管道串聯(lián)管道根據(jù)連續(xù)性原理，通過串聯(lián)管道各管段中的流量相等，因

43、而對不可壓縮流體有： 321VVV如果各管段的管徑都相同，通常稱為簡單管道，則各管段的平均流如果各管段的管徑都相同，通常稱為簡單管道，則各管段的平均流速也相等，即速也相等，即串聯(lián)管道的總能量損失是各段管道中的能量損失之和，即串聯(lián)管道的總能量損失是各段管道中的能量損失之和，即constqqqVVV321constAVAVAV332211w3w2w1whhhh321AAA九、九、 管道水力計(jì)算管道水力計(jì)算 串聯(lián)管道示意圖串聯(lián)管道示意圖九、九、 管道水力計(jì)算管道水力計(jì)算 2. 2. 并聯(lián)管道并聯(lián)管道 從能量平衡觀點(diǎn)來看，無論對l、2、3中哪一個(gè)支管，聯(lián)節(jié)點(diǎn)a、b間的能量損失都應(yīng)等于a、b兩節(jié)點(diǎn)之間的

44、壓頭差，也就是說在a、b之間各并聯(lián)支管的能量損失都相同，即 321VVVVqqqqb)-w(aw3w2w1hhhh對于不可壓縮流體，根據(jù)連續(xù)性方程，總流量應(yīng)等于各支管流量之和，對于不可壓縮流體，根據(jù)連續(xù)性方程，總流量應(yīng)等于各支管流量之和，即即九、九、 管道水力計(jì)算管道水力計(jì)算 當(dāng)不可壓縮黏性流體當(dāng)不可壓縮黏性流體縱向流過平板縱向流過平板時(shí)，在邊界層外邊界上沿平板方向的時(shí)，在邊界層外邊界上沿平板方向的速度速度是相同的，而且整個(gè)流場和邊界層內(nèi)的是相同的，而且整個(gè)流場和邊界層內(nèi)的壓強(qiáng)壓強(qiáng)都保持不變。都保持不變。p當(dāng)黏性流體流經(jīng)當(dāng)黏性流體流經(jīng)曲面物體曲面物體時(shí)（如圖），邊界層時(shí)（如圖），邊界層外邊界外

45、邊界上沿曲面方向的上沿曲面方向的速速度度是改變的，所以邊界層內(nèi)的是改變的，所以邊界層內(nèi)的壓強(qiáng)壓強(qiáng)也將發(fā)生變化。也將發(fā)生變化。 擾流曲面物體時(shí)邊界層內(nèi)的流動？擾流曲面物體時(shí)邊界層內(nèi)的流動？十、十、 曲面曲面邊界層分離現(xiàn)象邊界層分離現(xiàn)象 邊界層分離現(xiàn)象：邊界層分離現(xiàn)象：n在實(shí)際工程中，物體的邊界多為曲面（流線型或者非流線型）。在實(shí)際工程中，物體的邊界多為曲面（流線型或者非流線型）。n當(dāng)流體繞流非流線型物體時(shí)，物體上的邊界層一般會在某個(gè)位置開始脫當(dāng)流體繞流非流線型物體時(shí)，物體上的邊界層一般會在某個(gè)位置開始脫離物體表面，并在表面附近出現(xiàn)與主流方向相反的回流，流體力學(xué)中稱離物體表面，并在表面附近出現(xiàn)與主流方向相反的回流，流體力學(xué)中稱這種現(xiàn)象為這種現(xiàn)象為邊界層分離現(xiàn)象邊界層分離現(xiàn)象。十、十、 曲面曲面邊界層分離現(xiàn)象邊界層分離現(xiàn)象 邊界層分離現(xiàn)象：邊界層分離現(xiàn)象：n流線型物體在特殊情況下也流線型物體在特殊情況下也 會發(fā)生邊界層分離現(xiàn)象。會發(fā)生邊界層分離現(xiàn)象。 擴(kuò)張管（上壁有抽吸）擴(kuò)張管（上壁有抽吸）十、十、 曲面曲面邊界層分離現(xiàn)象邊界層分離現(xiàn)象 理想流體繞流圓柱面：理想流體繞