第三章流體力學(xué)

1、主講：杜振川主講：杜振川研究生課程第三章第三章 沉積學(xué)相關(guān)的流體力學(xué)基本原理沉積學(xué)相關(guān)的流體力學(xué)基本原理 第一節(jié)第一節(jié) 概概 述述 流體力學(xué)是以牛頓運(yùn)動三定律為基礎(chǔ)的，即流體的運(yùn)動主要是受機(jī)械運(yùn)動的定律所制約的。機(jī)械運(yùn)動的矛盾是作用力和反作用力的相互作用。在流體運(yùn)動中重力、黏滯力、彈性力和表面張力都是可以改變流體原有狀態(tài)的作用力，惟有慣性力是維持流體原有運(yùn)動狀態(tài)的反作用力。因此，簡單地說，流體運(yùn)動就是慣性力與其他作用力（重力、黏滯力、彈性力、表面張力）相互作用的結(jié)果。 流體所受的力有：慣性力、萬有引力、重力、黏滯力、彈性力、表面張力等。 第三章第三章 沉積學(xué)相關(guān)的流體力學(xué)基本原理沉積學(xué)相關(guān)的流

2、體力學(xué)基本原理 第二節(jié)第二節(jié) 流體的黏滯性和內(nèi)摩擦定律流體的黏滯性和內(nèi)摩擦定律 一、黏滯性的概念 設(shè)有兩塊平行的平板，其間充滿靜止流體。當(dāng)下板固定不動，上板以勻速平行于下板運(yùn)動時，兩板之間的流體便處于不同速度的運(yùn)動狀態(tài)； 呈現(xiàn)出：附著在上運(yùn)動板下面流體層運(yùn)動速度與上運(yùn)動板的速度相等，愈往下速度愈小，直到附著在固定板上的流體層速度為零，這樣的線性速度分布規(guī)律。 這一事實(shí)說明，每一運(yùn)動速度較慢的流體層，都是在運(yùn)動速度較快的流體層帶動下才發(fā)生運(yùn)動的。 第二節(jié)第二節(jié) 流體的黏滯性和內(nèi)摩擦定律流體的黏滯性和內(nèi)摩擦定律 一、黏滯性的概念 根據(jù)力的作用原理，相鄰流體產(chǎn)生相對運(yùn)動時，快層對慢層產(chǎn)生一個拖曳力（

3、作用力），使慢層加速；相反，慢層對快層產(chǎn)生一個方向相反的阻滯力（反作用力），使快層減速。 把加快流體運(yùn)動的力稱為拖曳力；把阻止流體運(yùn)動的力稱為阻滯力。拖曳力和阻滯力是大小相等、方向相反的一對力，它們分別作用在兩個流體層的接觸面上，又因為這一對力是在流體內(nèi)部產(chǎn)生的，所以把這一對力叫做內(nèi)摩擦力（或稱為黏滯力）。 流體在靜止時不能承受切力抵抗剪切變形，但在運(yùn)動狀態(tài)下，流體具有抵抗剪切變形的能力，稱為黏滯性。 第二節(jié)第二節(jié) 流體的黏滯性和內(nèi)摩擦定律流體的黏滯性和內(nèi)摩擦定律 一、黏滯性的概念 在河道中的流水，因受固體邊界的影響，使得由河底往上流速逐漸增大，由于各水層的流速不同，各水層之間就要產(chǎn)生相對運(yùn)動

4、，即快層對慢層產(chǎn)生一種拖曳力，其方向與流向一致；反之，慢層對快層要產(chǎn)生一種阻滯力，其方向與流向相反。 第二節(jié)第二節(jié) 流體的黏滯性和內(nèi)摩擦定律流體的黏滯性和內(nèi)摩擦定律 二、牛頓內(nèi)摩擦定律二、牛頓內(nèi)摩擦定律 根據(jù)內(nèi)摩擦力（F）的性質(zhì)，它與接觸面積（A）和相對速度差（dv）成正比，而與垂直距離（dz）成反比，這一結(jié)論稱為牛頓內(nèi)摩擦定律（或黏滯定律），可表示為：式中：F為內(nèi)摩擦力（牛）；dv/dz為流速梯度（秒-1）（沿垂直水流方向單位距離的流速變化值，也稱剪切變形率）；A為接觸面積（m2）； 為與流體種類、溫度有關(guān)的系數(shù)，稱為動力黏滯性系數(shù)（帕秒，即Pas）。第二節(jié)第二節(jié) 流體的黏滯性和內(nèi)摩擦定律流

5、體的黏滯性和內(nèi)摩擦定律 二、牛頓內(nèi)摩擦定律二、牛頓內(nèi)摩擦定律 內(nèi)摩擦定律不是對所有的流體都能適用。凡是服從內(nèi)摩擦定律的流體稱作牛頓流體，即在溫度不變的條件下，隨著流速梯度（dv/dz）和剪切應(yīng)力（ ）的變化， 值保持常數(shù)。 黏滯切應(yīng)力，代表單位面積上的內(nèi)摩擦力。 第二節(jié)第二節(jié) 流體的黏滯性和內(nèi)摩擦定律流體的黏滯性和內(nèi)摩擦定律 二、牛頓內(nèi)摩擦定律二、牛頓內(nèi)摩擦定律 牛頓流體的摩擦力與速度梯度（dv/dz）呈線性關(guān)系，而非牛頓流體不是線性關(guān)系。 第二節(jié)第二節(jié) 流體的黏滯性和內(nèi)摩擦定律流體的黏滯性和內(nèi)摩擦定律 二、牛頓內(nèi)摩擦定律二、牛頓內(nèi)摩擦定律 氣體和分子結(jié)構(gòu)簡單的液體，如空氣、水及油液等均屬于牛

6、頓流體。 重力流、血液、高分子液體等均是非牛頓流體。 第三節(jié)第三節(jié) 急流、緩流和福勞德數(shù)急流、緩流和福勞德數(shù) 液體流動 管道流明渠流 沉積學(xué)所研究的對象大多是明渠流，明渠流按流動強(qiáng)度 急流 緩流 臨界流 第三節(jié)第三節(jié) 急流、緩流和福勞德數(shù)急流、緩流和福勞德數(shù) 判別流體流動強(qiáng)度的準(zhǔn)則福勞德數(shù)（Fr）式中：Fr 為福勞德數(shù)（Froude number）； 為流速； g 為重力加速度； h 為水深。 第三節(jié)第三節(jié) 急流、緩流和福勞德數(shù)急流、緩流和福勞德數(shù) 判別流體流動強(qiáng)度的準(zhǔn)則福勞德數(shù)（Fr） 當(dāng)Fr =1時，說明水流受慣性力與重力作用相等，為臨界流動狀態(tài)； Fr l時，慣性力作用大于重力作用（慣性

7、力起主導(dǎo)作用），水流為急流，也稱高流態(tài)； 當(dāng)Fr1時，慣性力作用小于重力作用（重力起主導(dǎo)作用），水流為緩流，也稱低流態(tài)。 在明渠條件下，要使Fr值達(dá)到1，要求水深l0m，流速9. 9m/s，這樣高的流速在自然界中極為罕見，在淺水環(huán)境中，流速一般只有2m/s。因此，急流一般在局部地段才出現(xiàn)。第三節(jié)第三節(jié) 急流、緩流和福勞德數(shù)急流、緩流和福勞德數(shù) 急流和緩流用觀察流水遇到障礙物（大石塊）時的表現(xiàn)可定性的區(qū)別， 緩流在障礙物處發(fā)生水面跌落，而障礙物上游水面發(fā)生壅高，并延伸到上游相當(dāng)遠(yuǎn)處； 急流在障礙物處激起浪花，一涌而過，只在障礙物附近的水面有所升高，而對稍遠(yuǎn)的上游水面不發(fā)生任何影響。 （a）急流

8、（b）緩流 第四節(jié)第四節(jié) 層流、紊流與雷諾數(shù)層流、紊流與雷諾數(shù) 雷諾（1883）英國物理學(xué)家通過大量的實(shí)驗發(fā)現(xiàn)，流體存在著兩種不同的流動狀態(tài)：層流和紊流（又稱為湍流）。 雷諾水槽實(shí)驗如圖33示，微開閥門A，再將閥門B打開，使紅顏色水流入玻璃管中，以便觀察紅色液流質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動軌跡。此時，由于管內(nèi)流速較慢，流體質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動有條不紊，呈不混雜并分層流動的狀態(tài)，這種流態(tài)稱為層流 第四節(jié)第四節(jié) 層流、紊流與雷諾數(shù)層流、紊流與雷諾數(shù) 雷諾（1883）英國物理學(xué)家通過大量的實(shí)驗發(fā)現(xiàn)，流體存在著兩種不同的流動狀態(tài)：層流和紊流（又稱為湍流）。 閥門A開大，流束呈現(xiàn)波紋狀，上下擺動，稱此為過渡狀態(tài) 。第四節(jié)第四節(jié) 層

9、流、紊流與雷諾數(shù)層流、紊流與雷諾數(shù) 雷諾（1883）英國物理學(xué)家通過大量的實(shí)驗發(fā)現(xiàn)，流體存在著兩種不同的流動狀態(tài)：層流和紊流（又稱為湍流）。 閥門A繼續(xù)開大，使管中流速增大，直到流體質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動所呈現(xiàn)的分層流動狀態(tài)被破壞，發(fā)生互相混雜，并且有縱向脈動，這種流動狀態(tài)為紊流。反之，把控制閥門A逐漸關(guān)小，則紅色水細(xì)流又恢得到所示的過渡狀態(tài)，再關(guān)小則恢復(fù)到所示的層流狀態(tài)。 第四節(jié)第四節(jié) 層流、紊流與雷諾數(shù)層流、紊流與雷諾數(shù) 層流與紊流的判別為雷諾數(shù) （Reynolds number, Re），即：V 平均流速； 運(yùn)動黏滯系數(shù)； d管道直徑；在管道條件下：Re 2320為紊流，紊流是一種充滿了漩渦的湍急的流動，流體質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動軌跡極不規(guī)則，其流速大小和流動方向隨時間而變化，彼此相互摻混 。 第四節(jié)第四節(jié) 層流、紊流與雷諾數(shù)層流、紊流與雷諾數(shù) 明渠流的臨界雷諾數(shù)（ReK）為500 第四節(jié)第四節(jié) 層流、紊流與雷諾數(shù)層流、紊流與雷諾數(shù) 層流、臨界流、紊流的基本特征 第五節(jié)第五節(jié) 懸浮載荷和漩渦紊動作用懸浮載荷和漩渦紊動作用 流體原作直線運(yùn)動，由于外界某種原因的干擾，流層會出現(xiàn)局部性的波動 圖a在波峰處，波動面上側(cè)的流層，因過水?dāng)嗝孀冃《魉僮兇螅鴫毫档?；波動面下?cè)恰相反，流速變小而壓力增大，從而產(chǎn)生一種上小下大的壓力差。在波谷處則相反，產(chǎn)生上大下小的壓力差。 第五節(jié)第五節(jié) 懸浮