材料工程基礎(chǔ)課件：1-1 流體力學(xué)的基本性質(zhì)

1、第一章、流體力學(xué)及流體輸送設(shè)備返回 1.1、概述 1.2、流體靜力學(xué) 1.3、流體動力學(xué)基礎(chǔ) 1.4、流動流動的阻力和能量損失 1.5、管路計(jì)算基礎(chǔ) 1.6、相似理論 1.7、流體輸送設(shè)備（風(fēng)機(jī)與泵）1 1.1、概述1.1.1流體的概念 （了解） 1.1.2流體力學(xué)的研究內(nèi)容、方法（了解） 1.1.3 流體力學(xué)的發(fā)展過程 （了解） 1.1.4 流體的主要物理性質(zhì) （掌握） 1.1.5 流體的主要模型（熟悉） 21.1.1流體的概念 （1） 什么是流體（fluid） ？能夠流動的物體，指液體和氣體的總稱。從力學(xué)角度來說，流體在受到微小的剪切力作用時，將連續(xù)不斷地發(fā)生變形(即流動)，直到剪切力的作

2、用消失為止。所以，流體可以這樣來定義：在任何微小剪切力作用下能夠連續(xù)變形的物質(zhì)叫作流體。 (2) 什么是流場fluidfield流體所占據(jù)的空間稱為流場。流場中所對應(yīng)的各種物理量在空間上的分布規(guī)律稱為相應(yīng)的物理量場（如速度場、壓力場、密度場等），即具有流向的物理場。返回流體與固體有何區(qū)別?3（3）什么是流體力學(xué)(Fluid Mechanics) ？流體力學(xué)是力學(xué)的一個獨(dú)立分支，是研究流體宏觀運(yùn)動的一門科學(xué)。即：研究流體平衡和運(yùn)動規(guī)律的科學(xué)。流體靜力學(xué)流體動力學(xué)（4）工程流體力學(xué)fluidmechanicsofengineering 特別強(qiáng)調(diào)工程應(yīng)用性的流體力學(xué)，主要研究工業(yè)過程中常見的流動現(xiàn)象

3、和流動設(shè)備的規(guī)律，并以能解決實(shí)際問題為其基本目標(biāo)。41.1.2、流體力學(xué)研究的內(nèi)容及方法有哪些？1、研究內(nèi)容：流體靜力學(xué)的基本規(guī)律：研究壓強(qiáng)的分布規(guī)律；流體動力學(xué)的基本規(guī)律：如質(zhì)量、動量、能量平衡應(yīng)遵循的規(guī)律，具體體現(xiàn)是連續(xù)性方程、伯努利方程及其應(yīng)用，動量守恒方程了解；流體在通道內(nèi)的運(yùn)動特征：如速度分布、壓強(qiáng)分布、能量損失等；流體同固體間的相互作用。 2、研究方法：實(shí)驗(yàn)方法、理論分析方法、數(shù)值計(jì)算方法返回51.1.3 流體力學(xué)的發(fā)展過程如公元前2286年公元前2278年如：大禹治水 公元前300多年 李冰-都江堰 (秦朝) 隋朝：南北大運(yùn)河 是人類早期認(rèn)識、研究流體運(yùn)動規(guī)律并駕篤、利用流體運(yùn)動

4、的典型范例返回第一階段（16世紀(jì)以前）：流體力學(xué)形成的萌芽階段6流體力學(xué)進(jìn)行系統(tǒng)的研究：古希臘哲學(xué)家阿基米德論浮體 奠定了流體靜力學(xué)的基礎(chǔ)阿基米德Achimedes(公元前287-212)古希臘科學(xué)家貢獻(xiàn)：建立了包括物體浮力定律和浮體穩(wěn)定性在內(nèi) 的液體平衡理論，奠定了流體靜力學(xué)的基礎(chǔ)。 是流體力學(xué)學(xué)科形成的第一創(chuàng)始人。返回后一頁前一頁7達(dá)芬奇 LeonardodaVinc（1452-1519 ）15世紀(jì)意大利文藝復(fù)興時期著名藝術(shù)家、方法：實(shí)驗(yàn)研究貢獻(xiàn)： 首次較系統(tǒng)地觀察研究了水波、管流、渦旋、水力機(jī)械、鳥的飛翔等流體動力學(xué)原理，進(jìn)行了大量的工程實(shí)踐活動，在米蘭附近建了第一個小型水渠； 1493

5、年首次根據(jù)鳥的飛翔原理設(shè)計(jì)出一飛行器。科學(xué)家、工程師 8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)動方程即伯努利方程1775年歐拉 理想流體的運(yùn)動方程即歐拉運(yùn)動微分方程返回9貢獻(xiàn)：確立了粘性流體摩擦阻力的基本規(guī)律-在原理一書討論了阻力、波浪等問題， 提出著名的“牛頓內(nèi)摩擦定律”，從而奠定了粘性流體動力學(xué)基礎(chǔ)。 牛頓 Isaac Newto公元1642-1727偉大的英國物理學(xué)家、數(shù)學(xué)家、天文學(xué)家 返

6、回10伯努利（丹尼爾.伯努利）DanielBernoulli 公元1700-1782瑞士科學(xué)家（其祖、父、弟、子皆為著名科學(xué)家，科學(xué)史稱伯努利家族）貢獻(xiàn)：1738年建立了流體動力學(xué) 最有應(yīng)用價值的基本方程 伯努利方程，寫有流體動力學(xué)等返回11歐拉LeonhardEuler （1707-1783,瑞士）是DanielBernoulli父親的弟子 貢獻(xiàn)：1775年建立了理想流體運(yùn)動微分方 程及其解，從而奠定了理想流體動力學(xué)基礎(chǔ)。 返回12第三階段（18世紀(jì)中葉-19世紀(jì)末）流體力學(xué)沿著兩個方向發(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1732年畢托畢托管 （測流速）1797

7、年文丘里文丘里管（測流量）理論1823年納維，1845年斯托克斯分別提出粘性流體運(yùn)動方程組（N-S方程）返回13納維Claude-Louis-Marie-HenriNavier 1785-1836法國力學(xué)家、工程師 貢獻(xiàn)：1823年推廣了歐拉理想流體運(yùn)動微分方程，考慮流體粘性，建立了用實(shí)際粘性流體的運(yùn)動微分方程（只含一個粘性系數(shù)）返回14斯托克斯（GeorgeGabrielStokes） 公元1819-1903英國數(shù)學(xué)家、力學(xué)家 貢獻(xiàn)：1845年改進(jìn)了納維粘性流體的運(yùn)動微分方程，建立了含有兩個粘性常數(shù)的粘性流體 運(yùn)動微分方程，稱為 納維-斯托克斯方程(N-S)，奠定了 近代流體力學(xué)的基礎(chǔ) 返回

8、15第四階段（19世紀(jì)末以來）流體力學(xué)飛躍發(fā)展理論分析法與試驗(yàn)研究法相結(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)）1904年普朗特邊界層概念（繞流運(yùn)動）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)科返回16雷諾（O.Reynolds，18421912，愛爾蘭人，英國力學(xué)家、工程師 ） 貢獻(xiàn)：1883年通過對管流流動狀態(tài)的實(shí)驗(yàn)觀察研究，首次發(fā)現(xiàn)流體兩種流動狀態(tài)-層流和紊流，同時建立了流動現(xiàn)象相似的規(guī)律-只要管流的雷諾數(shù)相等的兩個流動現(xiàn)象是相似的。 返回17普朗特（L.Prandtl，公元18751953，

9、德國力學(xué)家 ） 貢獻(xiàn)：1904年建立了邊界層理論， 將當(dāng)時流體力學(xué)兩個互不 相通的方向（數(shù)學(xué)理論流 體力學(xué)和實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)） 結(jié)合起來，從而奠定了現(xiàn)代 流體力學(xué)的基礎(chǔ)。此外在空 氣動力學(xué)、紊流理論研究也做 了開創(chuàng)性的貢獻(xiàn)“邊界層理論”為標(biāo)志。返回18馮.卡門TheodorevonKarma 公元1881-1963美籍匈牙利力學(xué)家 貢獻(xiàn)：建立了卡門渦街、升力面等理論， 20世紀(jì)初在他的推動下，空氣 動力學(xué)從流體力學(xué)發(fā)展出來形 成了獨(dú)立的力學(xué)分支。我國三大力學(xué)家郭永懷、錢學(xué)森、錢偉長是他的學(xué)生 返回19六十年代后期，逐漸形成流體力學(xué)與其他學(xué)科交叉的分支學(xué)科近代流體力學(xué)發(fā)展計(jì)算技術(shù)電子技術(shù)：實(shí)驗(yàn)手段更

10、新實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)數(shù)值計(jì)算方法計(jì)算流體力學(xué)計(jì)算機(jī)技術(shù) 與生物力學(xué)交叉的生物流變學(xué) 與電磁力學(xué)交叉的磁流體力學(xué) 與化學(xué)物理變化相結(jié)合的物理-化學(xué)流體動力學(xué)。返回201.1.4 流體的主要物理性質(zhì)作用在流體上的力是如何分類的？（掌握）流體的主要力學(xué)性質(zhì) 正確理解流體的主要性質(zhì)； 重點(diǎn)掌握流體的粘滯性的相關(guān)概念及 牛頓內(nèi)摩擦定律； 掌握流體的易變形性； 掌握流體的熱脹性、可壓縮性。 慣性、重力性質(zhì)、壓縮性和熱脹性 粘滯性和易變形性基本要求基本內(nèi)容21主要內(nèi)容1什么是流體連續(xù)性性質(zhì)？(掌握)2作用在流體上的力是如何分類的？（掌握）3什么是流體的慣性性質(zhì)？（了解）4什么是流體的重力性質(zhì)？（了解）5什么是流體

11、的可壓縮性、熱脹性？根據(jù)此性質(zhì)可將流體力學(xué)分為哪兩種？（掌握）6什么是流體的粘性性質(zhì)？它是如何產(chǎn)生的？對流體運(yùn)動會產(chǎn)生什么影響？（掌握） 7什么是牛頓內(nèi)摩擦定律？它有何意義和用途？（掌握）8什么是流體的粘性系數(shù)和運(yùn)動粘度？它有哪些基本特性？（掌握）9什么是流體的易變形性質(zhì)？（掌握)221什么是流體連續(xù)性性質(zhì)？(掌握)流體質(zhì)點(diǎn)概念返 回下一頁P(yáng)zyx定義：能夠表現(xiàn)某空間位置流體宏觀上的統(tǒng)計(jì)平均特性（密度、壓力等）的最小流體微團(tuán)稱為流體的質(zhì)點(diǎn)大?。和ǔＳ觅|(zhì)點(diǎn)半徑描述23流體連續(xù)性假設(shè) (continuous hypothesis) 流體是由連續(xù)排列的流體質(zhì)點(diǎn)所構(gòu)成的在充滿連續(xù)性流體介質(zhì)的空間，流體

12、有關(guān)的物理參數(shù)不僅是空間和時間的連續(xù)函數(shù)而且是連續(xù)可微的函數(shù)適用條件研究對象的特征尺寸（如管道管徑、飛機(jī)長度）遠(yuǎn)大于流體質(zhì)點(diǎn)半徑本課程所涉及流體力學(xué)均屬于連續(xù)介質(zhì)流體力學(xué)返 回242、作用在流體上的力是如何分類的？P9（掌握） 質(zhì)量力（1）定義：作用于流體的每一個流體質(zhì)點(diǎn)上的力，與流體所具有的質(zhì)量成正比。無需與流體接觸而施加于流體上的力，又稱為遠(yuǎn)程力。（2）常見的質(zhì)量力：重力、慣性力(如：離心力)（3）流體力學(xué)更關(guān)心單位質(zhì)量力(X、Y、Z) 指作用于單位質(zhì)量流體上的質(zhì)量力 單位重力：25 表面力：是相鄰流體或其它物體對我們所研究對象施 加的直接接觸力，通常用單位面積上的表面 力表面應(yīng)力來表示。

13、 通常將表面力分解在兩個方向上 表面法線方向 該方向上的力稱為正應(yīng)力，內(nèi)法線方向上的力稱為壓應(yīng)力，外法線上的力稱為拉應(yīng)力 基本假定：對一般流體，流體不能承受拉應(yīng)力。 表面切線方向 該方向上的力稱為切應(yīng)力 特性：一般地，表面力不僅是時間和空間位置的函數(shù)，而且與表面的方向有關(guān)FAPnT26慣性：慣性就是物體維持原來靜止或運(yùn)動狀態(tài)的物理性質(zhì) ，是物體的固有屬性。 慣性的大小用質(zhì)量來度量， 在流體力學(xué)中更關(guān)心流體單位體積的質(zhì)量即用密度來描寫單位體積內(nèi)流體所具有的慣性大小。3、什么是流體的慣性？（掌握）274、什么是流體的重力特性？（了解）重力：流體受到地球引力作用的性質(zhì)。 流體力學(xué)中常用重度表示重力特

14、性。重度指單位體積流體具有的重力， 以 表示。285、什么是流體的壓縮性和熱脹性？（掌握）概念：壓縮性：指流體受壓體積縮小、密度增加的性質(zhì) 熱膨脹性：指流體受熱體積膨脹、密度減小的性質(zhì)大小：用壓縮系數(shù)和熱膨脹系數(shù)分別表示流體壓縮性和熱膨脹性的大小 壓縮系數(shù)： 壓縮性系數(shù)物理意義：單位壓力變化所產(chǎn)生的體積變化率。 水的壓縮系數(shù)（0）壓強(qiáng)(atm)510204080109m2/N0.5380.5360.5310.5280.51529氣體的壓縮性和熱膨脹性 氣體低速流動(即常溫狀態(tài)下氣體流動速度 大約不超過100m/s)，氣體的壓縮性可忽略。 氣體的密度、體積與溫度和壓力的關(guān)系分別為：金屬材料同樣具

15、有熱脹冷縮性，如：熱風(fēng)管道30 氣體的壓縮系數(shù)和膨脹系數(shù)理想氣體空氣 R=8.31/0.029=287J/kgK等溫過程：壓縮系數(shù)任意狀態(tài)方程理想氣體的壓縮系數(shù)=1/p(等溫壓縮)結(jié)論一般液體流動可忽略其可壓縮性氣體低速流動(即常溫狀態(tài)下氣體流動速度大約不超過100m/s)，氣體的壓縮性可忽略氣體的密度、體積與溫度和壓力的關(guān)系分別為31熱膨脹系數(shù)定義物理意義：單位溫度變化所產(chǎn)生的體積變化率特征分析 水的熱膨脹系數(shù)大約為萬分之一到七 理想氣體的熱膨脹系數(shù)1/T(常溫下約3/1000)結(jié)論一般液體的熱膨脹性可忽略氣體流動過程溫差變化不大時，熱脹性可忽略不可壓縮流體 incompressible f

16、luid 壓縮系數(shù)、熱膨脹系數(shù)為零的流體。本課程主要討論不可壓縮流體流動規(guī)律326、什么是流體的粘滯性？（掌握）概念：流體在運(yùn)動的狀態(tài)下,有一種抗拒內(nèi)在的向前運(yùn)動的特性。 表現(xiàn)如圖產(chǎn)生的原因：分子間的引力和分子的運(yùn)動與碰撞。液體分子之間的內(nèi)聚力（吸引力） 氣體分子動量交換（分子不規(guī)則運(yùn)動)對流體流動的影響:引起流體機(jī)械能散失為熱能流體相對于壁面的運(yùn)動速度將逐漸降低直至壁面處為零。33粘性的表現(xiàn)V=VelocityStationary PlateMoveable Plate A=Area m2 A=Area m2 X = DistanceF = Force (dynes) 返回34返回液體：一般

17、可認(rèn)為液體微觀粒子或離子團(tuán)間相互作用是產(chǎn)生粘性的主要因素 液體的粘性隨溫度的升高而降低。35返回 氣體： 粘性產(chǎn)生的原因是因?yàn)闅怏w分子的不規(guī)則熱運(yùn)動，使流層之 間的分子交換頻繁 ，表現(xiàn)為動量交換，這種動量交換阻礙了 氣體的運(yùn)動。而氣體分子間的相互作用力很小，可忽略。 氣體的粘性隨溫度升高而升高。36粘滯性的表現(xiàn)377、如何計(jì)算流體的粘性大小牛頓內(nèi)摩擦定律牛頓內(nèi)摩擦定律：1687年由英國物理學(xué)家I.牛頓（Isaac Newton）首先通過實(shí)驗(yàn)提出：兩平板之間的速度分布為： 牛頓內(nèi)摩擦定律 兩相鄰流體層之間單位面積上的內(nèi)摩擦力（也稱切應(yīng)力）與 兩流層間的速度梯度（dv/dy）成正比。 比例系數(shù)，稱

18、為粘性系數(shù)，簡稱粘度，單位：PaS，見表338進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)表明，上述切應(yīng)力與速度梯度的關(guān)系可推廣到兩無限接近的薄層，所以牛頓內(nèi)摩擦定律可表示為即作用在流體上的切應(yīng)力與速度梯度成正比 牛頓粘性定律指出： 粘性切應(yīng)力由相鄰兩層流體之間的速度梯度決定,而不是由速度決定。 粘性切應(yīng)力與流體的種類及流體的溫度、壓強(qiáng)有關(guān)。 流體粘性只能影響流動的快慢，卻不能停止流動 單位面積上的內(nèi)摩擦力正比于剪切變形率（速度梯度）。 牛頓內(nèi)摩擦定律意義和用途： 奠定了粘性流體動力學(xué)的基礎(chǔ)，同時可直接解決實(shí)際軸承潤滑工程問題39du/dy牛頓流體o什么是牛頓流體與非牛頓流體？(1)牛頓流體服從牛頓內(nèi)摩擦定律的流體（水、大部分

19、輕油、氣體等）（2）非牛頓流體：高分子溶液、紙漿、血液、混凝土漿體等非牛頓流體與牛頓流體具有不同的流動特性。du/dyo非牛頓流體408、什么是流體的粘性系數(shù)？它有哪些基本特性？（掌握）動力粘度： 是表示流體粘性大小的參數(shù)。 粘度與流體的種類、溫度有關(guān)。是流體的物性參數(shù)，因此可通過查流體物性參數(shù)表獲取 液體的動力粘性系數(shù)比氣體大得多，說明液體的粘性比氣體大得多。運(yùn)動粘度：粘度與密度的比值稱為運(yùn)動粘度 單位： m2/s (cm2/s ) 運(yùn)動粘度 是流體流動性大小的度量參數(shù)。例如：水的運(yùn) 動粘度比空氣小一個數(shù)量級，因此水的流動性比空氣好得、數(shù)值大小僅與流體種類和溫度有關(guān)，是流體的物性參數(shù)，因此可

20、通過查流體物性參數(shù)表獲取419、什么是流體的易變形性質(zhì)？（掌握) 流體的易變形性質(zhì)是流體與固體的本質(zhì)區(qū)別是指流體具有以下特征：(1)一般地要將流體一分為二幾乎不用做功 （固體則不然）(2)流體沒有確定形狀，其形狀取決于與流體接觸的邊界（這是流體與固體最直觀的差別） (3)流體在切應(yīng)力作用下將發(fā)生連續(xù)變形（固體在切應(yīng)力作用下發(fā)生確定的變形，這是流體與固體主要的力學(xué)性質(zhì)的差別）流體的易變形性質(zhì)決定了流體具有流動性（所謂流動性是指物體沿任意形狀的通道運(yùn)動的特性）。流體的定義： 在任何微小的剪切應(yīng)力作用下均發(fā)生連續(xù)變形的物質(zhì)，稱為流體421.1.5、流體的力學(xué)模型（掌握）分析研究流體力學(xué)問題，建立的力

21、學(xué)模型：一、連續(xù)性介質(zhì)模型（continuum continuous medium model ）1、流體質(zhì)點(diǎn)定義：能夠表現(xiàn)某空間位置流體宏觀上的統(tǒng)計(jì)平均特性（密度、壓力等）的最小流體微團(tuán)稱為流體的質(zhì)點(diǎn)。質(zhì)點(diǎn)大小通常用質(zhì)點(diǎn)半徑描述。2、流體連續(xù)性性質(zhì)： （1）流體是由連續(xù)排列的流體質(zhì)點(diǎn)所構(gòu)成的。（2）流體質(zhì)點(diǎn)宏觀上無限小，微觀上無限大。（3）在充滿連續(xù)性流體介質(zhì)的空間，流體有關(guān)的物理參數(shù)不僅是空間和時間的連續(xù)函數(shù)而且是連續(xù)可微的函數(shù)。3、適用條件：研究對象的特征尺寸（如管道管徑、飛機(jī)長度）遠(yuǎn)大于流體質(zhì)點(diǎn)半徑43二、理想流體模型和實(shí)際流體1、什么是理想流體？（掌握）指不考慮粘性的流體,它僅受到重

22、力和壓應(yīng)力的作用,不能抵抗剪切變形。理想氣體是指忽略分子大小及分子間相互作用的氣體，其基本性質(zhì)可分為狀態(tài)性質(zhì)和過程性質(zhì)狀態(tài)性質(zhì)：指理想氣體在一定狀態(tài)下各個狀態(tài)參數(shù)的相互關(guān)系過程性質(zhì)：指理想氣體從初態(tài)經(jīng)過特定過程達(dá)到終態(tài)后，初態(tài)和終態(tài)狀態(tài)參數(shù)的相互關(guān)系。44規(guī)律狀態(tài)性質(zhì)：可由克拉貝龍方程描述P壓力（壓強(qiáng)）,Pa密度,kg/m3T絕對溫度,KM氣體分子量 kg/kmolR*普適氣體常數(shù) 8314.3J/kmol.KR氣體常數(shù)，J/kg.KR空氣287 J/kg.KRH2=4124 J/kg.KRN2=296.2 J/kg.KRO2=259.8 J/kg.KRCO2=188.9 J/kg.K返回45過程性質(zhì)：等溫過程：定壓過程：定容過程：絕熱過程：多變過程：2、什么是實(shí)際流體？指具