流體力學(xué) (3)精品課件

1、流體力學(xué)課件第1頁，共27頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)54分，星期四緒論流體力學(xué)是研究流體機(jī)械運(yùn)動(dòng)規(guī)律及其應(yīng)用的科學(xué)，是力學(xué)的一個(gè)重要分支。流體力學(xué)研究的對(duì)象液體和氣體。第2頁，共27頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)54分，星期四流體力學(xué)發(fā)展簡(jiǎn)史流體力學(xué)的研究方法作用在流體上的力流體的主要物理性質(zhì)流體力學(xué)的模型第3頁，共27頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)54分，星期四流體力學(xué)發(fā)展簡(jiǎn)史第一階段（16世紀(jì)以前）：流體力學(xué)形成的萌芽階段第二階段（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)階段第三階段（18世紀(jì)中葉-19世紀(jì)末）流體力學(xué)沿著兩個(gè)方向發(fā)展歐拉、伯努利第

2、四階段（19世紀(jì)末以來）流體力學(xué)飛躍發(fā)展第4頁，共27頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)54分，星期四第一階段（16世紀(jì)以前）：流體力學(xué)形成的萌芽階段公元前2286年公元前2278年大禹治水疏壅導(dǎo)滯（洪水歸于河）公元前300多年李冰都江堰深淘灘，低作堰公元584年公元610年隋朝南北大運(yùn)河、船閘應(yīng)用埃及、巴比倫、羅馬、希臘、印度等地水利、造船、航海產(chǎn)業(yè)發(fā)展系統(tǒng)研究古希臘哲學(xué)家阿基米德論浮體（公元前250年）奠定了流體靜力學(xué)的基礎(chǔ)第5頁，共27頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)54分，星期四返回第6頁，共27頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)54分，星期四第二階段（16世紀(jì)文藝復(fù)興以后-18世紀(jì)

3、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(dòng)方程即伯努利方程1775年歐拉理想流體的運(yùn)動(dòng)方程即歐拉運(yùn)動(dòng)微分方程第7頁，共27頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)54分，星期四第三階段（18世紀(jì)中葉-19世紀(jì)末）流體力學(xué)沿著兩個(gè)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1769年謝才謝才公式（計(jì)算流速、流量）1895年曼寧曼寧公式（計(jì)算謝才系數(shù)）1732年比托比托管（測(cè)流速）1797年文丘里文丘里管（測(cè)流量）理論1823年納維

4、，1845年斯托克斯分別提出粘性流體運(yùn)動(dòng)方程組（N-S方程）第8頁，共27頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)54分，星期四第四階段（19世紀(jì)末以來）流體力學(xué)飛躍發(fā)展理論分析與試驗(yàn)研究相結(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)）1903年普朗特邊界層概念（繞流運(yùn)動(dòng)）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)科第9頁，共27頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)54分，星期四流體力學(xué)的研究方法理論分析方法、實(shí)驗(yàn)方法、數(shù)值方法相互配合，互為補(bǔ)充理論研究方法力學(xué)模型物理基本定律求解數(shù)學(xué)方程分析和揭示本質(zhì)和規(guī)律實(shí)

5、驗(yàn)方法相似理論模型實(shí)驗(yàn)裝置數(shù)值方法計(jì)算機(jī)數(shù)值方法是現(xiàn)代分析手段中發(fā)展最快的方法之一第10頁，共27頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)54分，星期四作用在流體上的力1.質(zhì)量力：作用在所研究的流體質(zhì)量中心，與質(zhì)量成正比重力慣性力單位質(zhì)量力重力第11頁，共27頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)54分，星期四2.表面力：外界對(duì)所研究流體表面的作用力，作用在外 表面，與表面積大小成正比應(yīng)力切線方向：切向應(yīng)力剪切力內(nèi)法線方向：法向應(yīng)力壓強(qiáng)FAFnF表面力具有傳遞性流體相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)因粘性而產(chǎn)生的內(nèi)摩擦力第12頁，共27頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)54分，星期四流體的主要物理性質(zhì)慣性、粘性、壓縮（膨脹）性

6、1.慣性密度常見的密度（在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下）：4時(shí)的水20時(shí)的空氣容重（重度）比重第13頁，共27頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)54分，星期四2.粘性：在外力作用下，流體微元間出現(xiàn)相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，隨之產(chǎn)生阻抗相對(duì)運(yùn)動(dòng)的內(nèi)摩擦力微觀機(jī)制：分子間吸引力、分子不規(guī)則運(yùn)動(dòng)的動(dòng)量交換牛頓內(nèi)摩擦定律：切應(yīng)力：zvv+dvvxzdzy第14頁，共27頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)54分，星期四a.速度梯度的物理意義角變形速度（剪切變形速度）vdt(v+dv)dtdvdtdzd流體與固體在摩擦規(guī)律上完全不同正比于dv/dz正比于正壓力，與速度無關(guān)第15頁，共27頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)54分，星

7、期四b.動(dòng)力粘度（系數(shù)）：與流體性質(zhì)有關(guān)PaS運(yùn)動(dòng)粘度（系數(shù)）：m/s微觀機(jī)制：液體吸引力T氣體熱運(yùn)動(dòng)T第16頁，共27頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)54分，星期四dv/dz牛頓流體o牛頓流體服從牛頓內(nèi)摩擦定律的流體（水、大部分輕油、氣體等）c.牛頓流體與非牛頓流體第17頁，共27頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)54分，星期四0dv/dzo塑性流體 非牛頓流體 塑性流體克服初始應(yīng)力0后，才與速度梯度成正比（牙膏、新拌水泥砂漿、中等濃度的懸浮液等）第18頁，共27頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)54分，星期四dv/dzo擬塑性流體 擬塑性流體的增長(zhǎng)率隨dv/dz的增大而降低（高分子溶液、

8、紙漿、血液等）第19頁，共27頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)54分，星期四dv/dzo膨脹型流體 膨脹型流體的增長(zhǎng)率隨dv/dz的增大而增加（淀粉糊、挾沙水流）第20頁，共27頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)54分，星期四0dv/dzo膨脹型流體牛頓流體擬塑性流體塑性流體第21頁，共27頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)54分，星期四例：汽缸內(nèi)壁的直徑D=12cm，活塞的直徑d=11.96cm，活塞長(zhǎng)度L=14cm，活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)的速度為1m/s，潤(rùn)滑油的 =0.1Pas。求作用在活塞上的粘性力。解：注意：面積、速度梯度的取法dDL第22頁，共27頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)54分，

9、星期四例：旋轉(zhuǎn)圓筒粘度計(jì)，外筒固定，內(nèi)筒轉(zhuǎn)速n=10r/min。內(nèi)外筒間充入實(shí)驗(yàn)液體。內(nèi)筒r1=1.93cm，外筒 r2=2cm，內(nèi)筒高h(yuǎn)=7cm，轉(zhuǎn)軸上扭距M=0.0045Nm。求該實(shí)驗(yàn)液體的粘度。解：注意：1.面積A的取法； 2.單位統(tǒng)一hnr1r2得第23頁，共27頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)54分，星期四3.壓縮（膨脹）性a.壓縮系數(shù)在一定溫度下，密度的變化率與壓強(qiáng)的變化成正比體積模量（彈性模量）b.膨脹系數(shù)在一定壓強(qiáng)下，體積的變化率與溫度的變化成正比第24頁，共27頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)54分，星期四c.氣體理想氣體狀態(tài)方程R氣體常數(shù)空氣R=8.31/0.029=287J/kgK等溫過程：壓縮系數(shù)等壓過程：膨脹系數(shù)絕熱過程：壓縮系數(shù)低速（標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)，v68m/s）氣流可按不可壓縮流體處理第25頁，共27頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)54分，星期四表面張力和毛細(xì)現(xiàn)象1.表面張力：由分子的內(nèi)聚力引起單位：N/m發(fā)生在液氣接觸的周界、液固接觸的周界、不同液體接觸的周界2.毛細(xì)現(xiàn)象：液固接觸液