流體力學(xué)學(xué)習(xí)課件第一章 緒論(流體力學(xué))

流體力學(xué)李傳奇土建與水利學(xué)院2022/11/112

第一章緒論

第二章流體靜力學(xué)

第三章流體運動學(xué)

第四章流體動力學(xué)基礎(chǔ)

第六章流動阻力與水頭損失

第七章孔口、管嘴和有壓流

第八章明渠流動教學(xué)基本內(nèi)容第一章緒論32022/11/11

第一節(jié)流體力學(xué)及任務(wù)

第二節(jié)作用在流體上的力

第三節(jié)流體的主要物理性質(zhì)

第四節(jié)牛頓流體與非牛頓流體1.1流體力學(xué)及其任務(wù)2022/11/1141.1.1

流體力學(xué)的研究對象

力學(xué)

基礎(chǔ)學(xué)科，它同數(shù)、理、化、天、地、生并列為七大基礎(chǔ)學(xué)科。流體力學(xué)

是力學(xué)的一個分支，流體力學(xué)是研究流體靜止或運動的力學(xué)規(guī)律及其在工程技術(shù)中的應(yīng)用。有無固定的體積？能否形成

自由表面？是否容易

被壓縮？流體氣體無否易液體有能不易呈現(xiàn)流動性？

流體固體

流體最主要的物理特性力學(xué)模型質(zhì)點

剛體：有質(zhì)量固體：有質(zhì)量，有變形，可抵抗拉、壓、

剪切力流體：有質(zhì)量，有變形，不可抵抗拉力，

靜止時不能抵抗剪切力。（流動性）

1.流體在外力作用下，靜止與運動的規(guī)律；

2.流體與邊界的相互作用。

流體力學(xué)的主要研究內(nèi)容

固定邊界：水工建筑物、河床、海洋平臺等

運動邊界：飛機、船只等

1.1.2連續(xù)介質(zhì)假設(shè)

2022/11/118流體質(zhì)點(fluidparticle)：又稱“流體微團(tuán)”

相對于一般問題中的宏觀特征尺寸小到可以被看成一個點但是仍含有足夠多個流體分子。

個分子

1mm3空氣(1個大氣壓，00C)流體的組成：由大量不斷運動的分子組成,

分子之間有間隙，不連續(xù)。

1.1.2

連續(xù)介質(zhì)假設(shè)

2022/11/119連續(xù)介質(zhì)假設(shè)連續(xù)介質(zhì)假設(shè)將流體區(qū)域看成由流體質(zhì)點連續(xù)組成，占滿空間而沒有間隙，其物理特性和運動要素在空間是連續(xù)分布的。目的

可以采用連續(xù)函數(shù)來描述流體中的物理參數(shù)。

流體力學(xué)研究流體的宏觀機械運動，它研究的是流體的宏觀特性，認(rèn)為流體是由空間上連續(xù)分布的流體質(zhì)點組成的連續(xù)介質(zhì)?！獨W拉，1755

連續(xù)介質(zhì)模型并不是對物質(zhì)的真實描述，而只是一個數(shù)學(xué)模型。這個模型為運用數(shù)學(xué)方法解決流體力學(xué)問題帶來方便，并且在此基礎(chǔ)上所得結(jié)果在絕大多數(shù)情況下也符合實際。

連續(xù)介質(zhì)模型不成立的例子：稀薄氣體中航天器的飛行問題，微尺度流動問題。

1.1.3流體力學(xué)的研究方法

2022/11/1111 1、理論分析法 2、實驗研究法（原型實驗與模型試驗） 3、數(shù)值計算法

三種研究方法的關(guān)系：各有長短，可相互補充?；炯僭O(shè)

數(shù)學(xué)模型

解析表達(dá)

理論分析數(shù)值計算

實驗研究

數(shù)學(xué)模型

數(shù)值模型

數(shù)值解

模型試驗

量測數(shù)據(jù)

12

理論分析：

將普遍規(guī)律、公理，如：牛頓定律能量守恒原理、力系的平衡定律、動能定律動量定律等用于液體分析中，建立液體微分方程、積分方程，優(yōu)化方程，結(jié)合邊界條件、限定條件求解。13

數(shù)值計算：

利用計算機技術(shù)，數(shù)值求解描述液體運動的微分方程、積分方程等，得到問題的數(shù)值解。

14例如，水力學(xué)試驗研究

試驗研究：

對有關(guān)問題進(jìn)行物理模型實驗試驗其成果是檢驗水力學(xué)理論的唯一標(biāo)準(zhǔn)

1.1.4

流體力學(xué)與土木工程2022/11/1115流體力學(xué)的應(yīng)用——不勝枚舉

（1）在土建工程中的應(yīng)用。如路基排水、地下水滲透等。

（2）在市政工程中的應(yīng)用。如橋涵孔徑設(shè)計、給水排水系統(tǒng)、隧

洞通風(fēng)、排水等。

（3）城市防洪工程中的應(yīng)用。如堤、壩的作用力與滲流問題、防

洪閘壩的過流能力等。

（4）其它應(yīng)用：氣象，航空，動力工程，生物醫(yī)學(xué)，體育等等。市政

LondonSewer交通

Culverts巖土工程GroundwaterandSeepage結(jié)構(gòu)

SnowLoad結(jié)構(gòu)WindLoad1.2作用在流體上的力2022/11/1121

流體發(fā)生機械運動的內(nèi)因是流體的物理力學(xué)性質(zhì)，而其外因是流體所受外力。

在工程流體力學(xué)中，為了分析方便，一般可將作用在流體上的力分為以下兩大類：質(zhì)量力表面力2022/11/1122定義——作用在流體表面上，與作用面面積成正比的力。

分類法向力切向力與作用面正交的力“FP

”與作用面平行的力“FS

”1.2.1表面力2022/11/1123表示方法通常用應(yīng)力來表示。

切向力法向力FPFS

設(shè)作用在面積為A

的流體上的表面力分別是：AFSFP2022/11/1124則其應(yīng)力分別是：（1）法向平均應(yīng)力：該點壓應(yīng)力：（2）切向平均應(yīng)力：該點切應(yīng)力：2022/11/1125分類定義1.2.2質(zhì)量力重力慣性力——作用在每個流體質(zhì)點上，與流體

的質(zhì)量成正比的力。地球?qū)α黧w質(zhì)點的引力“Mg”流體作變速運動時，因慣性使流體質(zhì)點所受的力?！?Ma”2022/11/1126表示方法：通常用單位質(zhì)量力來表示。單位質(zhì)量力——作用在單位質(zhì)量流體上的質(zhì)量力。（1）單位質(zhì)量力的表示方法：

假設(shè)流體的質(zhì)量為

M，所受質(zhì)量力為

F，力在直角坐標(biāo)軸上的分量分別為：Fx、

Fy、

Fz則有：fz=Fz/Mfx=Fx/Mfy=Fy/M2022/11/1127（2）當(dāng)流體處于絕對靜止時：gyzxofx=0fy=0fz=-g有：1.3流體的主要物理性質(zhì)2022/11/1128 1、慣性

2、粘性 3、可壓縮性和熱膨脹性1.3.1慣性2022/11/1129xzyoAV（1）密度（Density）：是指單位體積流體的質(zhì)量。

水(4?C）的密度常用值：=1000kg/m3；=9800N/m3；均質(zhì)流體內(nèi)部各點處的密度均相等：（2）容重（SpecificWeight）：指單位體積流體的重量。

均質(zhì)流體內(nèi)部各點處的容重均相等：=G/V

空氣(20?C)的密度常用值：=1.205kg/m3

；=11.82N/m3。（3）容重與密度的關(guān)系：=g單位：kg/m3單位：N/m3。1.3.2流體的粘滯性2022/11/1130

(1)粘滯性的概念運動流體具有抵抗剪切變形的能力，這就是粘滯性。值得強

調(diào)的是，這種抵抗體現(xiàn)在剪切變形的快慢上。

在剪切變形中，流體內(nèi)部出現(xiàn)成對的切應(yīng)力τ，稱為內(nèi)摩擦

力，來抵抗相鄰兩層流體之間的相對運動。

因：

液體質(zhì)點（液層）間存在相對運動（快慢）

果：質(zhì)點間（液層）間存在內(nèi)摩擦力

（1）方向：與該液層相對運動速度方向相反（2）大小：由牛頓內(nèi)摩擦定律決定2022/11/1132內(nèi)摩擦力（粘滯力）——流體的質(zhì)點與質(zhì)點之間、層與層之間發(fā)生相對運動時，在其交界面上會出現(xiàn)一對大小相等、方向相反的力來阻止相對運動的發(fā)生，流體的這種性質(zhì)稱為流體的粘性，所產(chǎn)生的這對力稱為內(nèi)摩擦力，也稱粘滯力。

（2）牛頓內(nèi)摩擦定律

2022/11/1133

1）牛頓平板實驗（1687年）FA

設(shè)板間的y向流速呈直線分布，

即：則

ab

cddyxoyYyuduu+duUF牛頓平板實驗簡圖dyxoyyduu+duUF平板間速度分布圖2022/11/1134dcd'c'udtaba'b'd(u+du)dt由圖可得： 2）流速梯度表示液體微團(tuán)的剪切變形速率2022/11/1135

實驗表明，對于大多數(shù)流體滿足：切應(yīng)力分布圖切應(yīng)力分布

流體層間的內(nèi)摩擦力：

①與速度梯度成正比；②與接觸面積成正比；

③與流體性質(zhì)有關(guān)；④與接觸面上的壓力無關(guān)。引入動力粘性系數(shù)，得： 3）牛頓內(nèi)摩擦定律液體運動時，相鄰液層間所產(chǎn)生的切應(yīng)力與剪切變形的速率（或流體微團(tuán)的角變形率）成正比。

（3）粘性系數(shù)

2022/11/11361）流體的粘滯性：是流動流體分子間的內(nèi)聚力和動量交換共同作用的結(jié)果。注意：當(dāng)溫度升高時，液體的粘度減小，氣體的粘度增加。流體的動力粘性系數(shù)與壓強無關(guān)。2）動力粘性系數(shù)：反映流體粘滯性大小的系數(shù)。

單位：Pa?s

=kg/（m?s)；

泊司（Poise）=1g/(cm?s)=0.1Pa?s。單位：(m2/s)；斯托克斯（stokes）=1cm2/s。3）運動粘性系數(shù)：2022/11/1137

（5）流體粘性應(yīng)用分析

三種問題：

1）確定流體的粘性系數(shù)；

2）計算摩擦阻力；

3）確定速度分布。

（4）理想流體——假設(shè)流體的粘性μ

=

0。2022/11/1138Uh1h212A例1：試?yán)L制平板間液體的流速分布圖與切應(yīng)力分布圖。設(shè)平板間的液體流動為層，且流速按直線分布。解：設(shè)液層分界面上的流速為u，則：在液層分界面上：流速分布：上層：上層：切應(yīng)力分布uU討論：1大還是2大？如果是理想流體，和如何？Uh1h2y下層：下層：2022/11/1139

流體的可壓縮性（Compressibility）：流體受壓增加時，其宏觀體積縮小、密度增大的性質(zhì)，這種性質(zhì)稱為壓縮性。

流體的膨脹性（Dilatability):流體溫度升高，宏觀體積

增大，這種性質(zhì)稱為膨脹性。

不可壓縮流體：當(dāng)流動過程中流體的密度變化很小，可以忽略不計，從而使研究問題得以簡化。

運動過程中ρ=常數(shù)的流體稱為不可壓縮流體。3、流體的壓縮性和膨脹性（1）液體的體積壓縮系數(shù)k與體積彈性模量K2022/11/1140

1）體積壓縮系數(shù)κ（CoefficientofVolumeCompressibility）：在溫度一定的條件下，流體體積的相對縮小值與壓強增值之比，即當(dāng)壓強增大一個單位值時，流體體積的 相對縮小量：

單位：m2/N

水的壓縮系數(shù)（4?C）：κ=4.9×10-10

（m2/N)

2)體積彈性模量K（BulkModulusofElasticity）：是指體積壓縮系數(shù)的倒數(shù)。單位：N/m2=Pa水的體積彈性模量一般?。篍=2.1×109

（N/m2)（水在10?C的值），k

與K隨溫度和壓強而變化，但變化甚微。3）體積膨脹系數(shù)α(CoefficientofVolumeDilatability)2022/11/1141

流體的膨脹性用體積膨脹系數(shù)