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(yùn)動(dòng)學(xué)

第四章流體動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)

第六章流動(dòng)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(dòng)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(duì)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(gè)分支，流體力學(xué)是研究流體靜止或運(yùn)動(dòng)的力學(xué)規(guī)律及其在工程技術(shù)中的應(yīng)用。有無(wú)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(wú)否易液體有能不易呈現(xiàn)流動(dòng)性？

流體固體

流體最主要的物理特性力學(xué)模型質(zhì)點(diǎn)

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(shí)不能抵抗剪切力。（流動(dòng)性）

1.流體在外力作用下，靜止與運(yùn)動(dòng)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?jī)?nèi)容

固定邊界：水工建筑物、河床、海洋平臺(tái)等

運(yùn)動(dòng)邊界：飛機(jī)、船只等

1.1.2連續(xù)介質(zhì)假設(shè)

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

相對(duì)于一般問(wèn)題中的宏觀特征尺寸小到可以被看成一個(gè)點(diǎn)但是仍含有足夠多個(gè)流體分子。

個(gè)分子

1mm3空氣(1個(gè)大氣壓，00C)流體的組成：由大量不斷運(yùn)動(dòng)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(diǎn)連續(xù)組成，占滿空間而沒(méi)有間隙，其物理特性和運(yùn)動(dòng)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(lái)描述流體中的物理參數(shù)。

流體力學(xué)研究流體的宏觀機(jī)械運(yùn)動(dòng)，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(diǎn)組成的連續(xù)介質(zhì)?！?dú)W拉，1755

連續(xù)介質(zhì)模型并不是對(duì)物質(zhì)的真實(shí)描述，而只是一個(gè)數(shù)學(xué)模型。這個(gè)模型為運(yùn)用數(shù)學(xué)方法解決流體力學(xué)問(wèn)題帶來(lái)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(shí)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(wèn)題，微尺度流動(dòng)問(wèn)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(shí)驗(yàn)研究法（原型實(shí)驗(yàn)與模型試驗(yàn)） 3、數(shù)值計(jì)算法

三種研究方法的關(guān)系：各有長(zhǎng)短，可相互補(bǔ)充?；炯僭O(shè)

數(shù)學(xué)模型

解析表達(dá)

理論分析數(shù)值計(jì)算

實(shí)驗(yàn)研究

數(shù)學(xué)模型

數(shù)值模型

數(shù)值解

模型試驗(yàn)

量測(cè)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(dòng)能定律動(dòng)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(jì)算：

利用計(jì)算機(jī)技術(shù)，數(shù)值求解描述液體運(yùn)動(dòng)的微分方程、積分方程等，得到問(wèn)題的數(shù)值解。

14例如，水力學(xué)試驗(yàn)研究

試驗(yàn)研究：

對(duì)有關(guān)問(wèn)題進(jìn)行物理模型實(shí)驗(yàn)試驗(yàn)其成果是檢驗(yàn)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(jì)、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(wèn)題、防

洪閘壩的過(guò)流能力等。

（4）其它應(yīng)用：氣象，航空，動(dòng)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(jī)械運(yùn)動(dòng)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(lái)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(diǎn)壓應(yīng)力：（2）切向平均應(yīng)力：該點(diǎn)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(gè)流體質(zhì)點(diǎn)上，與流體

的質(zhì)量成正比的力。地球?qū)α黧w質(zhì)點(diǎn)的引力“Mg”流體作變速運(yùn)動(dòng)時(shí)，因慣性使流體質(zhì)點(diǎn)所受的力?！?Ma”2022/11/1126表示方法：通常用單位質(zhì)量力來(lái)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(duì)靜止時(shí)：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(diǎn)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(diǎn)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(yùn)動(dòng)流體具有抵抗剪切變形的能力，這就是粘滯性。值得強(qiáng)

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(duì)的切應(yīng)力τ，稱為內(nèi)摩擦

力，來(lái)抵抗相鄰兩層流體之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。

因：

液體質(zhì)點(diǎn)（液層）間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)（快慢）

果：質(zhì)點(diǎn)間（液層）間存在內(nèi)摩擦力

（1）方向：與該液層相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度方向相反（2）大?。河膳ｎD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(diǎn)與質(zhì)點(diǎn)之間、層與層之間發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，在其交界面上會(huì)出現(xiàn)一對(duì)大小相等、方向相反的力來(lái)阻止相對(duì)運(yùn)動(dòng)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(duì)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(shí)驗(yàn)（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(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)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(shí)驗(yàn)表明，對(duì)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(wú)關(guān)。引入動(dòng)力粘性系數(shù)，得： 3）牛頓內(nèi)摩擦定律液體運(yùn)動(dòng)時(shí)，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(dòng)流體分子間的內(nèi)聚力和動(dòng)量交換共同作用的結(jié)果。注意：當(dāng)溫度升高時(shí)，液體的粘度減小，氣體的粘度增加。流體的動(dòng)力粘性系數(shù)與壓強(qiáng)無(wú)關(guān)。2）動(dòng)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(yùn)動(dòng)粘性系數(shù)：2022/11/1137

（5）流體粘性應(yīng)用分析

三種問(wèn)題：

1）確定流體的粘性系數(shù)；

2）計(jì)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(dòng)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(shí)，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(dòng)過(guò)程中流體的密度變化很小，可以忽略不計(jì)，從而使研究問(wèn)題得以簡(jiǎn)化。

運(yùn)動(dòng)過(guò)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(duì)縮小值與壓強(qiáng)增值之比，即當(dāng)壓強(qiáng)增大一個(gè)單位值時(shí)，流體體積的 相對(duì)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(qiáng)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)