流體力學(xué)-流體力學(xué)和物體運動-課件

《流體力學(xué)與流體機械》課件

《流體力學(xué)與流體機械》課件1流體力學(xué)與流體力學(xué)2雖然生活在流體環(huán)境中，人們對一些流體運動卻缺乏認識，比如：1.高爾夫球：表面光滑還是粗糙？2.汽車阻力：來自前部還是后部？3.機翼升力：來自下部還是上部？雖然生活在流體環(huán)境中，人們對一些流體運動卻缺乏認識，比如：13高爾夫球運動起源于15世紀的蘇格蘭。高爾夫球運動起源于15世紀的蘇格蘭。4最早的高爾夫球（皮革已龜裂）起初，人們認為表面光滑的球飛行阻力小，因此當(dāng)時用皮革制球。最早的高爾夫球（皮革已龜裂）5后來發(fā)現(xiàn)表面有很多劃痕的舊球反而飛得更遠。這個謎直到20世紀建立流體力學(xué)邊界層理論后才解開。后來發(fā)現(xiàn)表面有很多劃痕的舊球反而飛得更遠。6光滑的球和非光滑球?qū)Ρ痊F(xiàn)在的高爾夫球表面有許多窩，在同樣大小和重量下，飛行距離為光滑球的5倍。光滑的球和非光滑球?qū)Ρ痊F(xiàn)在的高爾夫球表面有許多窩，在同樣大小7汽車阻力汽車發(fā)明于19世紀末。汽車阻力汽車發(fā)明于19世紀末。8當(dāng)時人們認為汽車高速前進時的阻力主要來自車前部對空氣的撞擊。當(dāng)時人們認為汽車高速前進時的阻力主要來自車前部對空氣的撞擊。9因此早期的汽車后部是陡峭的，稱為箱型車，阻力系數(shù)CD很大，約0.8因此早期的汽車后部是陡峭的，稱為箱型車，阻力系數(shù)CD很大，約10實際上，汽車阻力主要取決于后部形成的尾流。實際上，汽車阻力主要取決于后部形成的尾流。1120世紀30年代起，人們開始運用流體力學(xué)原理，改進了汽車的尾部形狀，出現(xiàn)了甲殼蟲型，阻力系數(shù)下降至0.6。

20世紀30年代起，人們開始運用流體力學(xué)原理，改進了汽車的尾1250～60年代又改進為船型，阻力系數(shù)為0.45。50～60年代又改進為船型，阻力系數(shù)為0.45。1380年代經(jīng)風(fēng)洞實驗系統(tǒng)研究后，進一步改進為魚型，阻力系數(shù)為0.3。80年代經(jīng)風(fēng)洞實驗系統(tǒng)研究后，進一步改進為魚型，阻力系數(shù)為014后來又出現(xiàn)楔型，阻力系數(shù)為0.2。后來又出現(xiàn)楔型，阻力系數(shù)為0.2。1590年代以后，科研人員研制開發(fā)了氣動性能更優(yōu)良的未來型汽車，阻力系數(shù)僅為0.137。90年代以后，科研人員研制開發(fā)了氣動性能更優(yōu)良的未來型汽車，16目前在汽車外形設(shè)計中，流體力學(xué)性能研究已占主導(dǎo)地位，合理的外形使汽車具有更好的動力學(xué)性能和更低的耗油率。

目前在汽車外形設(shè)計中，流體力學(xué)性能研究已占主導(dǎo)地位，合理的外17機翼升力人們的直觀印象是空氣從下面沖擊著鳥的翅膀，把鳥托在空中。

機翼升力人們的直觀印象是空氣從下面沖擊著鳥的翅膀，1819世紀初流體力學(xué)環(huán)流理論徹底改變了人們的傳統(tǒng)觀念。脫體渦量與機翼環(huán)量大小相等方向相反

19世紀初流體力學(xué)環(huán)流理論徹底改變了人們的傳統(tǒng)觀念。脫體渦19機翼的特殊形狀使它不用旋轉(zhuǎn)就能產(chǎn)生環(huán)流，上部流速加快形成吸力，下部流速減慢形成壓力。機翼的特殊形狀使它不用旋轉(zhuǎn)就能產(chǎn)生環(huán)流，上部流速加快形成吸力20測量和計算表明上部吸力的貢獻比下部要大。

NACA2412翼型在7.4度攻角時的壓強分布

測量和計算表明上部吸力的貢獻比下部要大。NACA2412翼21總之，沒有流體力學(xué)的發(fā)展，現(xiàn)代工業(yè)和高新技術(shù)的發(fā)展是不可能的。

流體力學(xué)在推動社會發(fā)展方面做出過很大貢獻，今后仍將在科學(xué)與技術(shù)各個領(lǐng)域發(fā)揮更大的作用?？傊?，沒有流體力學(xué)的發(fā)展，現(xiàn)代工業(yè)和高新技術(shù)22

第一章緒論第一節(jié)流體力學(xué)的概念與發(fā)展簡史第二節(jié)流體的概念及連續(xù)介質(zhì)假設(shè)第三節(jié)流體的主要物理性質(zhì)第四節(jié)流體的分類第一章緒論第一節(jié)流體力學(xué)的概念與發(fā)展簡史第二節(jié)23第一節(jié)流體力學(xué)的概念與發(fā)展簡史一、流體力學(xué)的概念

流體力學(xué)是力學(xué)的一個獨立分支，是一門研究流體的平衡和流體機械運動規(guī)律及其實際應(yīng)用的技術(shù)科學(xué)。第一節(jié)流體力學(xué)的概念與發(fā)展簡史一、流體力學(xué)的概念24流體力學(xué)所研究的基本規(guī)律，有兩大組成部分：２.流體動力學(xué)：它研究流體在運動狀態(tài)時，作用于流體上的力與運動要素之間的關(guān)系，以及流體的運動特征與能量轉(zhuǎn)換等，這一部分稱為流體動力學(xué)。

１.流體靜力學(xué)：它研究流體處于靜止（或相對平衡）狀態(tài)時，作用于流體上的各種力之間的關(guān)系。流體力學(xué)所研究的基本規(guī)律，有兩大組成部分：２.流體動力學(xué)25

流體力學(xué)在研究流體平衡和機械運動規(guī)律時，要應(yīng)用物理學(xué)及理論力學(xué)中有關(guān)物理平衡及運動規(guī)律的原理，如力系平衡定理、動量定理、動能定理等等。因為流體在平衡或運動狀態(tài)下，也同樣遵循這些普遍的原理。所以物理學(xué)和理論力學(xué)的知識是學(xué)習(xí)流體力學(xué)課程必要的基礎(chǔ)。流體力學(xué)在研究流體平衡和機械運動規(guī)律時，要應(yīng)用物理學(xué)26目前，根據(jù)流體力學(xué)在各個工程領(lǐng)域的應(yīng)用，流體力學(xué)可分為以下四類：水利類流體力學(xué)：面向水工、水動、海洋等；

機械類流體力學(xué)：面向機械、冶金、化工、水機等；

土木類流體力學(xué)：面向市政、工民建、道橋、城市防洪等。

大氣類流體力學(xué)：飛機、飛行器外行的設(shè)計，天氣預(yù)報，環(huán)境污染預(yù)報等。目前，根據(jù)流體力學(xué)在各個工程領(lǐng)域的應(yīng)用，流體力學(xué)可分為以27二、流體力學(xué)的發(fā)展歷史

流體力學(xué)的萌芽，是自距今約2200年以前，西西里島的希臘學(xué)者阿基米德寫的“論浮體”一文開始的。他對靜止時的液體力學(xué)性質(zhì)作了第一次科學(xué)總結(jié)。

流體力學(xué)的主要發(fā)展是從牛頓時代開始的，1687年牛頓在名著《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》中討論了流體的阻力、波浪運動，等內(nèi)容，使流體力學(xué)開始成為力學(xué)中的一個獨立分支。二、流體力學(xué)的發(fā)展歷史流體力學(xué)的萌芽，是自距今約22028此后，流體力學(xué)的發(fā)展主要經(jīng)歷了三個階段：

１.伯努利所提出的液體運動的能量估計及歐拉所提出的液體運動的解析方法，為研究液體運動的規(guī)律奠定了理論基礎(chǔ)，從而在此基礎(chǔ)上形成了一門屬于數(shù)學(xué)的古典“水動力學(xué)”（或古典“流體力學(xué)”）。

此后，流體力學(xué)的發(fā)展主要經(jīng)歷了三個階段：１.伯努利所提出的292.在古典“水動力學(xué)”的基礎(chǔ)上納維和斯托克斯提出了著名的實際粘性流體的基本運動方程——納維-斯托克思方程(N-S方程)。從而為流體力學(xué)的長遠發(fā)展奠定了理論基礎(chǔ)。但由于其所用數(shù)學(xué)的復(fù)雜性和理想流體模型的局限性，不能滿意地解決工程問題，故形成了以實驗方法來制定經(jīng)驗公式的“實驗流體力學(xué)”。但由于有些經(jīng)驗公式缺乏理論基礎(chǔ)，使其應(yīng)用范圍狹窄，且無法繼續(xù)發(fā)展。2.在古典“水動力學(xué)”的基礎(chǔ)上納維和斯托克斯提出了著名303.從19世紀末起，人們將理論分析方法和實驗分析方法相結(jié)合，以解決實際問題，同時古典流體力學(xué)和實驗流體力學(xué)的內(nèi)容也不斷更新變化，如提出了相似理論和量綱分析，邊界層理論和紊流理論等，在此基礎(chǔ)上，最終形成了理論與實踐并重的研究實際流體模型的現(xiàn)代流體力學(xué)。在20世紀60年代以后，由于計算機的發(fā)展與普及，流體力學(xué)的應(yīng)用更是日益廣泛。其他重要的科學(xué)家：李冰達芬奇其他重要的科學(xué)家：李冰達芬奇31第二節(jié)流體的概念及連續(xù)介質(zhì)假設(shè)在地球上，物質(zhì)存在的主要形態(tài)有：固體、流體。其中流體包括液體和氣體，相對于固體，它在力學(xué)上表現(xiàn)出以下特點：從力學(xué)分析的意義上看，在于它們對外力抵抗的能力不同。一.流體的概念

固體

液體第二節(jié)流體的概念及連續(xù)介質(zhì)假設(shè)在地球上，物質(zhì)存在的主要形32固體：既能承受壓力，也能承受拉力，抵抗拉伸變形。流體：只能承受壓力，一般不能承受拉力，抵抗拉伸變形。液體和氣體的共同點：兩者均具有易流動性，即在任何微小切應(yīng)力作用下都會發(fā)生變形或流動，故二者統(tǒng)稱為流體。固體：既能承受壓力，也能承受拉力，抵抗拉伸變形。液體和氣體的33二、連續(xù)介質(zhì)假設(shè)１.連續(xù)介質(zhì)假設(shè)的提出宏觀：考慮宏觀特性，在流動空間和時間上所采用的一切特征尺度和特征時間都比分子距離和分子碰撞時間大的多。微觀：流體是由大量做無規(guī)則運動的分子組成的，分子之間存在空隙，但在標(biāo)準(zhǔn)狀況下，1cm3液體中含有3×10(22)個左右的分子，相鄰分子間的距離約為3.1×10(-8)cm。1cm3氣體中含有2.7×10(19)個左右的分子，相鄰分子間的距離約為3.2×10(-7)cm二、連續(xù)介質(zhì)假設(shè)１.連續(xù)介質(zhì)假設(shè)的提出宏觀：考慮宏觀特性，在34

流體質(zhì)點：也稱流體微團，是指尺度大小同一切流動空間相比微不足道又含有大量分子，具有一定質(zhì)量的流體微元。

連續(xù)介質(zhì)假設(shè)：把流體視為沒有間隙地充滿它所占據(jù)的整個空間的一種連續(xù)介質(zhì)，且其所有的物理量都是空間坐標(biāo)和時間的連續(xù)函數(shù)的一種假設(shè)模型：u=u(t,x,y,z)。

流體質(zhì)點：也稱流體微團，是指尺度大小同一切流動空間相比微352.連續(xù)介質(zhì)假設(shè)的意義排除了分子運動的復(fù)雜性。練習(xí)題

表征流體性質(zhì)和運動特性的物理量和力學(xué)量為時間和空間的連續(xù)函數(shù)，可用數(shù)學(xué)中連續(xù)函數(shù)這一有力手段來分析和解決流體力學(xué)問題。2.連續(xù)介質(zhì)假設(shè)的意義排除了分子運動的復(fù)雜性。練習(xí)題

36問題：按連續(xù)介質(zhì)的概念，流體質(zhì)點是指:

A、流體的分子；

B、流體內(nèi)的固體顆粒；C、幾何的點；D、幾何尺寸同流動空間相比是極小量,又含有大量分子的微元體。答案：D關(guān)閉窗口問題：按連續(xù)介質(zhì)的概念，流體質(zhì)點是指:A、流體的分子；

37第三節(jié)流體的主要物理性質(zhì)一、密度、容重、比重和比容xzyoVA１.密度：當(dāng)V趨于無限小時：注意：密度是坐標(biāo)點(x,y,z)和時間t的函數(shù)，即

=(x,y,z,t)。第三節(jié)流體的主要物理性質(zhì)一、密度、容重、比重和比容xzy382、容重（重度）容重：指單位體積流體的重量。單位：N/m3。

均質(zhì)流體內(nèi)部各點處的容重均相等：

=G/V=g

水的容重常用值：=9800N/m32、容重（重度）容重：指單位體積流體的重量。單位：N/m3393、氣體的比容比容：指單位氣體質(zhì)量所具有的體積。

=1/（m3/kg）氣體的比容或密度，與氣體的工況或過程是密切相關(guān)的，是由狀態(tài)方程確定，完全氣體狀態(tài)方程

P=P/=RT

R為氣體常數(shù)，空氣的R=287N·m/kg·k

3、氣體的比容比容：指單位氣體質(zhì)量所具有的體積。氣體的比容或404、液體的比重比重：是指液體密度與標(biāo)準(zhǔn)純水的密度之比，沒有單位，是無量綱數(shù)。標(biāo)準(zhǔn)純水：a.物理學(xué)上——4℃水為標(biāo)準(zhǔn)，=1000kg

/

m3；b.工程上——20℃的蒸餾水為標(biāo)準(zhǔn)，=1000kg

/

m3；4、液體的比重比重：是指液體密度與標(biāo)準(zhǔn)純水的密度之比，沒有單41二、流體的粘性1.粘性的定義：流體內(nèi)部質(zhì)點之間或流層間因相對運動而產(chǎn)生內(nèi)摩擦力（切力）以反抗相對運動的性質(zhì)。2.粘性產(chǎn)生的原因1）分子不規(guī)則運動的動量交換形成的阻力2）分子間吸引力形成的阻力不同的流體分子之間的內(nèi)聚力和分子不規(guī)則熱運動的動量交換程度不同。流體表現(xiàn)出的粘性的大小是不相同的。二、流體的粘性1.粘性的定義：流體內(nèi)部質(zhì)點之間或流層間因相對423.粘性的量度（1）粘度的定義

流體的粘度：粘性大小由粘度來量度。流體的粘度是由流動流體的內(nèi)聚力和分子的動量交換所引起的。

3.粘性的量度（1）粘度的定義流體的粘度：粘性大小由粘度43（2）分類

動力粘度：又稱絕對粘度、動力粘性系數(shù)、粘度，是反映流體粘滯性大小的系數(shù)。單位：N?s/m2。

運動粘度ν：又稱相對粘度、運動粘性系數(shù)。(m2/s)

（2）分類動力粘度：又稱絕對粘度、動力粘性系數(shù)、44

（3）粘度的影響因素

動力粘度：的數(shù)值隨流體種類不同而不同，并隨壓強、溫度變化而變化。1）流體種類：一般在相同條件下，液體的粘度大于氣體的粘度。

2）壓強：對常見的流體，如水、氣體等，m值隨壓強的變化不大，一般可忽略不計。

3）溫度：是影響粘度的主要因素。當(dāng)溫度升高時，液體的粘度減小，氣體的粘度增加。

（3）粘度的影響因素動力粘度：的數(shù)值隨流體種類45a.液體：內(nèi)聚力是產(chǎn)生粘度的主要因素，當(dāng)溫度升高，分子間距離增大，吸引力減小，因而使剪切變形速度所產(chǎn)生的切應(yīng)力減小，所以m值減小。b.氣體：氣體分子間距離大，內(nèi)聚力很小，所以粘度主要是由氣體分子運動動量交換的結(jié)果所引起的。溫度升高，分子運動加快，動量交換頻繁，所以m值增加。練習(xí)一下a.液體：內(nèi)聚力是產(chǎn)生粘度的主要因素，當(dāng)溫度升高，分子間距離46問題：下面關(guān)于流體粘性的說法中，不正確的是:

A、粘性是流體的固有屬性；

B、粘性是運動狀態(tài)下，流體有抵抗剪切變形速率能力的量度；C、流體的粘性具有傳遞運動和阻滯運動的雙重性；D、流體的粘度隨溫度的升高而增大。

答案：D關(guān)閉窗口問題：下面關(guān)于流體粘性的說法中，不正確的是:A、粘性是流體474.粘性力（內(nèi)摩擦力）

由流體的粘性作用而產(chǎn)生的阻滯其流動的作用力，就稱為粘性力（內(nèi)摩擦力）。流體與不同相的表面接觸時，粘性表現(xiàn)為流體分子對表面的附著作用。對于運動的流體，當(dāng)流體質(zhì)點間存在相對運動時，由于流體的粘性作用，在流體內(nèi)部流層之間會出現(xiàn)成對的切力，稱為內(nèi)摩擦力。4.粘性力（內(nèi)摩擦力）流體與不同相的表面接觸時，粘性表現(xiàn)為流485、牛頓內(nèi)摩擦定律17世紀牛頓通過牛頓平板實驗研究了流體的粘性。下圖即為牛頓平板實驗裝置，下板固定，上板可動，且平板面積有足夠大，可以忽略邊緣對流體的影響。5、牛頓內(nèi)摩擦定律17世紀牛頓通過牛頓平板實驗研究了流體的49圖中：h為兩平板間的距離，A為平板面積。若對上板施加力F，并使上板以速度保持勻速直線運動，則內(nèi)摩擦力T=F。通過牛頓平板實驗得出：

運動的流體所產(chǎn)生的內(nèi)摩擦力(即粘性力)的大小與與下列因素有關(guān)：接觸面的面積Ａ成正比；與流體的物理性質(zhì)（黏度）成正比；與兩平板間的距離h成反比；與流速U成正比；圖中：h為兩平板間的距離，A為平板面積。若對上板施加力F，并50

在計算時若知道流體運動的速度場就可以計算出速度剃度，當(dāng)h及U不太大時，板間沿法線方向的點流速可看成線性分布，即：所以，牛頓內(nèi)摩擦定律公式為：

式中T—流體層接觸面上的內(nèi)摩擦力(N)；A—流體層間的接觸面積(m2)；du/dy—垂直于流動方向上的速度梯度(1/s)；在計算時若知道流體運動的速度場就可以計算出速度剃度，當(dāng)h及51例題1：1.如圖，在兩塊相距20mm的平板間充滿動力粘度為0.065（N·s）/m2的油，如果以1m/s速度拉動距上平板5mm，面積為0.5m2的薄板（不計厚度）。求（1）需要的拉力F；（2）當(dāng)薄板距下平面多少時？F最小。查看答案例題1：1.如圖，在兩塊相距20mm的平板間充滿動力粘度為0521.解（1）

平板上側(cè)摩擦切應(yīng)力：平板下側(cè)摩擦切應(yīng)力：拉力：對方程兩邊求導(dǎo)，當(dāng)時，

此時F最小。（N/m2）（N/m2）（N）求得（2）1.解（1） 平板下側(cè)摩擦切53例2：一底面積為40×45cm2，高為1cm的木塊，質(zhì)量為5kg，沿著涂有潤滑油的斜面向下作等速運動,如圖所示，已知木塊運動速度u=1m/s，油層厚度d=1mm，由木塊所帶動的油層的運動速度呈直線分布，求油的粘度。查看答案例2：一底面積為40×45cm2，高為1cm的木塊，質(zhì)量為54解：∵等速

∴as=0

由牛頓定律：（呈直線分布）

∵q=tan-1(5/12)=22.62°

mgsinq－τ·A=0

∑Fs=mas=0

關(guān)閉窗口解：∵等速

∴as=0由牛頓定律：（呈直線分布）55三.壓縮性和膨脹性1.流體的壓縮性（2）體積壓縮系數(shù)體積壓縮系數(shù)：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，流體體積的相對減小值：（m2/N

）（∵質(zhì)量m不變，dm=d(v)=dv+vd=0，∴）（1）定義：流體的可壓縮性：作用在流體上的壓力變化可引起流體的體積變化或密度變化，這一現(xiàn)象稱為流體的可壓縮性。壓縮性可用體積壓縮系數(shù)來量度。三.壓縮性和膨脹性1.流體的壓縮性（2）體積壓縮系數(shù)56（3）體積彈性模量Ｋ流體的壓縮性在工程上往往用體積彈性模量來表示。體積彈性模量Ｋ是體積壓縮系數(shù)的倒數(shù)。即：（N/m2）與Ｋ隨溫度和壓強而變化，但變化甚微。（3）體積彈性模量Ｋ流體的壓縮性在工程上往往用體積彈性模量來572.流體的膨脹性在一定的壓力下，流體的體積隨溫度升高而增大的性質(zhì)稱為流體的膨脹性。流體膨脹性的大小用體積膨脹系數(shù)βΤ來表示，它表示當(dāng)壓力保持不變時，溫度升高1K所引起的流體體積的相對增加量。即2.流體的膨脹性在一定的壓力下，流體的體積隨溫度升高而增大的58說明：a.Ev越大，越不易被壓縮，當(dāng)Ev時，表示該流體絕對不可壓縮。b.流體的種類不同，其和Ev值不同。c.同一種流體的和Ev值隨溫度、壓強的變化而變化。d.在一定溫度和中等壓強下，水的體積彈性模量變化不大。說明：59四.表面張力1.內(nèi)聚力、附著力內(nèi)聚力：是分子間的相互吸引力。附著力：是指兩種不同物質(zhì)接觸部分的相互吸引力。2.表面張力：液體表面由于分子引力不均衡而產(chǎn)生的沿表面作用于任一界線上的張力。3.表面張力系數(shù)：是指自由液面上單位長度所受到的表面張力。單位為N/m。四.表面張力1.內(nèi)聚力、附著力內(nèi)聚力：是分子間的相互吸引力。604.毛細現(xiàn)象毛細現(xiàn)象：是指含有細微縫隙的物體與液體接觸時，在浸潤情況下液體沿縫隙上升或滲入、在不浸潤情況下液體沿縫隙下降的現(xiàn)象。rh水4.毛細現(xiàn)象毛細現(xiàn)象：是指含有細微縫隙的物體與液體接觸時，在61第四節(jié)流體的分類一.可壓縮流體和不可壓縮流體二.粘性流體和理想流體三.牛頓流體和非牛頓流體第四節(jié)流體的分類一.可壓縮流體和不可壓縮流體二.粘性流體和62一.可壓縮流體和不可壓縮流體壓力和溫度的變化都會引起流體密度的變化。任何流體，不論是氣體還是液體都是可以壓縮的，只是可壓縮程度不同而已。就是說，流體的壓縮性是流體的基本屬性。通常把液體看成是不可壓縮流體。通常把氣體看成是可壓縮流體在實際工程中，要不要考慮流體的壓縮性，要視具體情況而定。一.可壓縮流體和不可壓縮流體壓力和溫度的變化都會引起流體密度63二.粘性流體和理想流體

1.粘性流體：自然界中的各種流體都是具有粘性的，統(tǒng)稱為粘性流體或稱實際流體。由于粘性的存在，實際流體的運動一般都很復(fù)雜，這給研究流體的運動規(guī)律帶來很多困難。為了使問題簡化，便于進行分析和研究，在流體力學(xué)中常引入理想流體的概念。二.粘性流體和理想流體1.粘性流體：自然界中的各種流體都是642.理想流體：是一種假想的、完全沒有粘性的流體。實際上這種流體是不存在的。根據(jù)理想流體的定義可知，當(dāng)理想流體運動時，不論流層間有無相對運動，其內(nèi)部都不會產(chǎn)生內(nèi)摩擦力，流層間也沒有熱量傳輸。這就給研究流體的運動規(guī)律等帶來很大的方便。因此，在研究實際流體的運動規(guī)律時，常先將其作為理想流體來處理。應(yīng)該指出，這里所說的理想流體和熱力學(xué)中的理想氣體的概念完全是兩回事。2.理想流體：是一種假想的、完全沒有粘性的流體。實際上這種流65三.牛頓流體和非牛頓流體1、牛頓流體：運動流體的內(nèi)摩擦切應(yīng)力與速度梯度間的關(guān)系符合于牛頓內(nèi)摩擦定律的流體，稱為牛頓流體。所有的氣體以及如水、甘油等這樣一些液體都是牛頓流體。2、非牛頓流體：實驗表明，象膠液、泥漿、紙漿、油漆、低溫下的原油等，它們的內(nèi)摩擦切應(yīng)力與速度梯度間的關(guān)系不符合于牛頓內(nèi)摩擦定律，這樣的流體稱為非牛頓流體。三.牛頓流體和非牛頓流體1、牛頓流體：運動流體的內(nèi)摩擦切應(yīng)力66《流體力學(xué)與流體機械》課件

《流體力學(xué)與流體機械》課件67流體力學(xué)與流體力學(xué)68雖然生活在流體環(huán)境中，人們對一些流體運動卻缺乏認識，比如：1.高爾夫球：表面光滑還是粗糙？2.汽車阻力：來自前部還是后部？3.機翼升力：來自下部還是上部？雖然生活在流體環(huán)境中，人們對一些流體運動卻缺乏認識，比如：169高爾夫球運動起源于15世紀的蘇格蘭。高爾夫球運動起源于15世紀的蘇格蘭。70最早的高爾夫球（皮革已龜裂）起初，人們認為表面光滑的球飛行阻力小，因此當(dāng)時用皮革制球。最早的高爾夫球（皮革已龜裂）71后來發(fā)現(xiàn)表面有很多劃痕的舊球反而飛得更遠。這個謎直到20世紀建立流體力學(xué)邊界層理論后才解開。后來發(fā)現(xiàn)表面有很多劃痕的舊球反而飛得更遠。72光滑的球和非光滑球?qū)Ρ痊F(xiàn)在的高爾夫球表面有許多窩，在同樣大小和重量下，飛行距離為光滑球的5倍。光滑的球和非光滑球?qū)Ρ痊F(xiàn)在的高爾夫球表面有許多窩，在同樣大小73汽車阻力汽車發(fā)明于19世紀末。汽車阻力汽車發(fā)明于19世紀末。74當(dāng)時人們認為汽車高速前進時的阻力主要來自車前部對空氣的撞擊。當(dāng)時人們認為汽車高速前進時的阻力主要來自車前部對空氣的撞擊。75因此早期的汽車后部是陡峭的，稱為箱型車，阻力系數(shù)CD很大，約0.8因此早期的汽車后部是陡峭的，稱為箱型車，阻力系數(shù)CD很大，約76實際上，汽車阻力主要取決于后部形成的尾流。實際上，汽車阻力主要取決于后部形成的尾流。7720世紀30年代起，人們開始運用流體力學(xué)原理，改進了汽車的尾部形狀，出現(xiàn)了甲殼蟲型，阻力系數(shù)下降至0.6。

20世紀30年代起，人們開始運用流體力學(xué)原理，改進了汽車的尾7850～60年代又改進為船型，阻力系數(shù)為0.45。50～60年代又改進為船型，阻力系數(shù)為0.45。7980年代經(jīng)風(fēng)洞實驗系統(tǒng)研究后，進一步改進為魚型，阻力系數(shù)為0.3。80年代經(jīng)風(fēng)洞實驗系統(tǒng)研究后，進一步改進為魚型，阻力系數(shù)為080后來又出現(xiàn)楔型，阻力系數(shù)為0.2。后來又出現(xiàn)楔型，阻力系數(shù)為0.2。8190年代以后，科研人員研制開發(fā)了氣動性能更優(yōu)良的未來型汽車，阻力系數(shù)僅為0.137。90年代以后，科研人員研制開發(fā)了氣動性能更優(yōu)良的未來型汽車，82目前在汽車外形設(shè)計中，流體力學(xué)性能研究已占主導(dǎo)地位，合理的外形使汽車具有更好的動力學(xué)性能和更低的耗油率。

目前在汽車外形設(shè)計中，流體力學(xué)性能研究已占主導(dǎo)地位，合理的外83機翼升力人們的直觀印象是空氣從下面沖擊著鳥的翅膀，把鳥托在空中。

機翼升力人們的直觀印象是空氣從下面沖擊著鳥的翅膀，8419世紀初流體力學(xué)環(huán)流理論徹底改變了人們的傳統(tǒng)觀念。脫體渦量與機翼環(huán)量大小相等方向相反

19世紀初流體力學(xué)環(huán)流理論徹底改變了人們的傳統(tǒng)觀念。脫體渦85機翼的特殊形狀使它不用旋轉(zhuǎn)就能產(chǎn)生環(huán)流，上部流速加快形成吸力，下部流速減慢形成壓力。機翼的特殊形狀使它不用旋轉(zhuǎn)就能產(chǎn)生環(huán)流，上部流速加快形成吸力86測量和計算表明上部吸力的貢獻比下部要大。

NACA2412翼型在7.4度攻角時的壓強分布

測量和計算表明上部吸力的貢獻比下部要大。NACA2412翼87總之，沒有流體力學(xué)的發(fā)展，現(xiàn)代工業(yè)和高新技術(shù)的發(fā)展是不可能的。

流體力學(xué)在推動社會發(fā)展方面做出過很大貢獻，今后仍將在科學(xué)與技術(shù)各個領(lǐng)域發(fā)揮更大的作用?？傊瑳]有流體力學(xué)的發(fā)展，現(xiàn)代工業(yè)和高新技術(shù)88

第一章緒論第一節(jié)流體力學(xué)的概念與發(fā)展簡史第二節(jié)流體的概念及連續(xù)介質(zhì)假設(shè)第三節(jié)流體的主要物理性質(zhì)第四節(jié)流體的分類第一章緒論第一節(jié)流體力學(xué)的概念與發(fā)展簡史第二節(jié)89第一節(jié)流體力學(xué)的概念與發(fā)展簡史一、流體力學(xué)的概念

流體力學(xué)是力學(xué)的一個獨立分支，是一門研究流體的平衡和流體機械運動規(guī)律及其實際應(yīng)用的技術(shù)科學(xué)。第一節(jié)流體力學(xué)的概念與發(fā)展簡史一、流體力學(xué)的概念90流體力學(xué)所研究的基本規(guī)律，有兩大組成部分：２.流體動力學(xué)：它研究流體在運動狀態(tài)時，作用于流體上的力與運動要素之間的關(guān)系，以及流體的運動特征與能量轉(zhuǎn)換等，這一部分稱為流體動力學(xué)。

１.流體靜力學(xué)：它研究流體處于靜止（或相對平衡）狀態(tài)時，作用于流體上的各種力之間的關(guān)系。流體力學(xué)所研究的基本規(guī)律，有兩大組成部分：２.流體動力學(xué)91

流體力學(xué)在研究流體平衡和機械運動規(guī)律時，要應(yīng)用物理學(xué)及理論力學(xué)中有關(guān)物理平衡及運動規(guī)律的原理，如力系平衡定理、動量定理、動能定理等等。因為流體在平衡或運動狀態(tài)下，也同樣遵循這些普遍的原理。所以物理學(xué)和理論力學(xué)的知識是學(xué)習(xí)流體力學(xué)課程必要的基礎(chǔ)。流體力學(xué)在研究流體平衡和機械運動規(guī)律時，要應(yīng)用物理學(xué)92目前，根據(jù)流體力學(xué)在各個工程領(lǐng)域的應(yīng)用，流體力學(xué)可分為以下四類：水利類流體力學(xué)：面向水工、水動、海洋等；

機械類流體力學(xué)：面向機械、冶金、化工、水機等；

土木類流體力學(xué)：面向市政、工民建、道橋、城市防洪等。

大氣類流體力學(xué)：飛機、飛行器外行的設(shè)計，天氣預(yù)報，環(huán)境污染預(yù)報等。目前，根據(jù)流體力學(xué)在各個工程領(lǐng)域的應(yīng)用，流體力學(xué)可分為以93二、流體力學(xué)的發(fā)展歷史

流體力學(xué)的萌芽，是自距今約2200年以前，西西里島的希臘學(xué)者阿基米德寫的“論浮體”一文開始的。他對靜止時的液體力學(xué)性質(zhì)作了第一次科學(xué)總結(jié)。

流體力學(xué)的主要發(fā)展是從牛頓時代開始的，1687年牛頓在名著《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》中討論了流體的阻力、波浪運動，等內(nèi)容，使流體力學(xué)開始成為力學(xué)中的一個獨立分支。二、流體力學(xué)的發(fā)展歷史流體力學(xué)的萌芽，是自距今約22094此后，流體力學(xué)的發(fā)展主要經(jīng)歷了三個階段：

１.伯努利所提出的液體運動的能量估計及歐拉所提出的液體運動的解析方法，為研究液體運動的規(guī)律奠定了理論基礎(chǔ)，從而在此基礎(chǔ)上形成了一門屬于數(shù)學(xué)的古典“水動力學(xué)”（或古典“流體力學(xué)”）。

此后，流體力學(xué)的發(fā)展主要經(jīng)歷了三個階段：１.伯努利所提出的952.在古典“水動力學(xué)”的基礎(chǔ)上納維和斯托克斯提出了著名的實際粘性流體的基本運動方程——納維-斯托克思方程(N-S方程)。從而為流體力學(xué)的長遠發(fā)展奠定了理論基礎(chǔ)。但由于其所用數(shù)學(xué)的復(fù)雜性和理想流體模型的局限性，不能滿意地解決工程問題，故形成了以實驗方法來制定經(jīng)驗公式的“實驗流體力學(xué)”。但由于有些經(jīng)驗公式缺乏理論基礎(chǔ)，使其應(yīng)用范圍狹窄，且無法繼續(xù)發(fā)展。2.在古典“水動力學(xué)”的基礎(chǔ)上納維和斯托克斯提出了著名963.從19世紀末起，人們將理論分析方法和實驗分析方法相結(jié)合，以解決實際問題，同時古典流體力學(xué)和實驗流體力學(xué)的內(nèi)容也不斷更新變化，如提出了相似理論和量綱分析，邊界層理論和紊流理論等，在此基礎(chǔ)上，最終形成了理論與實踐并重的研究實際流體模型的現(xiàn)代流體力學(xué)。在20世紀60年代以后，由于計算機的發(fā)展與普及，流體力學(xué)的應(yīng)用更是日益廣泛。其他重要的科學(xué)家：李冰達芬奇其他重要的科學(xué)家：李冰達芬奇97第二節(jié)流體的概念及連續(xù)介質(zhì)假設(shè)在地球上，物質(zhì)存在的主要形態(tài)有：固體、流體。其中流體包括液體和氣體，相對于固體，它在力學(xué)上表現(xiàn)出以下特點：從力學(xué)分析的意義上看，在于它們對外力抵抗的能力不同。一.流體的概念

固體

液體第二節(jié)流體的概念及連續(xù)介質(zhì)假設(shè)在地球上，物質(zhì)存在的主要形98固體：既能承受壓力，也能承受拉力，抵抗拉伸變形。流體：只能承受壓力，一般不能承受拉力，抵抗拉伸變形。液體和氣體的共同點：兩者均具有易流動性，即在任何微小切應(yīng)力作用下都會發(fā)生變形或流動，故二者統(tǒng)稱為流體。固體：既能承受壓力，也能承受拉力，抵抗拉伸變形。液體和氣體的99二、連續(xù)介質(zhì)假設(shè)１.連續(xù)介質(zhì)假設(shè)的提出宏觀：考慮宏觀特性，在流動空間和時間上所采用的一切特征尺度和特征時間都比分子距離和分子碰撞時間大的多。微觀：流體是由大量做無規(guī)則運動的分子組成的，分子之間存在空隙，但在標(biāo)準(zhǔn)狀況下，1cm3液體中含有3×10(22)個左右的分子，相鄰分子間的距離約為3.1×10(-8)cm。1cm3氣體中含有2.7×10(19)個左右的分子，相鄰分子間的距離約為3.2×10(-7)cm二、連續(xù)介質(zhì)假設(shè)１.連續(xù)介質(zhì)假設(shè)的提出宏觀：考慮宏觀特性，在100

流體質(zhì)點：也稱流體微團，是指尺度大小同一切流動空間相比微不足道又含有大量分子，具有一定質(zhì)量的流體微元。

連續(xù)介質(zhì)假設(shè)：把流體視為沒有間隙地充滿它所占據(jù)的整個空間的一種連續(xù)介質(zhì)，且其所有的物理量都是空間坐標(biāo)和時間的連續(xù)函數(shù)的一種假設(shè)模型：u=u(t,x,y,z)。

流體質(zhì)點：也稱流體微團，是指尺度大小同一切流動空間相比微1012.連續(xù)介質(zhì)假設(shè)的意義排除了分子運動的復(fù)雜性。練習(xí)題

表征流體性質(zhì)和運動特性的物理量和力學(xué)量為時間和空間的連續(xù)函數(shù)，可用數(shù)學(xué)中連續(xù)函數(shù)這一有力手段來分析和解決流體力學(xué)問題。2.連續(xù)介質(zhì)假設(shè)的意義排除了分子運動的復(fù)雜性。練習(xí)題

102問題：按連續(xù)介質(zhì)的概念，流體質(zhì)點是指:

A、流體的分子；

B、流體內(nèi)的固體顆粒；C、幾何的點；D、幾何尺寸同流動空間相比是極小量,又含有大量分子的微元體。答案：D關(guān)閉窗口問題：按連續(xù)介質(zhì)的概念，流體質(zhì)點是指:A、流體的分子；

103第三節(jié)流體的主要物理性質(zhì)一、密度、容重、比重和比容xzyoVA１.密度：當(dāng)V趨于無限小時：注意：密度是坐標(biāo)點(x,y,z)和時間t的函數(shù)，即

=(x,y,z,t)。第三節(jié)流體的主要物理性質(zhì)一、密度、容重、比重和比容xzy1042、容重（重度）容重：指單位體積流體的重量。單位：N/m3。

均質(zhì)流體內(nèi)部各點處的容重均相等：

=G/V=g

水的容重常用值：=9800N/m32、容重（重度）容重：指單位體積流體的重量。單位：N/m31053、氣體的比容比容：指單位氣體質(zhì)量所具有的體積。

=1/（m3/kg）氣體的比容或密度，與氣體的工況或過程是密切相關(guān)的，是由狀態(tài)方程確定，完全氣體狀態(tài)方程

P=P/=RT

R為氣體常數(shù)，空氣的R=287N·m/kg·k

3、氣體的比容比容：指單位氣體質(zhì)量所具有的體積。氣體的比容或1064、液體的比重比重：是指液體密度與標(biāo)準(zhǔn)純水的密度之比，沒有單位，是無量綱數(shù)。標(biāo)準(zhǔn)純水：a.物理學(xué)上——4℃水為標(biāo)準(zhǔn)，=1000kg

/

m3；b.工程上——20℃的蒸餾水為標(biāo)準(zhǔn)，=1000kg

/

m3；4、液體的比重比重：是指液體密度與標(biāo)準(zhǔn)純水的密度之比，沒有單107二、流體的粘性1.粘性的定義：流體內(nèi)部質(zhì)點之間或流層間因相對運動而產(chǎn)生內(nèi)摩擦力（切力）以反抗相對運動的性質(zhì)。2.粘性產(chǎn)生的原因1）分子不規(guī)則運動的動量交換形成的阻力2）分子間吸引力形成的阻力不同的流體分子之間的內(nèi)聚力和分子不規(guī)則熱運動的動量交換程度不同。流體表現(xiàn)出的粘性的大小是不相同的。二、流體的粘性1.粘性的定義：流體內(nèi)部質(zhì)點之間或流層間因相對1083.粘性的量度（1）粘度的定義

流體的粘度：粘性大小由粘度來量度。流體的粘度是由流動流體的內(nèi)聚力和分子的動量交換所引起的。

3.粘性的量度（1）粘度的定義流體的粘度：粘性大小由粘度109（2）分類

動力粘度：又稱絕對粘度、動力粘性系數(shù)、粘度，是反映流體粘滯性大小的系數(shù)。單位：N?s/m2。

運動粘度ν：又稱相對粘度、運動粘性系數(shù)。(m2/s)

（2）分類動力粘度：又稱絕對粘度、動力粘性系數(shù)、110

（3）粘度的影響因素

動力粘度：的數(shù)值隨流體種類不同而不同，并隨壓強、溫度變化而變化。1）流體種類：一般在相同條件下，液體的粘度大于氣體的粘度。

2）壓強：對常見的流體，如水、氣體等，m值隨壓強的變化不大，一般可忽略不計。

3）溫度：是影響粘度的主要因素。當(dāng)溫度升高時，液體的粘度減小，氣體的粘度增加。

（3）粘度的影響因素動力粘度：的數(shù)值隨流體種類111a.液體：內(nèi)聚力是產(chǎn)生粘度的主要因素，當(dāng)溫度升高，分子間距離增大，吸引力減小，因而使剪切變形速度所產(chǎn)生的切應(yīng)力減小，所以m值減小。b.氣體：氣體分子間距離大，內(nèi)聚力很小，所以粘度主要是由氣體分子運動動量交換的結(jié)果所引起的。溫度升高，分子運動加快，動量交換頻繁，所以m值增加。練習(xí)一下a.液體：內(nèi)聚力是產(chǎn)生粘度的主要因素，當(dāng)溫度升高，分子間距離112問題：下面關(guān)于流體粘性的說法中，不正確的是:

A、粘性是流體的固有屬性；

B、粘性是運動狀態(tài)下，流體有抵抗剪切變形速率能力的量度；C、流體的粘性具有傳遞運動和阻滯運動的雙重性；D、流體的粘度隨溫度的升高而增大。

答案：D關(guān)閉窗口問題：下面關(guān)于流體粘性的說法中，不正確的是:A、粘性是流體1134.粘性力（內(nèi)摩擦力）

由流體的粘性作用而產(chǎn)生的阻滯其流動的作用力，就稱為粘性力（內(nèi)摩擦力）。流體與不同相的表面接觸時，粘性表現(xiàn)為流體分子對表面的附著作用。對于運動的流體，當(dāng)流體質(zhì)點間存在相對運動時，由于流體的粘性作用，在流體內(nèi)部流層之間會出現(xiàn)成對的切力，稱為內(nèi)摩擦力。4.粘性力（內(nèi)摩擦力）流體與不同相的表面接觸時，粘性表現(xiàn)為流1145、牛頓內(nèi)摩擦定律17世紀牛頓通過牛頓平板實驗研究了流體的粘性。下圖即為牛頓平板實驗裝置，下板固定，上板可動，且平板面積有足夠大，可以忽略邊緣對流體的影響。5、牛頓內(nèi)摩擦定律17世紀牛頓通過牛頓平板實驗研究了流體的115圖中：h為兩平板間的距離，A為平板面積。若對上板施加力F，并使上板以速度保持勻速直線運動，則內(nèi)摩擦力T=F。通過牛頓平板實驗得出：

運動的流體所產(chǎn)生的內(nèi)摩擦力(即粘性力)的大小與與下列因素有關(guān)：接觸面的面積Ａ成正比；與流體的物理性質(zhì)（黏度）成正比；與兩平板間的距離h成反比；與流速U成正比；圖中：h為兩平板間的距離，A為平板面積。若對上板施加力F，并116

在計算時若知道流體運動的速度場就可以計算出速度剃度，當(dāng)h及U不太大時，板間沿法線方向的點流速可看成線性分布，即：所以，牛頓內(nèi)摩擦定律公式為：

式中T—流體層接觸面上的內(nèi)摩擦力(N)；A—流體層間的接觸面積(m2)；du/dy—垂直于流動方向上的速度梯度(1/s)；在計算時若知道流體運動的速度場就可以計算出速度剃度，當(dāng)h及117例題1：1.如圖，在兩塊相距20mm的平板間充滿動力粘度為0.065（N·s）/m2的油，如果以1m/s速度拉動距上平板5mm，面積為0.5m2的薄板（不計厚度）。求（1）需要的拉力F；（2）當(dāng)薄板距下平面多少時？F最小。查看答案例題1：1.如圖，在兩塊相距20mm的平板間充滿動力粘度為01181.解（1）

平板上側(cè)摩擦切應(yīng)力：平板下側(cè)摩擦切應(yīng)力：拉力：對方程兩邊求導(dǎo)，當(dāng)時，

此時F最小。（N/m2）（N/m2）（N）求得（2）1.解（1） 平板下側(cè)摩擦切119例2：一底面積為40×45cm2，高為1cm的木塊，質(zhì)量為5kg，沿著涂有潤滑油的斜面向下作等速運動,如圖所示，已知木塊運動速度u=1m/s，油層厚度d=1mm，由木塊所帶動的油層的運動速度呈直線分布，求油的粘度。查看答案例2：一底面積為40×45cm2，高為1cm的木塊，質(zhì)量為120解：∵等速

∴as=0

由牛頓定律：（呈直線分布）

∵q=tan-1(5/12)=22.62°

mgsinq－τ·A=0

∑Fs=mas=0

關(guān)閉窗口解：∵等速

∴as=0由牛頓定律：（呈直線分布）121三.壓縮性和膨脹性1.流體的壓縮性（2）體積壓縮系數(shù)體積壓縮系數(shù)：流體體積的相對縮小值與壓強增值之