流體力學概述

關于流體力學概述第一頁，共四十五頁，2022年，8月28日1.1.1流體力學概述 1.1.2流體的基本性質

§1.1流體力學概述及流體的基本性質返回第二頁，共四十五頁，2022年，8月28日1.什么是流體力學？（了解） 2．流體力學是怎樣發(fā)展起來的(發(fā)展歷程)？（了解） 1.1.1流體力學概述返回第三頁，共四十五頁，2022年，8月28日流體力學定義流體fluid通常是指液體和氣體的總稱流場fluidfield流體所占據(jù)的空間稱為流場，流場中所對應的各種物理量在空間上的分布規(guī)律稱為相應的物理量場（如速度場、壓力場、密度場等）返回下一頁第四頁，共四十五頁，2022年，8月28日流體力學定義流體力學fluidmechanics力學的一個分支，主要研究在各種力的作用下，流體本身的靜止狀態(tài)和運動狀態(tài)以及流體和固體界壁間有相對運動時的相互作用和流動規(guī)律的科學工程流體力學fluidmechanicsofengineering特別強調工程應用性的流體力學，主要研究工業(yè)過程中常見的流動現(xiàn)象和流動設備的規(guī)律，并以能解決實際問題為其基本目標。返回上一頁第五頁，共四十五頁，2022年，8月28日流體力學發(fā)展簡史古代流體力學大禹治水、疏通江河；秦朝李冰父子修建都江堰；古羅馬城市供水；水車等是人類早期認識、研究流體運動規(guī)律并駕篤、利用流體運動的典型范例阿基米德

Achimedes(公元前287-212)古希臘科學家貢獻：建立了包括物體浮力定律和浮體穩(wěn)定性在內的液體平衡理論，奠定了流體靜力學的基礎。是流體力學學科形成的第一創(chuàng)始人。返回下一頁第六頁，共四十五頁，2022年，8月28日流體力學發(fā)展簡史達·芬奇

LeonardodaVinci公元1452-151915世紀意大利文藝復興時期著名藝術家、科學家、工程師貢獻：首次較系統(tǒng)地觀察研究了水波、管流、水力機械、鳥的飛翔等流體動力學原理，進行了大量的工程實踐活動，1493年首次根據(jù)鳥的飛翔原理設計出一飛行器。返回下一頁上一頁第七頁，共四十五頁，2022年，8月28日流體力學發(fā)展簡史牛頓

IsaacNewton公元1642-1727偉大的英國物理學家、數(shù)學家、天文學家貢獻：確立了粘性流體摩擦阻力的基本規(guī)律-牛頓內摩擦定律，從而奠定了粘性流體動力學基礎。返回下一頁上一頁第八頁，共四十五頁，2022年，8月28日流體力學發(fā)展簡史伯努利（丹尼爾第一.伯努利）DanielBernoulli公元1700-1782瑞士科學家（其祖、父、弟、子皆為著名科學家，科學史稱伯努利家族）貢獻：1738年建立了流體動力學最有應用價值的基本方程—伯努利方程。返回下一頁上一頁第九頁，共四十五頁，2022年，8月28日流體力學發(fā)展簡史歐拉

LeonhardEuler公元1707-1783瑞士數(shù)學家、力學家（是DanielBernoulli父親的弟子）貢獻：1736年建立了理想流體運動微分方程及其解，從而奠定了理想流體動力學基礎返回下一頁上一頁第十頁，共四十五頁，2022年，8月28日流體力學發(fā)展簡史納維

Claude-Louis-Marie-HenriNavier1785-1836法國力學家、工程師貢獻：1821年推廣了歐拉理想流體運動微分方程，考慮流體粘性建立了用于實際粘性流體的運動微分方程（只含一個粘性系數(shù)）斯托克斯GeorgeGabrielStokes公元1819-1903英國數(shù)學家、力學家貢獻：1845年改進了納維粘性流體的運動微分方程，建立了含有兩個粘性常數(shù)的粘性流體運動微分方程，稱為納維-斯托克斯方程，奠定了近代流體力學的基礎返回下一頁上一頁第十一頁，共四十五頁，2022年，8月28日流體力學發(fā)展簡史雷諾

OsborneReynolds公元1842-1912英國力學家、工程師貢獻：1883年通過對管流流動狀態(tài)的實驗觀察研究，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。返回下一頁上一頁第十二頁，共四十五頁，2022年，8月28日流體力學發(fā)展簡史普朗特

LudwigPrandtl公元1875-1953德國力學家貢獻：1904年建立了邊界層理論，將當時流體力學兩個互不相通的方向（數(shù)學理論流體力學和實驗流體力學）結合起來，從而奠定了現(xiàn)代流體力學的基礎。此外在空氣動力學、紊流理論研究也作了開創(chuàng)性的貢獻返回下一頁上一頁第十三頁，共四十五頁，2022年，8月28日流體力學發(fā)展簡史馮.卡門

TheodorevonKarman公元1881-1963美籍匈牙利力學家貢獻：建立了卡門渦街、升力面等理論，20世紀初在他的推動下，空氣動力學從流體力學發(fā)展出來形成了獨立的力學分支。我國三大力學家郭永懷、錢學森、錢偉長是他的學生。返回下一頁上一頁第十四頁，共四十五頁，2022年，8月28日流體力學發(fā)展簡史六十年代后期，逐漸形成流體力學與其他學科交叉的分支學科與計算機結合的計算流體力學。與生物力學交叉的生物流變學與電磁力學交叉的磁流體力學與化學變化、物理變化相結合的物理-化學流體動力學。返回上一頁第十五頁，共四十五頁，2022年，8月28日1．什么是流體連續(xù)性性質？(掌握)2．什么理想氣體性質？（了解）3．什么是流體的慣性性質？（了解）4．什么是流體的重力性質？（了解）5．什么是流體的可壓縮性、熱脹性？根據(jù)此性質可將流體力學分為哪兩種？（掌握）6．什么是流體的易變形性質？（掌握)1.1.2流體的基本性質返回第十六頁，共四十五頁，2022年，8月28日7．什么是流體的粘性性質？它是如何產生的？對流體運動會產生什么影響？（掌握）8．什么是牛頓內摩擦定律？它有何意義和用途？（掌握） 9．什么是流體的粘性系數(shù)和運動粘度？它有哪些基本特性？（掌握） 10.作用在流體上的力是如何分類的？（掌握） 11．如何應用牛頓內摩擦定律分析解決實際問題？（了解） 第十七頁，共四十五頁，2022年，8月28日1．什么是流體連續(xù)性性質？(掌握)流體質點概念返回下一頁Pzyx定義：能夠表現(xiàn)某空間位置流體宏觀上的統(tǒng)計平均特性（密度、壓力等）的最小流體微團稱為流體的質點大?。和ǔＳ觅|點半徑描述第十八頁，共四十五頁，2022年，8月28日流體連續(xù)性假設(continuoushypothesis)流體是由連續(xù)排列的流體質點所構成的在充滿連續(xù)性流體介質的空間，流體有關的物理參數(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、飛機長度）遠大于流體質點半徑本課程所涉及流體力學均屬于連續(xù)介質流體力學返回上一頁第十九頁，共四十五頁，2022年，8月28日2．什么是理想氣體性質？（了解）概念理想氣體是指忽略分子大小及分子間相互作用的氣體，其基本性質可分為狀態(tài)性質和過程性質狀態(tài)性質：指理想氣體在一定狀態(tài)下各個狀態(tài)參數(shù)的相互關系過程性質：指理想氣體從初態(tài)經過特定過程達到終態(tài)后，初態(tài)和終態(tài)狀態(tài)參數(shù)的相互關系。返回下一頁第二十頁，共四十五頁，2022年，8月28日規(guī)律狀態(tài)性質：可由克拉貝龍方程描述返回下一頁上一頁P—壓力（壓強）,Paρ—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＝287J/kg.KRH2=4124J/kg.KRN2=296.2J/kg.KRO2=259.8J/kg.KRCO2=188.9J/kg.K第二十一頁，共四十五頁，2022年，8月28日過程性質：返回上一頁等溫過程：定壓過程：定容過程：絕熱過程：多變過程：第二十二頁，共四十五頁，2022年，8月28日3．什么是流體的慣性性質？（了解）概念慣性inertia是指物體保持原來靜止或運動狀態(tài)的性質，是物體的固有屬性。大小慣性大小通常用物體的質量來表征，在流體力學中更關心的是單位體積的流體質量，因此在本課程中使用密度表征單位體積內流體所具有的慣性大小返回第二十三頁，共四十五頁，2022年，8月28日4．什么是流體的重力性質？（了解）概念重力性質

處于地球引力場中的流體受到地球引力作用的性質。重度γ單位體積流體所受到的重力，表征流體重力性大小的一個參數(shù)返回第二十四頁，共四十五頁，2022年，8月28日5．什么是流體的可壓縮性、熱脹性？根據(jù)此性質可將流體力學分為哪兩種？（掌握）概念壓縮性compression是指流體受壓體積縮小、密度增加的性質熱膨脹性thermalexpansion是指流體受熱體積膨脹、密度減小的性質大小通常用壓縮系數(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返回下一頁第二十五頁，共四十五頁，2022年，8月28日返回上一頁壓縮系數(shù)coefficientofcompression定義下一頁物理意義：單位壓力變化所產生的體積變化率特征分析水的壓縮系數(shù)(0℃,參見教材表1-3)壓強(atm)510204080β×109m2/N0.5380.5360.5310.5280.515第二十六頁，共四十五頁，2022年，8月28日返回上一頁下一頁理想氣體的壓縮系數(shù)β=1/p(等溫壓縮)結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第二十七頁，共四十五頁，2022年，8月28日返回上一頁熱膨脹系數(shù)Coefficientofthermalexpansion定義物理意義：單位溫度變化所產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incompressiblefluid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)律第二十八頁，共四十五頁，2022年，8月28日6．什么是流體的易變形性質？（掌握)易變形性性質easymorphotropy所謂流體的易變形性質是指流體具有以下特征：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）一般地要將流體一分為二幾乎不用做功（固體則不然）流體在切應力作用下將發(fā)生連續(xù)變形（固體在切應力作用下發(fā)生確定的變形，這是流體與固體主要的力學性質的差別）流體定義：在任何微小剪切力作用下均發(fā)生連續(xù)變形的物質稱為流體返回下一頁第二十九頁，共四十五頁，2022年，8月28日連續(xù)變形返回下一頁第三十頁，共四十五頁，2022年，8月28日7．什么是流體的粘性性質？它是如何產生的？對流體運動會產生什么影響？（掌握）粘性viscosity概念流體質點間或流層間發(fā)生相對運動時自動產生一內摩擦力以抵抗這種相對運動，流體所具有的這種性質稱為流體的粘性產生原因對氣體:分子之間的相互作用；氣體分子作熱運動對液體:液體微觀粒子或離子團間相互作用返回上一頁下一頁第三十一頁，共四十五頁，2022年，8月28日對流動的影響由于粘性流體在流動過程中將產生內摩擦力，從而引起流體機械能耗散為熱能，直至流體機械能耗盡而終止流動，所以要維持流體的流動就必須不斷地從外界補充相應的機械能。由于粘性的存在，對物面附近的流動將產生重大影響，向物面方向靠近，流體相對于物面的運動速度將逐漸降低直至物面處為零返回上一頁第三十二頁，共四十五頁，2022年，8月28日8．什么是牛頓內摩擦定律？它有何意義和用途？（掌握） 實驗牛頓進行了兩個平板之間較薄夾層流體剪切流動的實驗下一頁返回FδUu(y)yx第三十三頁，共四十五頁，2022年，8月28日結論返回兩平板之間的速度分布為平板給與流體的單位面積的剪切力（即切應力）與速度梯度（角變形速率）的關系為μ—比例系數(shù)，稱為粘性系數(shù)上一頁下一頁第三十四頁，共四十五頁，2022年，8月28日返回上一頁進一步實驗表明，上述切應力與速度梯度的關系可推廣到兩無限接近的薄層，所以牛頓內摩擦定律可表示為即作用在流體上的切應力與速度梯度成正比第三十五頁，共四十五頁，2022年，8月28日9．什么是流體的粘性系數(shù)和運動粘度？它有哪些基本特性？（掌握）定義粘性系數(shù)是由牛頓內摩擦定律所定義的，又稱為動力粘度，是表示流體粘性大小的參數(shù)下一頁返回物理意義單位速度梯度所產生的剪切應力運動粘度在流體力學中μ常常以μ/ρ的形式出現(xiàn)，所以引入名為運動粘度的參數(shù)(Pa.s或N.s/m2)(m2/s)第三十六頁，共四十五頁，2022年，8月28日返回物理意義單位速度梯度下移動單位質量的流體一特征距離所需耗散的功量，其因次為運動學因次，因此稱為運動粘度，所表征的是流體流動性大小性質動力粘度是流體粘性大小度量參數(shù)，運動粘度是流體流動性大小的度量參數(shù)。μ、ν數(shù)值大小僅與流體種類和溫度有關，是流體的物性參數(shù)，因此可通過查流體物性參數(shù)表獲取氣體的粘性系數(shù)隨溫度升高而升高液體的粘性系數(shù)隨溫度的升高而降低上一頁第三十七頁，共四十五頁，2022年，8月28日10.作用在流體上的力是如何分類的？（掌握）概念質量力massforcedistanceforce外界作用于流體內部每一質點上的力。無需與流體接觸而施加于流體上的力，又稱為遠程力。在流體力學中，所關心的質量力是作用于單位流體質量的質量力。典型的質量力：重力牽連慣性力等表面力surfaceforce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—表面應力來表示返回下一頁第三十八頁，共四十五頁，2022年，8月28日表面力分解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力，內法線方向上的力稱為壓應力，外法線上的力稱為拉應力基本假定：對一般流體，流體不能承受拉應力。表面切線方向上該方向上的力稱為切應力特性：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返回上一頁第三十九頁，共四十五頁，2022年，8月28日11．如何應用牛頓內摩擦定律分析解決實際問題？（了解）例1-1轉軸直徑d=0.36m,軸承長度L=1m,軸與軸承的縫隙寬δ=0.2mm,其中充滿動力粘滯系數(shù)的油，若軸的轉速n=200rpm,求克服油的粘滯阻力所需的功率下一頁返回nLδdμ分析：由于軸與軸承間的間隙厚度通常較小，所以可以認為間隙流體的速度分布呈線性分布（軸的徑向上），且可以近似當作平板夾層內的流體運動