流體力學(xué)水力學(xué)緒論

授課人：張巖E-MAIL:zhangyan-992@163.com流體力學(xué)

第1章緒論

§1.1流體力學(xué)的任務(wù)及其發(fā)展簡(jiǎn)史1.什么是流體力學(xué)？

力學(xué)：基礎(chǔ)和技術(shù)學(xué)科。研究對(duì)象：液體和氣體---流體。分子間距離分子間作用力保持一定形狀保持一定體積承受壓力承受拉力承受切力氣體大小不能不能壓縮變形不能流動(dòng)變形液體中中不能能能承受一定的壓力不能(液面質(zhì)點(diǎn)有表面張力)流動(dòng)變形固體小大能能能承受一定的壓力能承受一定的拉力能承受一定的切力2、流體的特性①不能承受拉力，靜止時(shí)不能承受剪切力。②具有易流動(dòng)性，液體具有自由表面，有一定的體積，沒有一定的形狀。

氣體沒有一定的體積，具有明顯的壓縮性。流體力學(xué)海洋

土木工程航空航天交通運(yùn)輸

環(huán)境

氣象

石油化工

機(jī)械冶金

生物

與流體力學(xué)相關(guān)的工程領(lǐng)域和學(xué)科3、流體力學(xué)主要內(nèi)容：

流體力學(xué)是研究流體平衡和機(jī)械運(yùn)動(dòng)的規(guī)律及其在工程實(shí)際中的應(yīng)用的一門學(xué)科。流體力學(xué)與土木工程專業(yè)：①建筑施工供水流量，供水管道，供水壓力的確定，基坑排水量確定，地基基礎(chǔ)水荷載計(jì)算，水景景觀設(shè)計(jì)。②注冊(cè)工程師考試。

寶馬轎車的外流場(chǎng)顯示圖車廂內(nèi)的空氣流場(chǎng)094型彈道導(dǎo)彈核潛艇三峽工程的十大世界之最：1、世界防洪效益最為顯著的水利工程。三峽水庫總庫容393億m3，防洪庫容221.5億m3，水庫調(diào)洪可消減洪峰流量達(dá)2.7萬m3/s～33萬m3/s，能有效控制長(zhǎng)江上游洪水，增強(qiáng)中長(zhǎng)江下游抗洪能力。2、世界最大的電站。三峽水電站總裝機(jī)1820萬kW，年發(fā)電量846.8億kW/h。3、世界建筑規(guī)模最大的水利工程。三峽大壩壩軸線全長(zhǎng)2309.47m，泄流壩段長(zhǎng)483m，水電站機(jī)組70萬kW×26臺(tái)，雙線5級(jí)船閘和升船機(jī)，無論單項(xiàng)、總體都是世界建筑規(guī)模最大的水利工程。4、世界工程量最大的水利工程。三峽工程主體建筑土石方挖填量約1.34億m3，混凝土澆筑量2794萬m3,鋼筋46.30萬t。5、世界施工難度最大的水利工程。三峽工程2000年混凝土澆筑量為548.17萬m3,月澆筑量最高達(dá)55萬m3,創(chuàng)造了混凝土澆筑的世界記錄。6、施工期流量最大的水利工程。三峽工程截流流量為9010m3/s,施工導(dǎo)流最大洪峰流量79000m3/s。7、世界泄洪能力最大的泄洪閘。三峽工程泄洪閘最大泄洪能力為10.25萬m3/s。8、世界級(jí)數(shù)最多、總水頭最高的內(nèi)河船閘。三峽工程的雙線五級(jí)船閘，總水頭113m。9、世界規(guī)模最大、難度最高的升船機(jī)。三峽工程升船機(jī)有效尺寸為120×18×3.5m，最大升程113m，船箱帶水重量達(dá)11800t，過船噸位3000t。10、世界水庫移民最多、工作最為艱巨的移民建設(shè)工程。三峽工程水庫動(dòng)態(tài)移民最終可達(dá)113萬人。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——?dú)W拉、伯努利第四階段（19世紀(jì)末以來）流體力學(xué)飛躍發(fā)展§1.2流體力學(xué)模型一、連續(xù)介質(zhì)模型

組成物體的分子是不連續(xù)的，彼此有空間。分子在不停的運(yùn)動(dòng)，分子間有相互作用力。液體在微觀結(jié)構(gòu)上說，是有空隙的不連續(xù)的物質(zhì)（介）。大量分子“集體”所顯示的特性---宏觀特性或宏觀量。例如，我們研究海浪對(duì)防波堤上某點(diǎn)的作用力時(shí)，并不需要知道每個(gè)海水分子對(duì)該點(diǎn)的作用力。流體質(zhì)點(diǎn)：將實(shí)際流體無限制的分割成為無限小的基元個(gè)體，相當(dāng)于微小的分子集團(tuán)，------流體的“質(zhì)點(diǎn)”。

“宏觀小”：流體質(zhì)點(diǎn)足夠小，只占據(jù)一個(gè)空間幾何點(diǎn)，體積趨于零；“微觀大”：流體質(zhì)點(diǎn)是一個(gè)足夠大的分子團(tuán)，包含了足夠多的流體分子，以至于對(duì)這些分子行為的統(tǒng)計(jì)是穩(wěn)定的，作為表征流體物理特性和運(yùn)動(dòng)要素的物理量定義在流體質(zhì)點(diǎn)上。

連續(xù)介質(zhì)模型：

流體是由一個(gè)緊挨著一個(gè)的流體質(zhì)點(diǎn)所組成，其中沒有任何空隙。這樣的連續(xù)體-------“連續(xù)介質(zhì)”?！?.3流體的主要物理性質(zhì)一、慣性與質(zhì)量二、密度均質(zhì)流體：非均質(zhì)流體各點(diǎn)處的密度不同，任一點(diǎn)處的密度用極限式表示為：三、萬有引力、重量和容重流體的重力特性用容量表示。單位體積流體所受引力為流體的容量，用符號(hào)表示。勻質(zhì)流體的容重為：非勻質(zhì)流體任一點(diǎn)處的容重為：在地球引力場(chǎng)中，密度與容重有以下關(guān)系：設(shè)有兩平行平板，假設(shè)下板固定，上板在外力作用下以勻速0向右運(yùn)動(dòng)。與兩板相接觸的流體由于附著力的作用必粘附于兩平板上，具有與平板相同的運(yùn)動(dòng)速度。因此與上平板相接觸的一層流體將以速度0隨上板一起向右運(yùn)動(dòng)，而緊貼下板的一層流體將和下板一樣靜止不動(dòng)。介于兩板之間的各層流體將以自上而下逐層遞減的速度向右運(yùn)動(dòng)。流動(dòng)較快的流體層帶動(dòng)較慢的流體層，同時(shí)流動(dòng)較慢的流體層又阻滯流動(dòng)較快的流體層，從而在流體層之間產(chǎn)生內(nèi)摩擦力。三、粘滯性流體的粘滯性：

流體內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)之間或流層之間產(chǎn)生內(nèi)摩擦力抵抗其相對(duì)運(yùn)動(dòng)。粘滯力----內(nèi)摩擦力對(duì)流動(dòng)的阻抗作用----流體分子間的作用力。

流體運(yùn)動(dòng)時(shí)的粘滯阻力，使流體的變形即流動(dòng)緩慢下來。粘滯性在流體靜止或平衡時(shí)是不顯示作用。

(動(dòng)力粘性系數(shù))---Pa·s。

(運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù))--m2/s。

=/

粘性系數(shù)的大小表征著流體粘滯性的強(qiáng)弱。

溫度是影響粘滯系數(shù)的主要因素。

今后在談及粘性系數(shù)時(shí)一定指明當(dāng)時(shí)的溫度。液體種類溫度t/0C密度/(kg/m3)相對(duì)密度d粘度104/(Pas)飽和蒸氣壓pv/(kPa)體積彈性系數(shù)K10-6/(Pa)水蒸氣四氯化碳原油汽油甘油空氣二氧化碳一氧化碳水銀水熔化生鐵20202020202020202020200.747158885667812581.2051.841.16135509987000—1.590.860.681.26———13.560.9987.010.1019.7722.9149000.180.1480.18215.610.1——12.1—550.000014———0.000172.34——1100——4350———262002070—幾種常見物質(zhì)在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的物理性質(zhì)見表1-1。

水的動(dòng)力粘滯系數(shù)隨溫度變化的泊肅葉經(jīng)驗(yàn)公式：

（1）液體的粘性系數(shù)隨溫度升高而降低：內(nèi)聚力是產(chǎn)生粘度的主要因素，隨溫度升高分子間距增大，相互作用力減少，所以粘度減少。比如不同溫度下的食用油。

（2）氣體的粘性系數(shù)則隨溫度升高而增大：氣體分子間作用力影響極弱，但是溫度升高分子活性增強(qiáng)，碰撞幾率增大所以粘度反而增加。

2、理想流體

不考慮粘性作用的流體，即無粘性流體，稱為理想流體。

已知：長(zhǎng)度L=1m，直徑d=200mm水平放置的圓柱體，置于內(nèi)徑D=206mm的圓管中以u(píng)=1m/s的速度移動(dòng)，間隙中油液的相對(duì)密度為d=0.92，運(yùn)動(dòng)黏度ν=5.6×10-4m2/s。

解：【例1】求：所需拉力F為多少？間隙中油的密度為

動(dòng)力黏度為（kg/m3）（Pa·s）由牛頓內(nèi)摩擦定律由于間隙很小，速度可認(rèn)為是線性分布（N）四、壓縮性m2/NN/m2體積壓縮系數(shù)

體積彈性系數(shù)

(彈性模量)可壓縮流動(dòng)與不可壓縮流動(dòng)

五、表面張力內(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。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。表面張力系數(shù)：是指自由液面上單位長(zhǎng)度所受到的表面張力。單位為N/m。2、毛細(xì)管現(xiàn)象§1.4作用于流體上的力一、表面力表面力：在靜止流體中只有壓強(qiáng)，沒有切應(yīng)力？

√二、質(zhì)量力質(zhì)量力：

作用在隔離體內(nèi)每個(gè)流體質(zhì)點(diǎn)上的力，其大