流体力学课件-第1章.ppt

,李杰林 采矿工程课程,工程流体力学,Engineering Fluid Mechanics,第1章 流体及其主要物理性质,第2章 流体静力学,第3章 流体动力学基础,第4章 流动阻力和水头损失,第5章 孔口、管嘴出流及有压管流,第6章 明渠均匀流,第7章 明渠水流的两种流态及其转换,工程流体力学,Engineering Fluid Mechanics,第一章 流体及其主要物理性质,流 体 概 述,流 体 物 性,流 体 受 力,小 结,本章主要阐述了流体力学的概念与发展简史； 流体力学的概述与应用；流体力学课程的性 质、目的、基本要求；流体力学的研究方法 及流体的主要物理性质。流体的连续介质模 型是流体力学的基础，在此假设的基础上引 出了理想流体与实际流体、可压缩流体与不 可压缩流体、牛顿流体与非牛顿流体概念。,内容提要,1.1.1 流体概述,指具有流动性且自身不能保持一定形状的物体，如气体和液体。,一、流体,流 动,即流体受切应力时产生的变形,流体具有以下特征,流体只能承受压力，不能承受拉力，在即使是很小剪切力的作用下也将流动（变形）不止，直到剪切力消失为止。,没有固定的形状，液体的形状取决于盛装它的容器；气体完全充满容器。,流体具有可压缩性；液体可压缩性小，水受压从1个大气压增加至100个大气压时，体积仅减小0.5%；气体可压缩性大。,流体具有明显的流动性；气体的流动性大于液体。,呈现流动性？,流体,固体,液体、气体与固体的区别,流体力学是力学的一个独立分支，是一门研究流体的平衡和流体机械运动规律及其实际应用的技术科学。,二、流体力学,流体力学分类, 理论流体力学（流体力学）, 应用流体力学（工程流体力学）,工程流体力学,研究流体静止和运动的力学规律及 其在工程技术上的应用的一门学科。,力学,流体力学（水力学）的学科性质,研究对象 力学问题载体,宏观力学分支 遵循三大守恒原理,流体力学,水力学,流体,水,力学,强调水是主要研究对象 比较偏重于工程应用 土建类专业常用,流体力学（水力学）的主要研究内容,固定边界：水工建筑物、河床、海洋平台等,运动边界：飞机、船只等,研究内容,流体在外力作用下，静止与运动的规律；,流体与 边界 的相互作用。,空气和水是地球上广泛存在的物质，所以与流体运动关联的力学问题是很普遍的。流体力学在许多学科和工程领域有着广泛的应用，对工科专业来讲，其重要性不言而喻。,与流体力学相关的工程领域和学科,流体力学在工程中的应用,船舶运动,浮标,海洋平台,潜器,地效翼艇 （WIG）,航空航天航海,流体力学在工程中的应用,能源动力,发动机四冲程,Wind Turbine,飞机发动机,蒸汽机车,能源动力,杨浦大桥,能源动力,气象云图,龙卷风,气象科学,环境控制,污水净化设备模型,电厂冷却塔,生物仿生学,信天翁滑翔,应用广泛已派生出很多新的分支: 电磁流体力学、生物流体力学 化学流体力学、地球流体力学 高温气体动力学、非牛顿流体力学 爆炸力学、流变学、计算流体力学等,排球,足球,网球,游泳,赛艇,铁饼,高尔夫球,赛跑,赛车,标枪,乒乓球,羽毛球,大部分竞技体育项 目与流体力学有关,课程地位,工程流体力学是一门重要的专业基础课程，它是连接前期基础课程和后续专业课程的桥梁。课程的学习将有利于数理、力学基础知识的巩固与提高，培养分析、解决实际问题的能力，为专业课程的学习打下坚实基础。,数理、力学 基础课程,流体力学 专业基础课程,学科有关 专业课程,水、气流动的基本规律 环境工程中的通风、通水 燃烧中的空气动力学 污染物在大气中的扩散,环境工程专业中的流体力学问题：,城市防洪工程设计、城市给排水管网设计 水塔高度的计算、水泵的选择等 热的供应、空气的调节、燃气的输配 排毒除湿、除尘降温的计算等 室内给排水设计、地基降水和抗渗设计 桥涵孔径水力设计、隧道地下工程的通风等,土木工程专业中的流体力学问题：,通风系统工程设计、通风管网设计 供、排水系统的设计、排水泵的选择等 压气的供应、压气的输配 充填系统的设计、充填料的选择、输运 选矿厂中的应用,采矿工程专业中的流体力学问题：,流体力学的萌芽，是自距今约2200年以前，西西里岛的希腊学者阿基米德写的“论浮体”一文开始的。 他对静止时的液体力学性质作了第一次科学总结。 流体力学的主要发展是从牛顿时代开始的，1687年牛顿在名著自然哲学的数学原理中讨论了流体的阻力、波浪运动等内容，使流体力学开始成为力学中的一个独立分支。此后，流体力学的发展主要经历了三个阶段：,1.1.2 流体力学发展历史,1.萌芽期：,2.发展期：,奠基人是瑞士数学家伯努利(Bernoulli，D)和他的亲密朋友欧拉(Euler，L.)。1738年，伯努利推导出了著名的伯努利方程，欧拉于1755年建立了理想流体运动微分方程，以后纳维(Navier,C .H.)和斯托克斯(Stokes，GG)建立了粘性流体运动微分方程。拉格朗日（Lagrange）、拉普拉斯(Laplace)和高斯(Gosse)等人，将欧拉和伯努利所开创的新兴的流体动力学推向完美的分析高度。,古典流体力学阶段：,依靠实验和实测资料形成 雷诺(Reynolds，O.) 1904年普朗特(Prandtl，L.)提出了划时代的边界层理论，开创理论与实践并重的现代流体力学阶段,实验流体力学阶段：,现代流体力学阶段：,我国水利学的发展,4000多年前的 “大禹治水”的故事 顺水之性，治水须引导和疏通。 秦朝在公元前256公元前210年修建了我国历史上的三大 水利工程（都江堰、郑国渠、灵渠） 明渠水流、堰流。 古代的计时工具“铜壶滴漏”孔口出流。 清朝雍正年间，何梦瑶在算迪一书中提出流量等于过 水断面面积乘以断面平均流速的计算方法。 隋朝（公元587610年）完成的南北大运河。 隋朝工匠李春在冀中洨河修建（公元605617年）的赵州 石拱桥拱背的4个小拱，既减压主拱的负载，又可宣泄 洪水。流体具有明显的流动性；气体的流动性大于液体。,理论分析、实验研究和数值计算相结合。三个方面是互相补充和验证，但又不能互相取代的关系。,基本假设,数学模型,解析表达,理论分析,数值计算,实验研究,数学模型,数值模型,数值解,模型试验,量测数据,换算到原型,1.1.3 流体力学的研究方法,微观上：流体分子距离的存在以及分子运动的 随机性使得流体的各物理量在时间和空 间上的分布都是不连续的。 宏观上：当所讨论问题的特征尺寸远大于流体 的分子平均自由程时，可将流体视为在 时间和空间连续分布的函数。,1.1.4 连续介质假设,问题的提出,个分子,1mm3空气 ( 1个大气压，00C),宏观（流体力学处理问题的尺度）上看，流体质点足够小，只占据一个空间几何点，体积趋于零。 微观（分子自由程的尺度）上看，流体质点是一个足够大的分子团，包含了足够多的流体分子，以致于对这些分子行为的统计平均值将是稳定的，作为表征流体物理特性和运动要素的物理量定义在流体质点上。,流体质点概念,问题的提出,流体质点的运动过程是连续的；表征流体的一切特性可看成 是时间和空间连续分布的函数,流体介质是由连续的流体质点所组成，流体质点占 满空间而没有间隙。,连续介质假设,连续介质假设是近似的、宏观的假设，它为数学工具的 应用提供了依据，在其它力学学科也有广泛应用，使用 该假设的力学统称为“连续介质力学”。除了个别情形外，在 水力学中使用连续介质假设是合理的。,特例,航天器在高空稀薄的空气中的运行 血液在毛细血管中的流动,惯性及重力特性 压缩性和膨胀性 粘性特性 表面张力特性,第二节 流体的主要物理性质,V0的理解，流体微团/流体质点的概念,一.惯性及重力特性,惯性是指物体具有反抗改变其原有运动状态的一种性质。,惯性,表征量：密度,单位体积流体的质量。ML-3 ; kg/m3,对于均质流体:,对于非均质流体:,= 常数,表征量：比容,密度的倒数。 m3/kg,对气体:,对液体:,4 水的密度 = 1000kg/m3 水银的密度 p= 13600kg/m3 0空气的密度 = 1.29 kg/m3,对于均质流体: 对于非均质流体，各点的重度不同：,=g,地球对物体的吸引力,重力特性,表征量：容重,单位体积流体的重量,4 水的容重 = 9807 N/m3。 水银的容重 = 133326 N/m3。,粘性是流体抵抗变形的能力，是流体的固有属性， 是运动流体产生机械能损失的根源,二.流体的粘滞性,流体内部质点间或流层间因相对运动而产生内摩擦力 （内力/粘性力）以反抗相对运动的性质,牛顿内摩擦定律,U,T与流体种类有关,当流体作层状流动时,牛顿发现 :, 动力粘滞系数。 N.s/m2 ；Pa.S 运动粘滞系数。 m2/S,1泊=1g/s.cm=0.1kg/s.m =0.1N.s/m2=0.102kgf.s/m2 1m2/s = 104 cm2/s = 104 斯,T的影响较大，P的影响不大；,表征量粘度,反应粘性大小的一个物理量，与流体种类有关, 单位换算 :,粘度的影响因素:,容易解释为什么 是剪切 （角）变形速率，它表示流体 直角减小的速度。,满足牛顿内摩擦定律的流体称为牛顿流体， 否则称为非牛顿流体。,角变形速率, 分子间的吸引力, 分子运动引起流体层间的动量交换,液体以此为主,气体以此为主,随着温度升高，液体的粘性系数下降；气体的粘性系数上升。,今后在谈及粘性系数时一定指明当时的温度。,运动粘性系数,具有运动学量纲。,注意,形成牛顿 内摩擦力 物理机理,理想流体假设是忽略粘性影响的假设，可近似反映粘性作用不大的实际流动，粘性作用不大是相对于其它因素的作用而言的。,而 是流体的客观属性，所以往往是在变形速率不大的区域将实际流体简化为理想流体。,我们将会看到，是否忽略粘性影响将对流动问题的处理带来很大的区别，理想流体假设可以大大简化理论分析过程。,忽略粘性影响实际上就是忽略切应力，切应力,，,理想流体假设,三. 流体的压缩性及膨胀性,流体能承受压力，在受外力压缩变形时，产生内力（弹性力）予以抵抗，并在撤除外力后恢复原形，流体的这种性质称为压缩性。,V,V-V,p,p+p,Pa,压缩性表征量,K越大，流体越不易压缩, 体积压缩系数 :, 体积弹性模量 :,Pa-1,水和其它液体可视为不可压缩流体，即=常数 特例：水击、热水采暖需考虑水的压缩性和膨胀性 当气体流速不是很大时，也可视为不可压缩流体,-1,膨胀性表征量, 体积膨胀系数 :,流体的压缩性及膨胀性,四.表面张力特性,自由面上单位长度的流体线所受到的拉力。N/m,表面张力是流体自由表面在分子作用半径这一薄层内由于分子引力大于斥力而产生的沿表面切向的拉力。,* 气体不存在自由表面，也就不存在表面张力。 * 表面张力是液体特有的性质。 * 表面张力可产生在液气、液固、液液接触面上。 * 表面张力可产生附加压力使自由面弯曲。,表征量,表面张力系数,当液固接触时，液体表面的切面与固体壁 在液体内部所夹的角。,90；液体润湿固体, 90；液体不润湿固体,h,h,接触角,将一小管插入液体中，管内液体升高或降低，称为毛细现象. 它是由表面张力和接触角引起的。,液体的内聚力小于它同固体附着力，液体沿固壁向外延展，液面向上弯曲，表面张力使其上升。,h,h,毛细现象,物质从液态变为气态的现象称为汽化；液体总是在一定的温度和压强下才能沸腾，这个温度称为沸点，这个压强称为汽化压强。,五.汽化压强,汽化压强增大，沸点升高； 汽化压强减小，沸点降低。,当液体中某处压强达到或小于汽化压强时，该处液体便沸腾，液体内部形 成许多气泡，这种现象称为空化。,空化,空化与外界空气渗入液流中形成的气泡有本质区别。,汽化压强与沸点的关系,为什么水通常被视为不可压缩流体,因为水的K=2109Pa ，水的体积变化很小，可忽略不计，所以通常可把水视为不可压缩流体。,自来水水龙头突然开启或关闭时，水是否为不可压缩流体？为什么,为可压缩流体。因为此时引起水龙头附近处的压强变化，且变幅较大。,流体能否达到完全真空状态？若不能，则最大真空度为多少？,不能，最大真空度等于大气压强与汽化压强的差值,理想流体有无能量损失？为什么？,无。因为理想流体=0 ，没有切应力。,流体的粘度与哪些因素有关？它们随温度如何变化？,流体流体的种类、温度、压强。液体粘度随温度升高而减小，气体粘度随温度升高而增大。,牛顿流体的与du/dy成正比，那么与du/dy成正比的流体一定是牛顿流体吗 ？,不一定，因为宾汉塑性流体的与du/dy成正比，但曲线不通过圆点。,为什么荷叶上的露珠总是呈球形？,表面张力的作用。,一块毛巾，一头搭在脸盆内的水中， 一头在脸盆外，过了一段时间后，脸盆外的台子上湿了一大块，为什么？,毛细现象。,为什么测压管的管径通常不能小于1cm？,如管的内径过小，就会引起毛细现象，毛细管内液面上升或下降的高度较大，从而引起过大的误差。,若测压管的读数为h1 ，毛细升高为 h2， 则该点的测压管实际高度为多少？（测压管的工作流体分别为水和水银）,h1-h2 水 h1+h2 水银,在高原上煮鸡蛋为什么须给锅加盖？,高原上，压强低，水不到100就会沸腾，鸡蛋煮不熟，所以须加盖。,试简述水轮机叶片空蚀的原因？,低压处产生气泡，气泡随水流到高处破灭，产生冲击力，剥蚀叶片，形成空蚀。,第三节 作用在流体上的力,无论静止或运动的流体都受到外力的作用，作用在 流体上的力按其性质（作用方式）的不同，可分为： 质量力 表面力,重力场中：,重力场；惯性力，磁力场；电力场,一. 质量力,分解为三个分力：,是指在某种力场中，作用在流体的每一个质点上的力。 它的大小与流体的质量成正比； 方向由力场的性质决定。,单位质量的流体所受到的力场作用力。,单位质量力f,二. 表面力,是指作用在所研究的流体表面上的力，它是由所研究的流体的表面与相接触的物体（流体或固体或气体）的相互作用而产生的。 它的大小与流体的表面积成正比；