




版权说明:本文档由用户提供并上传,收益归属内容提供方,若内容存在侵权,请进行举报或认领
文档简介
1、本章提要 5.1 流体运动的描述 5.2 定常流动的连续性方程 5.3 伯努利方程及其运用 5.4 实际流体的运动规律,第五章 流体力学 (Fluid Mechanics),4,5,6,7,10,流体: 具有流动性的物体(气体和液体),流体力学: 研究流体运动及与其中的物体之间相互作用规律,应用: 血液的动力学 与血液流动相关的现象,如粘度,血压等,掌握: 液体连续性原理,柏努利方程泊肃叶公式,熟悉: 粘滞系数、牛顿粘滞系数,了解: 血循环系统的血液的速度和血压变化、血压测量、雷诺数,学习要求,流体?,流体是一种可以流动的物质,流体包括空气的液体,能适应任何形状的容器 能承受很大的压力 无法承
2、受拉力,理想液体( Ideal Liquid ),5.1 理想液体的流动 (Flow of ideal liquid),二、稳定流动( Steady flow ),绝对不可压缩、无粘滞性 (Visicosity) 的液体。,每一定点的液体的速度不随时间而变的流动。 (实际和理想液体均可有稳定流动),流线的切线方向,该点液体流动方向,v,5.1.1 流场、流线与流管(Stream line/tube),流线与流管,流线不会相交,各点的流速不变,流线不会穿出流管,稳定流动的液体其流线有什么特征?,流管:由一系列(想象)流线组成的周围封闭,二端开口的管状物。,5.1.2 定常流动与不定常流动,定常(
3、稳定)流动( Steady flow ),每一定点的液体的速度 不随时间而变的流动。,(实际和理想液体均可有稳定流动),不定常(稳定)流动( Steady flow ),每一定点的液体的速度可变,流线的开头可变的流动。,(Q 流量,同一流管的流量为恒量) 横截面大的,流速小,四、液流连续原理(Principle of continuity of flow),从一流管两端流入和流出的质量为:,适用范围:同一流管不可压缩液体的稳定流动,根据质量守恒方程,A,B分别为同一流管中的两个不同截面上的点,适用范围:,不可压缩液体的稳定流动 同一流管中任意二个垂直于流管的截面 实际和理想液体均可适用,(Q
4、流量,同一流管的流量为恒量) 横截面大的,流速小,理想液体在同一垂直于流管截面处各点流速相同。,而实际液体是不同的,由该截面的平均流速来代替液流连续原理的流速。,源或漏以及不稳定的流动,都会对质量有贡献,液流连续原理的推广:,(Q 流量,同一流管的流量为恒量) 横截面大的,流速小,质量守恒规律,静止的正常人其主动脉横截面 A0 为 3 cm2,通过它的血液流速是 30 cm/s。典型的毛细血管 ( 直径=6 m ) 的横断面积 A 是 3x10-7 cm2、流速 v 是0.05 cm/s。这样一个人有多少个毛细血管?,令 n 为毛细血管,毛细血管横截面的总面积是主动脉横截面的 600 倍,五、
5、柏努利方程(Bernoullis equation),适用范围 同一流管 理想液体,A,B分别为同一流管中的两个不同截面上的点,由功能关系:,外力作功:,能量变化:,选择适当的同一流管二个截面,应用柏努利方程注意,高度 h 要有参考平面,1 atm = 10336 kg/m2 = 101292 pa = 1.013x105 pa = 760 mmHg,不要忘记大气压强 P0,水=103 kg/m3,水银=13.6x103 kg/m3,讨论,同一高度处,流速越大,压强就越小。,由于理想液体在运动时,没有与运动方向平行的切向力作用,所以任一点的压强只与位置有关,与方位无关。,请解释此现象,由于粘性
6、作用,有一层薄空气被球带动,造成球上部速度变小,压强变大,足球中的香蕉球,马格纳斯效应,机翼受到的举力,Q:用机翼上、下的流速变化,讨论其受到的升力,是否合理,压强的范围,Pa,水笼头流出的水为什么会变得越来越细?,水笼头流出的水最后从连续变成了断续?,能解释的医学现象,动脉瘤,动脉粥样硬化 喷雾器,口腔科的吸唾器 层流与湍流 雷诺数 与血液粘度物理因素 流阻,影响血流阻力的因素 红细胞的轴流现象 循环系统中血流速度,血压的变化,Aneurysm(动脉瘤),若处动脉的半径增大N倍,血液流速就缩小N2倍,病灶处的压强大幅度上降,由于该处血管壁薄,使血管容易破裂。,Atherosclerosis(
7、动脉粥样硬化),Atherosclerosis in a small artery,动脉病变从内膜开始。一般先有脂质和复合糖类积聚、出血及血栓形成,纤维组织增生及钙质沉着,并有动脉中层的逐渐蜕变和钙化,病变常累及弹性及大中等肌性动脉,,一旦发展到足以阻塞动脉腔,则该动脉所供应的组织或器官将缺血或坏死。由于在动脉内膜积聚的脂质外观呈黄色粥样,因此称为动脉粥样硬化。,TIA(transient ischemic attack短暂性脑缺血发作 ),stroke缺血性中风。,若处动脉的半径缩小N倍,血液流速就增大N2倍,病灶处的压强大幅度下降,导致该处血管容易塌陷,出现供血困难,如:冠状动脉粥样硬化,
8、angina心绞痛,heart attack心脏病发作,脑部动脉粥样硬化,Atherosclerosis(动脉粥样硬化),例:求 PA 、 PC及等粗细管中的流速,B,D点,A,D点,C,D点,例:在容器中水深为 h ,与此容器相连的型压强计两边水面的高度差这h,在大容器下端接一水平管,此管处的截面积为出口处的面积的两倍,求: 当处用木塞塞住时,压强计中水柱高度 当处用木塞拔去后,压强计中水柱高度,A,A,C点,未拔出C的木塞:,拔出C的木塞:,B,C点,如图所示,大容器底部接一根粗细不均的竖直细管BC,B处横截面积为C处的两倍,B,C间高度差为50cm。容器内水面(理想液体)至出口C处的高度
9、为1.8m。求图中竖直管中水面上升的高度。,A,B,C点,A,C点,一柱形容器,高1m、截面积为5x10-2 m2,储满水,在容器底部有一面积为2x10-4 m2 的水龙头,问使容器中的水流尽需多少时间?,解:,为容器的截面积和液面流速,为水龙头的截面积和流速,在时刻 t ,容器中的水面到龙头的高度 h,一半圆形水箱(半径R)注满水,其底部有一半径 r i的小圆孔向外流水,问水流尽需多少时间?,解:,在时刻 t ,容器中的水面高度y(t),水流速度,dt 时间内容器中的水量减少,dt 时间内从小孔中流出的水量,1. 空吸作用(Suction) 应用:喷雾器,口腔科的吸唾器。,原理:SB VB
10、PB 当取PB P0 时,形成空吸,六、柏努利方程的应用,2. 汾丘里管(Venturi Tube),应用:测量流体流速,其中: VB =0,3. 比托管,通过测量液体的静压强与动压强来流体流速。,一、牛顿粘滞定律 粘滞系数,第二节 实际液体的流动,实际液体具有粘滞性,如果液体流动层次分明为层流 (Laminar flow)。,流体分层流动,相邻两层流体间只作相对滑动,流层间没有横向混杂。,层流:,湍流: (Turbulent flow),当流体流速超过某一数值时,流体不再保持分层流动,而可能向各个方向运动,有垂直于管轴方向的分速度,各流层将混淆起来,并有可能出现涡旋,这种流动状态叫湍流。,流
11、体作湍流时所消耗的能量比层流多,湍流区别于层流的特点之一是它能发出声音。,过渡流动:,介于层流与湍流间的流动状态很不稳定,流体作层流时,各层之间有相对滑动,沿管轴流动速度最大,距轴越远流速越小,在管壁上甘油附着,流速为零。,1. 粘性力(内摩擦力):,相邻两流层之间因流速不同而作相对运动时,在切线方向上存在着的相互作用力。,2. 牛顿粘性定律,若x方向上相距dx的两液层的速度差为dv,则 dv/dx 表示在垂直于流速方向单位距离的液层间的速度差叫做速度梯度,一般不同x处,速度梯度不同,距管轴越远,速度梯度越大,其单位为 1/s 。,实验证明:,F S ,dv/dx,若令,切应力,表示作用在流体
12、层单位面积上的内摩擦力。,:为液体粘滞系数或粘度,牛顿粘滞定律,液体:温度 T ,与温度关系:,单位: SI中为,气体:温度 T ,2.粘性:在外力作用下,流体微元间出现相对运动时, 随之产生阻抗相对运动的内摩擦力,微观机制:分子间吸引力、分子不规则运动的动量交换,牛顿内摩擦定律:,切应力:,z,v,v+dv,v,x,z,dz,y,a.速度梯度的物理意义,角变形速度(剪切变形速度),vdt,(v+dv)dt,dvdt,dz,d,正比于dv/dz,正比于正压力,与速度无关,流体与固体在摩擦规律上完全不同,b.动力粘度(系数):与流体性质有关PaS,运动粘度(系数):m/s,微观机制:,液体吸引力
13、T,气体热运动T,dv/dz,牛顿流体,o,牛顿流体服从牛顿内摩擦定律的流体(水、大部分轻油、气体等),c.牛顿流体与非牛顿流体,0,dv/dz,o,塑性流体,非牛顿流体,塑性流体克服初始应力0后,才与速度梯度成正比(牙膏、新拌水泥砂浆、中等浓度的悬浮液等),dv/dz,o,拟塑性流体,拟塑性流体的增长率随dv/dz的增大而降低(高分子溶液、纸浆、血液等),dv/dz,o,膨胀型流体,膨胀型流体的增长率随dv/dz的增大而增加(淀粉糊、挟沙水流),0,dv/dz,o,膨胀型流体,牛顿流体,拟塑性流体,塑性流体,例:汽缸内壁的直径D=12cm,活塞的直径d=11.96cm,活塞长度L=14cm,
14、活塞往复运动的速度为1m/s,润滑油的 =0.1Pas。求作用在活塞上的粘性力。,解:,注意:面积、速度梯度的取法,d,D,L,例:旋转圆筒粘度计,外筒固定,内筒转速n=10r/min。内外筒间充入实验液体。内筒r1=1.93cm,外筒 r2=2cm,内筒高h=7cm,转轴上扭距M=0.0045Nm。求该实验液体的粘度。,解:,注意:1.面积A的取法; 2.单位统一,h,n,r1,r2,得,3.压缩(膨胀)性,a.压缩系数,在一定温度下,密度的变化率与压强的变化成正比,体积模量(弹性模量),b.膨胀系数,在一定压强下,体积的变化率与温度的变化成正比,遵循牛顿粘性定律的流体叫牛顿流体,匀质液体的
15、粘滞度不随切率的变化而改变,如:水、血浆,不遵循牛顿粘性定律的流体叫非牛顿流体,非匀质液体的粘滞度随着切率的减小而增大,如:血液,Reynolds number,Re 2000 Laminar flow,三、层流与湍流 雷诺数,Re 3000 Turbulent flow,一缕上升的烟雾从稳流变到非稳流,实际情况与温度,气流,流体特性相关,适用条件:,四、泊肃叶公式(Poiseuilles formular),实际液体,层流 等粗水平管中流动情况,2. 定律的推导,(1)速度分布,取与管同轴,半径为 r ,长度为 L 的圆柱行流体元作为研究对象,它所受的压力差为,流体元侧面所受粘性力大小,应有
16、,即,两边取定积分,可见,管轴(r=0)处流速有最大值,管壁(r=r0)处流速有最小值0,流速v沿管径方向呈抛物线分布。,流量,在管中取一与管共轴,内径为 r ,厚度为 dr 的管状流层,,该流层横截面积,通过该流层横截面的流量,通过整个管横截面的流量,泊肃叶公式:流速 v 与面积 s 成正比,泊肃叶公式指不同的水平管之间比较,连续性原理指同一流管的不同粗细位置间比较,泊肃叶公式讨论:,连续性原理:流速 v 与面积 s 成反比,二者结论是否合理?,流阻,血流阻力主要由血管口径和血液粘滞度决定。,阻力血管口径增大时,血流阻力降低,血流量就增多;,机体对循环功能的调节中,就是通过控制各器官阻力血管
17、和口径来调节各器官之间的血流分配的。,当阻力血管口径缩小时,器官血流量就减少。,流阻单位:Pa.s/m3 或 N.S/m5,成年人主动脉的半径约为 1.310-2 m ,问在一段 0.2 m 距离内的流阻 Rf 和压强降落 P 是多少?设血流量为 1.0010-4 m3/s , = 3.010-3 Pas 。,解:,例:图中所示的大容器中盛有粘滞性液体。在容器侧壁同一深度处接有两根水平管A、B,已知A、B两管的半径为0.5cm和1cm,管长分别为10cm 和20cm,求两管中流量之比QA/QB?,由于A,B管在同一高度上,取C和D点,A管两端的压强差:,B管两端的压强差:,A,B管两端的压强差
18、相等,如图所示,粘滞液体经A管流入 后,流过两 等长的B、C支管,再从D管流出。已知A、B、 C、D管的截面积分别为10cm2、5cm2、20cm2、 30cm2,若B管中的液体的平均速度为0.1m/s,则 A管中的流量为 ,平均流速为 。,斯托克斯定律,固体在粘性流体中运动时将受到粘性阻力作用,若物体的运动速度很小,它所受的粘性阻力可以写为,比例系数 k 由物体形状决定。,对于球体,若半径为 R ,则 k = 6 ,, 斯托克斯定律,收尾速度(沉降速度),当半径为 R 、密度为 的小球在粘度为 、密度为 () 的粘性流体中竖直下落时,它所受力,当三力达到平衡时,小球将以匀速度 下落,, 收尾
19、速度 (沉降速度),应用:,在已知 R、 的情况下,只要测得收尾速度便可以求出液体的粘滞系数 。,在已知 、 、 的情况下,只要测得收尾速度便可以求出球体半径 R 。,用高速离心机来增加g的有效值,以加快微小颗粒(比如某些细胞、药物颗粒)在流体中的沉降速度。,在药物剂为混悬液时,常采用增加悬浮介质的粘滞系数、密度和减小药物颗粒的半径等方法来提高药液的稳定性。,大雨点下落快,还是小雨点下落快?,各类血管的功能特点,血管由动脉、毛细血管和静脉组成。 弹性贮器血管 :主动脉和大动脉 分配血管:中动脉 毛细血管前阻力血管:小动脉、微动脉 毛细血管前括约肌 交换血管:真毛细血管 毛细血管后阻力血管:微静
20、脉 容量血管:静脉系统 短路血管:小动脉和小静脉间的吻合支,一、红细胞的轴流现象,第三节 血液的流动(Flow of blood),人类红血球形态简图。a. 从顶面上观察;b. 从侧面观察,多个红血球堆积在一起,形成钱串状;c. 在水中吸水胀大;d. 在盐溶液中失水萎缩。,在大血管中,有时红血球可以以扁平的侧面互相堆积在一起,形成钱串状(红细胞压积)。当特定血清蛋白含量提高时(如炎症反应时),这一堆积情况发生的几率会增大。,二、循环系统中血流速度的变化,三、循环系统中血压的变化及其测量,三、循环系统中血压的变化及其测量,(1) 血液充盈程度 (2) 心室射血(势能和血流的动能) (3)血液遇到
21、的阻力,血压的形成(blood pressure),主动脉和大动脉的弹性贮器作用缓冲作用和连续的血流,3.全部血液循环系统的血压变化曲线,由于血液是粘性流体,故血压在体循环过程中是不断下降的。,血压的高低与流量、流阻及血管的柔软程度有关。,由于心脏的收缩与舒张,动脉中的压强发生变化,动脉中血压的最大值为心缩压,最小值为舒张压 血压单位单位转换,血压的测量,1 mmHg =0.13328 KPa 1 Kpa = 7.5 mmHg 如:80 mmHg =10.64 Kpa 120 mmHg =16 Kpa,血压是指血管内的血液对于单位面积血管壁的侧压力,也即压强。,我们测血压时测的是肱动脉血压。右
22、手肱动脉来自于头臂干的分支,左手肱动脉来自左锁骨下动脉。,一般情况下人的右手血压比左手会高1020mmHg。,头臂干和左锁骨下动脉都来自于主动脉,而头臂干是主动脉的较大的分支(R小),左锁骨下动脉分支较小(R大),所以右边血压自然比较高些。,影响动脉血压的因素,心输出量,外周阻力,循环系统的血液充盈程度,主动脉的弹性贮器作用,脉压= 收缩压 - 舒张压; 平均动脉压= 舒张压 +1/3脉压,重力对血液流动的影响,静脉有较大的可扩张性; 静脉充盈受跨壁压的影响; 重力对静脉血压的影响大;,重力对血液流动的影响,Pc:心脏血压,加速运动对血压的影响,Pp = Pc + r(g+a)hc,令 PCV
23、N = Pc - r g (hcv hC) 若 a=0,Pcv:脑部血压,人脑能承受多大的加速度?,则 PCV = PCVN - r a (hcv hC),g, a反向,若正向(a0), 超重, PCV PCVN 脑部失血,若负向(a PCVN 脑部瘀血,加速度对生理的影响,超重,失重,低频(次声波)振荡,正向加速度,心血管系統(下肢瘀血,视觉和知觉丧失)、呼吸系统,负向加速度,横向加速度,心血管系统、肌肉骨骼系统、体液平衡、前庭器官、适应能力,正向加速下的生理效应,+2g,感觉压力增加,+3g+4g,站立困难,+5g,身体无法运动,呼吸将停止,+5g+9g,视觉消失,脚抽筋,大部身体失去知觉
24、,若 a= 2 3 g, 由于脑部血管负压过大,可能会产生局部毛细血管受压后变形,形成塌陷 ,导致人昏倒.,负向加速下的生理效应,主要起因为身体上半部瘀血,-3g-5g,心脏不完全收缩,眼内出血(红视),鼻出血,横向加速下的生理效应,心血管系统,6g,胸部不可能呼吸,前庭器官,长时间,头晕,呕吐,出现错觉,10g,腹部不可能呼吸,呼吸系统,头部支撑良好,能忍受到17g,支撑不良,颈部严重损伤,心脏作功,整个循环系统由体循环和肺循环两部分组成。计算心脏作功有两种方法:,心脏作功等于左、右两心室作功之和。,心脏作功等于血液流经心脏前后的能量变化。,了解,进入心脏时的血流速度和血压都很小,可视为零,
25、并忽略血液进出心脏时的高度变化,则有,可得:,同理:,故测出主动脉血压及血液流速,就可求出心脏作功多少,从而了解心功能的情况。,PL代表血液离开左心室时的平均压强(即主动脉平均血压), PR则代表肺动脉平均血压。,血液在循环系统中的流动,一、血液的组成及特性,1、组成,血液是非牛顿流体,其粘度不是常数。,了解,红血球、血小板和白血球。,血浆本身是无色的,而红血球则可以根据血红素状态的不同而呈现不同的颜色:结合氧气分子时,处于氧化态的血红素分子显鲜红色;而当氧气分子被释放后,处于去氧化态的血红素显暗红色,,2、特性, 具有屈服应力:,只有当切应力超过某一数值后,才发生流动,低于这一数值则不发生流动。,能够引起流体发生流动的最低切应力值叫屈服应力或致流应力。, 具有粘弹性, 具有触变性,1红细胞比容是决定血液粘滞度的最重要的因素。
温馨提示
- 1. 本站所有资源如无特殊说明,都需要本地电脑安装OFFICE2007和PDF阅读器。图纸软件为CAD,CAXA,PROE,UG,SolidWorks等.压缩文件请下载最新的WinRAR软件解压。
- 2. 本站的文档不包含任何第三方提供的附件图纸等,如果需要附件,请联系上传者。文件的所有权益归上传用户所有。
- 3. 本站RAR压缩包中若带图纸,网页内容里面会有图纸预览,若没有图纸预览就没有图纸。
- 4. 未经权益所有人同意不得将文件中的内容挪作商业或盈利用途。
- 5. 人人文库网仅提供信息存储空间,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对用户上传分享的文档内容本身不做任何修改或编辑,并不能对任何下载内容负责。
- 6. 下载文件中如有侵权或不适当内容,请与我们联系,我们立即纠正。
- 7. 本站不保证下载资源的准确性、安全性和完整性, 同时也不承担用户因使用这些下载资源对自己和他人造成任何形式的伤害或损失。
最新文档
- 2025年卫生行政管理岗位能力考核试题及答案
- 2025年酒店管理专业基础知识考试试题及答案
- 2025年插画设计专业毕业考试题及答案
- 2025年发展的心理学视角与教育策略的考试卷及答案
- 物资公司钢材管理制度
- 特殊学生学习管理制度
- 特种作业制度管理制度
- 特色课程安排管理制度
- 特药安全经营管理制度
- 独立老师设备管理制度
- 机器人协同控制系统-深度研究
- 2025年1月国家开放大学行管本科《城市管理学》期末纸质考试试题及答案
- 财务会计实务 课件 053第五章第三讲 其他债权投资
- 《企业国有资产法》考试题库及答案
- 新时代中小学教师职业行为十项准则课件
- DB33T 2320-2021 工业集聚区社区化管理和服务规范
- 突发事件应急预案管理办法
- 骨与关节感染 邱贵兴-教学课件幻灯
- 校园开展安全生产课件
- 金匮要略知到智慧树章节测试课后答案2024年秋浙江中医药大学
- 02565+24273中医药学概论
评论
0/150
提交评论