流体力学第二刘鹤主编绪论PPT学习教案

1、会计学1 流体力学第二刘鹤主编绪论流体力学第二刘鹤主编绪论 第1页/共37页 第2页/共37页 n 流体力学在土木工程中的应用流体力学在土木工程中的应用 水利工程水利工程 江河海堤坝江河海堤坝 水库大坝水库大坝 水力电站水力电站 桥梁、涵洞、倒桥梁、涵洞、倒 虹吸管虹吸管 n水利、建筑、路桥工程水利、建筑、路桥工程 基坑排水基坑排水 地基抗渗稳定处理地基抗渗稳定处理 围堰新建围堰新建 n给水排水工程、环境工程给水排水工程、环境工程 取水取水 水处理水处理 输配水输配水 n路桥工程路桥工程 排水排水 地表水截水沟、边沟、排水沟、急流槽、跌水等地表水截水沟、边沟、排水沟、急流槽、跌水等 消能措施消

2、能措施 地下水渗水暗沟、盲沟地下水渗水暗沟、盲沟 跨越河流、沟渠跨越河流、沟渠 桥梁、涵洞、倒虹吸管、透水路堤桥梁、涵洞、倒虹吸管、透水路堤 第3页/共37页 第一章第一章 绪绪 论论 学习要求：学习要求： 1 1、了解流体的主要物理力学性质，理解易流动特、了解流体的主要物理力学性质，理解易流动特 性和粘滞性，掌握牛顿内摩擦定律。性和粘滞性，掌握牛顿内摩擦定律。 2 2、理解质量力和表面力，掌握其表示方法。、理解质量力和表面力，掌握其表示方法。 3 3、理解连续介质（质点的概念）、粘性流体、理、理解连续介质（质点的概念）、粘性流体、理 想流体、不可压缩流体、可压缩流体。想流体、不可压缩流体、可

3、压缩流体。 4 4、知道流体的研究方法。、知道流体的研究方法。 第4页/共37页 第5页/共37页 第6页/共37页 第7页/共37页 第8页/共37页 流体力学与相关的邻近学科相互渗透，形成很多新 分支和交叉学科 第9页/共37页 1-1 1-1 流体力学的任务及研究对象流体力学的任务及研究对象 液体与气体统称为流体。液体与气体统称为流体。 本书主要研究以水为代表的流体的宏观运动和平本书主要研究以水为代表的流体的宏观运动和平 衡规律及其应用。衡规律及其应用。 流体的基本特征：易流动、不易压缩、均匀等向的连续体。流体的基本特征：易流动、不易压缩、均匀等向的连续体。 各点性质相同 同一点上各方向

4、性质相同 自然界物质的三种状态：固体、液体和气体自然界物质的三种状态：固体、液体和气体 第10页/共37页 第11页/共37页 1-2 1-2 连续介质假定（宏观上）连续介质假定（宏观上） 假定流体所占据的空间完全由流体质点所充满而假定流体所占据的空间完全由流体质点所充满而 没有任何空隙的连续体。没有任何空隙的连续体。 优点：优点： 避免了流体分子运动的复杂性，只需研究流体的宏观运动避免了流体分子运动的复杂性，只需研究流体的宏观运动 可以利用数学工具来研究流体的平衡与运动规律可以利用数学工具来研究流体的平衡与运动规律 第12页/共37页 1-2 1-2 流体力学的研究方法流体力学的研究方法 1

5、 1 理论分析法理论分析法 2 2 科学实验法科学实验法 3 3 数值计算数值计算法法 建立力学模型建立力学模型 建立数学方程建立数学方程 求解方程求解方程 实验验证实验验证 原型观测原型观测 模型试验模型试验 系统试验系统试验 研究方法研究方法 有限差分法有限差分法 有限元法有限元法 边界元法等边界元法等 第13页/共37页 第14页/共37页 进而可以导出液体平衡或运动进而可以导出液体平衡或运动 状态下的基本关系式。状态下的基本关系式。 第15页/共37页 面力面力 第16页/共37页 第17页/共37页 1-2 1-2 流体的主要物理力学性质流体的主要物理力学性质 量纲量纲物理量的种类。

6、如：长度、时间、质量等。物理量的种类。如：长度、时间、质量等。 一、易流动一、易流动 性性 单位单位 量度物理量的基准。量度物理量的基准。 量纲分为基本量纲和导出量纲量纲分为基本量纲和导出量纲 流体在静止时不能承受切应力和不能抵抗剪切变流体在静止时不能承受切应力和不能抵抗剪切变 形的性质称为流体的易流动性。形的性质称为流体的易流动性。 第18页/共37页 二、惯性（质量和密度）二、惯性（质量和密度） 惯性惯性 物体保持原有运动状态的特性。物体保持原有运动状态的特性。 惯性的大小以质量来度量。惯性的大小以质量来度量。 密度密度 单位体积流体所具有的质量，用符号单位体积流体所具有的质量，用符号表示

7、。表示。 密度的国际单位为：密度的国际单位为：kg/m3。 物体中所含物质数量，称为质量。物体中所含物质数量，称为质量。 对于液体，一般情况下，压强和温度对对于液体，一般情况下，压强和温度对的影响极小。的影响极小。 惯性力惯性力 由流体惯性引起的对外界抵抗的反作用力。由流体惯性引起的对外界抵抗的反作用力。 F = Ma 通常取水的密度为：通常取水的密度为：1000kg/m3。 第19页/共37页 三、重力特性（重量和容重）三、重力特性（重量和容重） 容重容重 单位体积液体所具有的重量，用符号单位体积液体所具有的重量，用符号 表示。表示。 容重的国际单位为：容重的国际单位为：N/m3或或kN/m

8、3。 G = Mg 液体受地球引力的性质，称为重力特性。液体受地球引力的性质，称为重力特性。 式中：式中：g 重力加速度，一般取重力加速度，一般取 g = 9.8 m/s2。 = g 水的容重为：水的容重为：9.8103N/m3或或 9.8kN/m3。 第20页/共37页 四、粘滞性四、粘滞性 运动的流体具有一定的阻抗剪切变形的能力，这种运动的流体具有一定的阻抗剪切变形的能力，这种 特性称为液体的特性称为液体的粘性和粘滞性粘性和粘滞性。 由于流体中存在粘滞性，运动流体需要克服内摩擦由于流体中存在粘滞性，运动流体需要克服内摩擦 力作功，因此它是流体在流动中产生能量损失的主要力作功，因此它是流体在

9、流动中产生能量损失的主要 原因。原因。 静止时，流体没有抵抗剪切变形的能力，即流体具静止时，流体没有抵抗剪切变形的能力，即流体具 有易流动性。有易流动性。 此处的内摩擦力就是粘滞力 第21页/共37页 粘性对流体运动的影响：粘性对流体运动的影响： 粘滞力：粘滞力： dy du 式中：式中： 单位面积上的内摩擦力，称为内摩擦切应力单位面积上的内摩擦力，称为内摩擦切应力 动力粘滞系数，单位为：帕斯卡动力粘滞系数，单位为：帕斯卡秒秒 dy du 流速梯度，即流速沿流速梯度，即流速沿y方向的变化率方向的变化率 牛顿内摩擦定律牛顿内摩擦定律 令：令：称为运动粘度称为运动粘度 第22页/共37页 对牛顿内

10、摩擦定理的几点说明：对牛顿内摩擦定理的几点说明： dy du 1. 1. 液体：温度越高，粘度越小；气体刚好相反；液体：温度越高，粘度越小；气体刚好相反； 物理意义：剪切变形速度； 粘度与压强和温度相关 2. 2. 上式不是对所有的液体都适用，仅适用于牛顿流体；上式不是对所有的液体都适用，仅适用于牛顿流体； 3. 3. 牛顿流体：在温度不变的条件下，粘度值不变的流体；凡是牛顿流体：在温度不变的条件下，粘度值不变的流体；凡是 满足上式关系的流体都是牛顿流体；满足上式关系的流体都是牛顿流体； 4. 4. 水、空气、油类和水银等流体在一般温度下都是牛顿流体。水、空气、油类和水银等流体在一般温度下都是

11、牛顿流体。 假设假设 没有粘性的液体（粘度没有粘性的液体（粘度 为为0 0），成为理想液体。实际中不），成为理想液体。实际中不 存在理想液体，都是有粘性的。存在理想液体，都是有粘性的。 第23页/共37页 表表1-1 1-1 水的黏度与温度的关系水的黏度与温度的关系 第24页/共37页 表表1-2 1-2 空气的黏度与温度的关系空气的黏度与温度的关系 第25页/共37页 y u d d 004. 0 25. 0 105 . 0 2 0 d d 3 u y u 第26页/共37页 第27页/共37页 五、压缩性和膨胀性五、压缩性和膨胀性 压缩性压缩性 流体受压、体积缩小、密度增大的性质。流体受压

12、、体积缩小、密度增大的性质。 解除解除外力后又能恢复原状的特性，称为弹性。外力后又能恢复原状的特性，称为弹性。 液体的压缩性和弹性，常用压缩系数液体的压缩性和弹性，常用压缩系数 和弹性系数和弹性系数 K来度来度 量。量。 1 dV V dV V dp dp K 式中：式中：p 外加压强外加压强 压缩系数压缩系数 (m2/s) ) K 体积弹性模量体积弹性模量 (Pa) ) 越大，液体越易压缩。越大，液体越易压缩。 膨胀性膨胀性 流体受热、体积膨胀、密度减小的性质。流体受热、体积膨胀、密度减小的性质。 第28页/共37页 1 dV V d dpdp 液体的热膨胀性用热膨胀系数表示。表示在一液体的

13、热膨胀性用热膨胀系数表示。表示在一 定的压强下，温度升高一度，密度的相对减小率。定的压强下，温度升高一度，密度的相对减小率。 若液体的原体积为若液体的原体积为V，温度增加，温度增加dT后，体积增加后，体积增加dV ，热膨胀系数为：，热膨胀系数为： 11 V dVd VdTdT 第29页/共37页 第30页/共37页 pRT 第31页/共37页 第32页/共37页 六、表面张力特性六、表面张力特性 当液体与其它流体或固体接触时，在分界面上都产生表面张力， 出现一些特殊现象，例如空气中的雨滴呈球状，液体的自由表 面好像一个被拉紧了的弹性薄膜等。 表面张力的形成主要取决于分界面液体分子间的吸引力，也称 为内聚力。 液体在表面张力作用下具有尽量缩小其表面的趋势。液体在表面张力作用下具有尽量缩小其表面的趋势。 表面张力的大小，用表面张力系数表面张力的大小，用表面张力系数 度量。度量。 单位长度的表面张力，称为表面张力系数，单位为：单位长度的表面张力，称为表面张力系数，单位为：N/m。 表面张力系数表面张力系数 随液体种类和温度而变化。随液体种类和温度而变化。 表面张力是液体的特有性质。表面张力是液体的特有性质。 第33页/共37页 液体在细管中能上升或下降的现象