《B基础篇》ppt课件

1、Fluid Mechanics and Machinery流体力学与流体机械流体力学与流体机械B1. 流体及其物理性质流体及其物理性质基基 础础 篇篇B1. 流体及物理性质流体及物理性质B2. 流动分析根底流动分析根底 B3. 微分方式的根本方程微分方式的根本方程B4. 积分方式的根本方程积分方式的根本方程B5. 量纲分析与类似原理量纲分析与类似原理Fluid Mechanics and Machinery流体力学与流体机械流体力学与流体机械B1. 流体及其物理性质流体及其物理性质 本篇的首要目的是从力学的角度建立对流体的认识本篇的首要目的是从力学的角度建立对流体的认识: : 第二个目的是从物

2、理学根本定律出发建立流体运动第二个目的是从物理学根本定律出发建立流体运动和力能量的定量关系，这些物理定律包括：和力能量的定量关系，这些物理定律包括：输运特性如粘性等输运特性如粘性等运动学特性如平移、旋转和变形规律等运动学特性如平移、旋转和变形规律等热力学特性如密度、可紧缩性、形状方程等热力学特性如密度、可紧缩性、形状方程等) )其他特性如流态等其他特性如流态等质量守恒定律质量守恒定律动量守恒定律动量守恒定律能量守恒定律等能量守恒定律等Fluid Mechanics and Machinery流体力学与流体机械流体力学与流体机械B1. 流体及其物理性质流体及其物理性质 流体、运动和力能量是构成流

3、膂力学的三流体、运动和力能量是构成流膂力学的三个根本要素，本篇将围绕这三个要素从定性和定量个根本要素，本篇将围绕这三个要素从定性和定量两个方面引见流膂力学的根本概念、根本定理和根两个方面引见流膂力学的根本概念、根本定理和根本方法。本方法。 分析运动与力分析运动与力( (能量能量) )的定量关系的方法：的定量关系的方法：实际分析法实际分析法实验方法实验方法数值方法不是本教程的重点数值方法不是本教程的重点Fluid Mechanics and Machinery流体力学与流体机械流体力学与流体机械B1. 流体及其物理性质流体及其物理性质B1.1.1 B1.1.1 流体的微观和宏观特性流体的微观和宏

4、观特性 流体分子微观运动流体分子微观运动 本身热运动本身热运动 流体团宏观运动流体团宏观运动 外力引起外力引起 统计平均值统计平均值流体团分子速度的统计平均值曲线流体团分子速度的统计平均值曲线Fluid Mechanics and Machinery流体力学与流体机械流体力学与流体机械B1. 流体及其物理性质流体及其物理性质B1.1.2 B1.1.2 流体质点概念流体质点概念 为了符合数学分析的需求，引入流体质点模型为了符合数学分析的需求，引入流体质点模型B1. 流体及其物理性质流体及其物理性质 描画流体微团的旋转和变形引入流体质元流体元模型：描画流体微团的旋转和变形引入流体质元流体元模型：(

5、2) (2) 将周围临界体积范围内的分子平均特性赋于质点。将周围临界体积范围内的分子平均特性赋于质点。(1)(1)流体元由大量流体质点构成的微小单元流体元由大量流体质点构成的微小单元xx，yy，zz； (2)由流体质点相对运动构成流体元的旋转和变形运动。由流体质点相对运动构成流体元的旋转和变形运动。 (1) (1)流体质点无线尺度，无热运动，只在外力作用下作宏流体质点无线尺度，无热运动，只在外力作用下作宏观平移运动观平移运动; ; VV lim)(微团VV0lim)(质点Fluid Mechanics and Machinery流体力学与流体机械流体力学与流体机械B1. 流体及其物理性质流体及

6、其物理性质 延续介质模型 把流体视为由无数个流体微团或流体质点所组成，这些流体微团严密接触，彼此没有间隙，其物理性质和运动要素都是延续分布的。 延续介质假说L1L2L3密密度度密度部分值分子运动尺度L1微团尺度L2宏团尺度L3流体微团或流体质点 宏观上足够小，以致于可以将其看成一个几何上没有维度的点；同时微观上足够大，里面包含着许许多多分子，其行为曾经表现出大量分子的统计学性质。L1L2L310-1210-6101Fluid Mechanics and Machinery流体力学与流体机械流体力学与流体机械B1. 流体及其物理性质流体及其物理性质B1.1.3 B1.1.3 延续介质假设延续介质

7、假设 延续介质假设模型是对物质分子构造的宏观数学笼统，延续介质假设模型是对物质分子构造的宏观数学笼统，就象几何学是自然图形的笼一致样。就象几何学是自然图形的笼一致样。(1)(1)可用延续性函数可用延续性函数B(x,y,z,t)B(x,y,z,t)描画流体质点物理量的空间描画流体质点物理量的空间分布和时间变化；分布和时间变化；(2)(2)由物理学根本定律建立流体运动微分或积分方程，由物理学根本定律建立流体运动微分或积分方程，并用延续函数实际求解方程。并用延续函数实际求解方程。 除了稀薄气体与激波的绝大多数工程问题，均可用延续介质模型作实际分析。延续介质假设：假设流体是由延续分布的流体质点组成的介

8、质。延续介质假设：假设流体是由延续分布的流体质点组成的介质。Fluid Mechanics and Machinery流体力学与流体机械流体力学与流体机械B1. 流体及其物理性质流体及其物理性质 流体的易变形性表如今：流体的易变形性表如今：B1.2 B1.2 流体的易变形性流体的易变形性 流体的力学定义：流体不能抵抗任何剪切力作用下的剪切变形趋势。流体的力学定义：流体不能抵抗任何剪切力作用下的剪切变形趋势。 在剪切力继续作用下，流体能产生恣意大的变形；在剪切力继续作用下，流体能产生恣意大的变形； 在剪切力停顿作用时，流体不作任何恢复变形；在剪切力停顿作用时，流体不作任何恢复变形； 恣意搅拌的均

9、质流体，不影响其宏观物理性质；恣意搅拌的均质流体，不影响其宏观物理性质； 在流体内部压强可向任何方向传送；在流体内部压强可向任何方向传送； 粘性流体在固体壁面满足不滑移条件；粘性流体在固体壁面满足不滑移条件；Fluid Mechanics and Machinery流体力学与流体机械流体力学与流体机械B1. 流体及其物理性质流体及其物理性质B1.3 流体的粘性流体的粘性B1.3.1 B1.3.1 流体粘性的表现流体粘性的表现1. 1. 流体内摩擦概念流体内摩擦概念 牛顿在牛顿在(1687)中指出：中指出： 相邻两层流体作相对运动时存在内摩擦作用相邻两层流体作相对运动时存在内摩擦作用,称为粘性力

10、。称为粘性力。 库仑实验库仑实验(1784)(1784)库仑用液体内悬吊圆盘摆动实验证明流体存在内摩擦。库仑用液体内悬吊圆盘摆动实验证明流体存在内摩擦。 Fluid Mechanics and Machinery流体力学与流体机械流体力学与流体机械B1. 流体及其物理性质流体及其物理性质流体的粘性 流体内部质点间或流层间因相对运动而产生内摩擦力以对抗相对运动的性质。 粘性是流体阻止发生剪切变形和角变形的一种特性。 当流体处于静止或各部分之间相对速度为零时，流体的粘性就表现不出来，其内摩擦力也就等于零。Fluid Mechanics and Machinery流体力学与流体机械流体力学与流体机械

11、B1. 流体及其物理性质流体及其物理性质 流体粘性构成缘由流体粘性构成缘由: :(1)(1)两层液体之间的粘性力主要由分子内聚力构成两层液体之间的粘性力主要由分子内聚力构成(2)(2)两层气体之间的粘性力主要由分子动量交换构成两层气体之间的粘性力主要由分子动量交换构成液体液体气体气体Fluid Mechanics and Machinery流体力学与流体机械流体力学与流体机械B1. 流体及其物理性质流体及其物理性质2. 2. 壁面不滑移假设壁面不滑移假设由于流体的易变形性，流体由于流体的易变形性，流体与固壁可实现分子量级的粘与固壁可实现分子量级的粘附作用。经过分子内聚力使附作用。经过分子内聚力

12、使粘附在固壁上的流体质点与粘附在固壁上的流体质点与固壁一同运动。固壁一同运动。B1.3.1 流体的粘性流体的粘性 壁面不滑移假设已获得大量实验证明，被壁面不滑移假设已获得大量实验证明，被称为壁面不滑移条件。称为壁面不滑移条件。Fluid Mechanics and Machinery流体力学与流体机械流体力学与流体机械B1. 流体及其物理性质流体及其物理性质景象：a.速度分布不均匀； b.变形-有相对运动； c.作用力。B1.3.2 牛顿粘性定律牛顿粘性定律/牛顿内摩擦定律牛顿内摩擦定律Fluid Mechanics and Machinery流体力学与流体机械流体力学与流体机械B1. 流体及

13、其物理性质流体及其物理性质实验证明内摩擦力 T 的大小： 与压力大小无关。 与流层的接触面积与流层的接触面积A A成正比；成正比；/du dy 与速度梯度 成正比； 与流体的种类有关；与流体的种类有关；NduduTATAdydy或2N/mPaTduAdy 或 即即Fluid Mechanics and Machinery流体力学与流体机械流体力学与流体机械B1. 流体及其物理性质流体及其物理性质 表示速度沿垂直于速度方向y的变化率，单位为 s-1。速度梯度即角变形速度剪切变形速度速度梯度即角变形速度剪切变形速度 速度梯度/dudydydudtdyudtdtduutgdd)(dtddydudtd

14、dydudFluid Mechanics and Machinery流体力学与流体机械流体力学与流体机械B1. 流体及其物理性质流体及其物理性质B1.3.2 牛顿流体粘性定律牛顿流体粘性定律/线形本构关系线形本构关系粘性切应力与速度梯度成正比；粘性切应力与速度梯度成正比；粘性切应力与角变形速率成正比；粘性切应力与角变形速率成正比；比例系数称动力粘度，简称粘度。比例系数称动力粘度，简称粘度。yudddyduG与固体的虎克定律作对比：与固体的虎克定律作对比：其中其中u u是速度是速度其中其中 u u是位移是位移本构关系描画应力和应变之间的函数关系本构关系描画应力和应变之间的函数关系Fluid Me

15、chanics and Machinery流体力学与流体机械流体力学与流体机械B1. 流体及其物理性质流体及其物理性质例例B1.3.2圆管过流断面上的流速分布公式圆管过流断面上的流速分布公式 2242rRRQu抛物线方程抛物线方程drdurRQdrdu44rRQ44线性分布线性分布044404034rRrwrRQRQrRQ)r(u)r(0rRFluid Mechanics and Machinery流体力学与流体机械流体力学与流体机械B1. 流体及其物理性质流体及其物理性质B1.3.3 粘度粘度1.1.动力粘度动力粘度/ /动力粘滞系数动力粘滞系数/ /动力粘性系数动力粘性系数 粘度的单位是粘

16、度的单位是PaPas(s(帕秒或帕秒或 kg/m kg/ms s psPa01. 01013 pspa00018. 0108 . 15 水：水：空气：空气： 常温常压下，水和空气的粘度系数分别为常温常压下，水和空气的粘度系数分别为 空气水6 .55 粘度的单位泊是粘度的单位泊是0.1Pa0.1Pas(s(帕秒或帕秒或 1Pa 1Pas=10P s=10P Fluid Mechanics and Machinery流体力学与流体机械流体力学与流体机械B1. 流体及其物理性质流体及其物理性质B1.3.3 粘度粘度2.2.运动粘度运动粘度 / /运动粘性系数运动粘性系数 常温常压下，水和空气的粘度系

17、数分别为常温常压下，水和空气的粘度系数分别为 水空气15 运动粘度的单位是运动粘度的单位是s/m2scmsm/01. 0/101226 scmsm/15. 0/1015225 水：水：空气：空气： 衡量流体的流动性。常用单位为 ，称为斯托克斯St。 2cm/sFluid Mechanics and Machinery流体力学与流体机械流体力学与流体机械B1. 流体及其物理性质流体及其物理性质 取决于流体种类，其大小反映流体粘性的大小。20时流体流体 / Pas / m2/s / kg/m3原油7210-48.410-6856甘油1490010-411.8410-41258水10.0210-41

18、.00310-6998空气1.8110-51.510-51.205Fluid Mechanics and Machinery流体力学与流体机械流体力学与流体机械B1. 流体及其物理性质流体及其物理性质粘性系数的变化温度温度/水水空气空气 103/Pas106/ m2/s 105/Pas105/ m2/s01.7811.7851.711.32101.3071.3061.761.41201.0021.0011.811.50300.7980.8001.861.60400.6530.6581.901.682/30)273(110110273TT 空气20T27374(6T27384941ln).水水F

19、luid Mechanics and Machinery流体力学与流体机械流体力学与流体机械B1. 流体及其物理性质流体及其物理性质压强对压强对 的影响不大。的影响不大。 与与 有关，对可紧缩流体有关，对可紧缩流体 与压力亲密相关。与压力亲密相关。液体：液体： T 气体：气体：T Fluid Mechanics and Machinery流体力学与流体机械流体力学与流体机械B1. 流体及其物理性质流体及其物理性质流体的密度和容重33(kg/m ) ;(N/m )mGVV均质流体：3300lim(kg/m ) ;lim(N/m )VVmGVV非均质流体：g vdVzyxM),(密度密度densi

20、tydensity的单位为千克每立方米的单位为千克每立方米kg/m3kg/m3。 常用流体的密度：常用流体的密度： 4oC 4oC时水的密度时水的密度 水水=1000kg/m3=1000kg/m3； 常温下水银的密度常温下水银的密度 汞汞=00kg/m3=00kg/m3。 体积为体积为V、质量为、质量为 m空气空气= 1.2 = 1.2 kg/m3 kg/m3 B1.4 流体的其他物理性质流体的其他物理性质Fluid Mechanics and Machinery流体力学与流体机械流体力学与流体机械B1. 流体及其物理性质流体及其物理性质流体的紧缩性和膨胀性VV-Vpp+p 流体能接受压力，当

21、作用在流体上的压强 p 添加时，流体的体积 V 减小，这种特性称为流体的紧缩性。体积紧缩系数dpV/dVp压力增量压力增量体积的相对压缩体积的相对压缩质量守恒 m=V Vd+ dV=0)N/m(dpddpdVVp211VdpdVVdVdppp1VdVd密度的相对添加体积的相对紧缩Fluid Mechanics and Machinery流体力学与流体机械流体力学与流体机械B1. 流体及其物理性质流体及其物理性质体积弹性模量)m/N(/ddpV/dVdpEKp21体体积积的的相相对对压压缩缩压压力力增增量量空气的体积模量空气的体积模量 E空气空气=1.4105N/m2 = 140kPa一个大气压

22、的量级近似105Pa495105010210.Edpd体体积积模模量量压压力力增增量量密密度度相相对对变变化化水的体积模量 E水=2109N/m2 = 2GPa ，dVdpVpddpEK水可作为不可紧缩流体=constVdVEdEdp)/(x/x2mNddpE长度的相对拉伸应力增量Fluid Mechanics and Machinery流体力学与流体机械流体力学与流体机械B1. 流体及其物理性质流体及其物理性质温度膨胀系数)K(T/T/1dddVdVt温温度度增增量量体体积积的的相相对对膨膨胀胀V+VVTT+T温度升高，体积膨胀，这种特性称为流体的膨胀性。)(ddddVVt1KT1T1TTd

23、ddVdVttFluid Mechanics and Machinery流体力学与流体机械流体力学与流体机械B1. 流体及其物理性质流体及其物理性质)N/m(dpddpdVV)p(p211VdpdVVdVdppp1)(ddddVV)T(t1KT1T1TTdddVdVttTdVdpVdVtp?dVdpVVVTTtppp2121T12)()V()()V(VVtp121212TTpp均均均均Fluid Mechanics and Machinery流体力学与流体机械流体力学与流体机械B1. 流体及其物理性质流体及其物理性质水的可紧缩性水的可紧缩性30/1030mkg静水压强与水深的关系静水压强与水深

24、的关系例例B1.4.1)(10008 . 910500Pahghphpp)(100010010010kPapk130007070pp10010100ppppk在在10km的海深处，压强添加了的海深处，压强添加了1000倍倍07/107/100042. 1) 131() 13000(pp密度添加了密度添加了4%)(101000kPahhppFluid Mechanics and Machinery流体力学与流体机械流体力学与流体机械B1. 流体及其物理性质流体及其物理性质510 Pap 910/Pap4.900.5390.5379.810.53119.610.52339.230.51578.45

25、0时水的紧缩系数Fluid Mechanics and Machinery流体力学与流体机械流体力学与流体机械B1. 流体及其物理性质流体及其物理性质u流体的粘滞性是流体在运动形状下抵抗剪切变形的才干；流体的粘滞性是流体在运动形状下抵抗剪切变形的才干；u牛顿流体服从牛顿内摩擦定律，即牛顿流体服从牛顿内摩擦定律，即 ；u流体的速度梯度即流体的速度梯度即? ?角变形速度剪切变形速度；角变形速度剪切变形速度；u液体的粘滞系数随温度升高而减小，气体的粘滞系数随温液体的粘滞系数随温度升高而减小，气体的粘滞系数随温度升高而增大；度升高而增大；u理想流体是不思索粘滞性作用的流体。理想流体是不思索粘滞性作用的

26、流体。dudy流体的粘性总结Fluid Mechanics and Machinery流体力学与流体机械流体力学与流体机械B1. 流体及其物理性质流体及其物理性质UdyduULdLdAF力矩M剪应力速度u602602nddnrU2160dndLdFrMLdA602 n例 题知：. mmmr/min,.mm.N mLdnM0 51504000 2510 89，求： 光滑油的动力粘滞系数。.Pa s.MdnL33232120120 10 89 0 25 100 0490 153 14400 0 5Fluid Mechanics and Machinery流体力学与流体机械流体力学与流体机械B1.

27、流体及其物理性质流体及其物理性质B1.4.2 外表张力surface tension 由于分子间的吸引力，在液体的自在外表可以接受极其微小的拉力。 外表张力不仅产生在液体与气体接触的周界面上，而且产生在液体与固体例汞和玻璃接触的外表上，或一种液体与另一种液体汞和水的接触面上。 )m/(N长度长度表面切线方向的拉力表面切线方向的拉力表面张力表面张力水与空气=0.0728N/m水银与空气 =0.484N/m秋波荡漾梨花雨，春风微拂涟漪动秋波荡漾梨花雨，春风微拂涟漪动一弯湖水吹弹皱，惊涛拍岸浪穿空一弯湖水吹弹皱，惊涛拍岸浪穿空 Fluid Mechanics and Machinery流体力学与流体

28、机械流体力学与流体机械B1. 流体及其物理性质流体及其物理性质第二节第二节 流膂力学的属性流膂力学的属性B1.4.2 外表张力外表张力外表张力通常是指液体外表张力通常是指液体 与气体交界面上的张应力与气体交界面上的张应力2. 2. 外表张力景象：外表张力景象： 洗洁剂洗洁剂 毛细景象毛细景象 微重力环境行为微重力环境行为 肥皂泡肥皂泡Rp2)11(21RRppRR22Fluid Mechanics and Machinery流体力学与流体机械流体力学与流体机械B1. 流体及其物理性质流体及其物理性质15hr5.07hr水20： 水银： h水银h2r水液液柱柱重重垂垂直直方方向向合合张张力力24

29、12dhcosrcos2hrcoskrkrcosh22其中其中26-m1015980000.072822coscosk水水h、r 都用 mm 计算毛细景象毛细景象capillarity)垂直方向合力？垂直方向合力？=液柱重液柱重cos4dkFluid Mechanics and Machinery流体力学与流体机械流体力学与流体机械B1. 流体及其物理性质流体及其物理性质理想流体/无粘流体理想流体：假想理想流体：假想: :完全没有粘性的流体完全没有粘性的流体=0=0。 粘性流体粘性流体( (实践流体实践流体) ) ：一切流体都是粘性流体：一切流体都是粘性流体 00 。 引入理想流体概念可以大大

30、简化问题引入理想流体概念可以大大简化问题!B1.5 流体模型分类流体模型分类Fluid Mechanics and Machinery流体力学与流体机械流体力学与流体机械B1. 流体及其物理性质流体及其物理性质牛顿流体与非牛顿流体牛顿流体与非牛顿流体非牛顿流体非牛顿流体: : 与与 du/dy du/dy 不成线性关系的流体，不遵守牛顿内摩不成线性关系的流体，不遵守牛顿内摩擦定律的流体。擦定律的流体。 血液，油漆，高分子聚合物熔体或溶液，牙膏，泥浆，血液，油漆，高分子聚合物熔体或溶液，牙膏，泥浆，沥青等是非牛顿流体。沥青等是非牛顿流体。牛顿流体牛顿流体: : 作纯剪切流动时满足牛顿内摩擦定律的

31、流体。作纯剪切流动时满足牛顿内摩擦定律的流体。 水，甘油，空气，油等是牛顿流体。水，甘油，空气，油等是牛顿流体。Fluid Mechanics and Machinery流体力学与流体机械流体力学与流体机械B1. 流体及其物理性质流体及其物理性质 流体模型流体模型 按粘性分类按粘性分类 无粘性流体无粘性流体 粘性流体粘性流体 牛顿流体牛顿流体 非牛顿流体非牛顿流体 按可紧缩性分类按可紧缩性分类 可紧缩流体可紧缩流体 不可紧缩流体不可紧缩流体 其他分类其他分类 完全气体完全气体 正压流体正压流体 斜压流体斜压流体 均质流体均质流体 等熵流体等熵流体 恒温流体恒温流体B1.5 流体模型分类流体模型分类RTpconstp)(pfFluid Mechanics and Machinery流体力学与流体机械流体力学与流体机械B1. 流体及其物理性质流体及其物理性质例例B1.5.2 音速确实定和可紧缩性音速确实定和可紧缩性RTp气体形状方程气体形状方程体积弹性模量ddpK constp等熵流体，等熵流体，比热比比热比不可紧缩流体：可以忽略紧缩性的流体，、 均为常数。 声速声速Kddp/c 等温过程等温过程RTpRTddp 声速声速RTc 等熵过程等熵过程 constpRTppconstddp11 声速声速RTcFluid Mechanics and Machin