《流体力学》第一章绪论

1、编辑ppt编辑ppt流体力学是研究流体机械运动规律及其应用的科学，是力学的一个重要分支。流体力学研究的对象液体和气体。编辑ppt流体力学发展简史流体力学的研究方法流体的主要物理性质侧重于理论分析的流体力学称为理论流体力学侧重于理论分析的流体力学称为理论流体力学侧重于工程应用的流体力学称为工程流体力学侧重于工程应用的流体力学称为工程流体力学编辑ppt编辑ppt编辑ppt编辑ppt编辑ppt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编辑ppt编辑ppt 直接解决生产问题，检验和建立理论；直接解决生产问题，检验和建立理论； 发现新现象；发现新现象； 普适性较差，受到费用和环境限制。普

2、适性较差，受到费用和环境限制。 编辑ppt 明确给出各物理量与流动参数的函数关系；明确给出各物理量与流动参数的函数关系； 建立简化的数学模型时需要一定的假设，建立简化的数学模型时需要一定的假设， 必须证实简化模型的合理性；必须证实简化模型的合理性； 由于数学上的困难，能获得分析解的问题由于数学上的困难，能获得分析解的问题 的数量有限。的数量有限。编辑ppt 计算机性能提高，计算方法改进，作用计算机性能提高，计算方法改进，作用 越来越大；越来越大； 数值计算是近似方法，需要用实验和分数值计算是近似方法，需要用实验和分 析的结果验证方法的可靠性；析的结果验证方法的可靠性； 数值方法对复杂而又缺乏完

3、善数学模型数值方法对复杂而又缺乏完善数学模型 的问题是无能为力的。的问题是无能为力的。编辑ppt编辑ppt编辑ppt编辑ppt编辑ppt编辑ppt编辑pptVm1.密度单位体积流体所具有的质量。 均匀流体 dVdmVmV0lim编辑ppt2.流体的比体积单位质量的流体所占有的体积，流体密度的倒数。 1vg3/1000mkg常见的密度（在一个标准大气压下）：4时的水20时的空气3/2 . 1mkg3.流体的重度编辑ppt3.流体的相对密度流体的密度与4oC时水的密度的比值。 vvmmdwww式中， 流体的密度（kg/m3） w4oC时水的密度（kg/m3）编辑ppt1-4 理想气体状态方程反映气

4、体压缩性和膨胀性一、理想气体状态方程TmRpVgTRpvg或式中)(8314KKgJMMRRg气体的摩尔质量摩尔气体常数气体摩尔质量等于气体分子量编辑ppt1.流体膨胀性的系数表示法流体的体胀系数v在一定压强下，体积的变化率与温度的变化成正比1-4 流体体积随着温度的增大而增大的性质。二、流体的膨胀性dTdVVVTVTVVTTv1limlim00dTdVVv1TVpmRpTmRdTdVgg1)(1（定压过程）编辑ppt在一定温度下，密度的变化率与压强的变化成正比pVVpT0lim)1(lim0pVVpTdpdVV11-4 三、流体的压缩性流体体积随着压力的增大而缩小的性质。1.流体的压缩系数T

5、ppVTmRpTmRdpdVggT1)1()(12（等温过程）编辑pptdVdpVKT1体积模量（弹性模量）三、流体的压缩性体积模量流体体积随着压力的增大而缩小的性质。工程中常用压缩系数的倒数来表示压缩性K的物理意义：当温度不变时，每产生一个单位体积相对变化率所需要的压强变化量。K值在越大表示流体越不容易被压缩。编辑ppt四、可压缩性流体和不可压缩性流体流体体积随着压力和温度的改变而发生变化的性质。 不可压缩流体：不考虑可压缩性的流体 密度=常数可压缩流体：考虑可压缩性的流体 密度常数编辑ppt固体摩擦力与流体粘性阻力的不同表现固体可以在静止固体可以在静止状态承受切向力状态承受切向力流体以持续

6、变流体以持续变形承受切向力形承受切向力编辑ppt 流体粘性形成原因（）两层液体之间的粘性力决定于分子内聚力（）两层气体之间的粘性力决定于分子动量交换温度对流体粘度的影响大，温度对流体粘度的影响大，压强对粘度的影响小压强对粘度的影响小只有当流体运动时，流体的粘性才能显现出来只有当流体运动时，流体的粘性才能显现出来编辑ppt编辑ppt 两板之间的各流体薄层在上板的带动下，都作平行于平板的运两板之间的各流体薄层在上板的带动下，都作平行于平板的运动，其运动速度由上向下逐层递减，由上板的动，其运动速度由上向下逐层递减，由上板的u0u0减小到下板的零。减小到下板的零。在这种情况下，板间流体流动的速度是按直

7、线变化的。显然，由于在这种情况下，板间流体流动的速度是按直线变化的。显然，由于各流层速度不同，流层间就有相对运动，从而产生切向作用力，称各流层速度不同，流层间就有相对运动，从而产生切向作用力，称其为内摩擦力。作用在两个流体层接触面上的内摩擦力总是成对出其为内摩擦力。作用在两个流体层接触面上的内摩擦力总是成对出现的，即大小相等而方向相反，分别作用在相对运动的流层上。速现的，即大小相等而方向相反，分别作用在相对运动的流层上。速度较大的流体层作用在速度较小的流体层上的内摩擦力度较大的流体层作用在速度较小的流体层上的内摩擦力F F，其方向，其方向与流体流动方向相同，带动下层流体向前运动，而速度较小的流

8、体与流体流动方向相同，带动下层流体向前运动，而速度较小的流体层作用在速度较大的流体层上的内摩擦力层作用在速度较大的流体层上的内摩擦力FF，其方向与流体流动，其方向与流体流动方向相反，阻碍上层流体运动。通常情况下，流体流动的速度并不方向相反，阻碍上层流体运动。通常情况下，流体流动的速度并不按直线变化，而是按曲线变化，如图虚线所示。按直线变化，而是按曲线变化，如图虚线所示。编辑ppt3. 牛顿内摩擦定律（1）牛顿平板实验速度分布： 粘附在板上的流体 u(h)=U，u(0)=0 两板间的流体 u(y)=Uy/h编辑ppt3. 牛顿内摩擦定律（2）牛顿内摩擦定律dyduAF dyduAFA 接触面积，

9、接触面积，m2F 内摩擦力，内摩擦力，Ndu/dy 垂直于流动方向的速度梯度，垂直于流动方向的速度梯度，1/s （沿速度的垂直方向每单位长度上的（沿速度的垂直方向每单位长度上的 速度变化率）速度变化率） 动力粘度，动力粘度，Pa syuAF编辑ppt(3)(3)粘性切应力与流体种类有关，与接触面压强无关。粘性切应力与流体种类有关，与接触面压强无关。切应力：dyduAF3. 牛顿内摩擦定律（2）牛顿内摩擦定律切向应力切向应力流层间单位面积上的内摩擦力流层间单位面积上的内摩擦力单位单位 Pa Pa 或或 N/mN/m2 2牛顿内摩擦定律表明：牛顿内摩擦定律表明： 粘性切应力与速度梯度成正比；粘性切

10、应力与速度梯度成正比；(2)(2)粘性切应力与接触面积成正比。粘性切应力与接触面积成正比。流体与固体在摩擦规律上完全不同正比于du/dy正比于正压力，与速度无关编辑ppt关于牛顿内摩擦定律的应用关于牛顿内摩擦定律的应用缝隙流动缝隙流动dydu2/ )(2/dDd旋转2/ )(dDU滑动局部近似为平行直线流局部近似为平行直线流DdU 编辑pptdv/dy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）编辑ppt0dv/dyo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）编辑pptdv/dyo假塑性流体 假塑性流体

11、的增长率随dv/dy的增大而降低（高分子溶液、纸浆、血液等）编辑pptdv/dyo胀塑性流体 胀塑性流体的增长率随dv/dy的增大而增加（乳化液、油漆、挟沙水流）编辑ppt0dv/dyo胀塑性流体牛顿流体假塑性流体塑性流体编辑ppt流体粘性大小的度量,由流体流动的内聚力和分子的动量交换引起。 (1) 动力粘度 (2) 运动粘度 SPaSmNsmkg2) )()(2sm编辑ppt(3) 粘度的影响因素 内聚力是产生粘度的主要因素。 温度分子间距分子吸引力 内摩擦力粘度分子热运动引起的动量交换是产生粘度的 主要因素。 温度分子热运动动量交换 内摩擦力粘度b.压力对流体粘度的影响不大，一般忽略不计

12、a.温度对流体粘度的影响很大 编辑ppt(3) 粘度的影响因素 内聚力是产生粘度的主要因素。 压力分子间距分子吸引力 内摩擦力 粘度分子热运动引起的动量交换是产生粘度的 主要因素。 压力分子热运动动量交换 内摩擦力粘度但压力达到200个大气压时，压力影响变 得很大，粘性随压力的升高而增大b.压力对流体粘度的影响不大，一般忽略不计 编辑ppt(4) 粘度的其他几种分类 恩氏粘度 无量纲 21ttE 恩氏粘度用200cm3 待测液体从恩氏粘度计中流出所需的时间t1与20时同体积的蒸馏水流出该计所需的时间t2(一般为5053秒，取平均值51秒)之比雷氏粘度 英国 赛氏粘度 美国 编辑ppt(1) 粘

13、性流体 具有粘性的流体 0一种理想的流体模型 (2) 理想流体 忽略粘性的流体 0编辑ppt例：汽缸内壁的直径D=12cm，活塞的直径d=cm，活塞长度L=14cm，活塞往复运动的速度为1m/s，润滑油的 =s。求作用在活塞上的粘性力。解：dyduAT2053014011960m.dLAdyduNT5 .261051 . 0053. 03注意：面积、速度梯度的取法dDL131052/ )1196. 012. 0(012/ )(0sdDu编辑ppt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

14、距Mm。求该实验液体的粘度。解：dydu602 nMA的取法；hnr1r21210rrr1Ar0045. 0211rhrsPa952. 0得编辑ppt例：例：套筒固定，轴均匀旋转，其间隙充满油液，求施套筒固定，轴均匀旋转，其间隙充满油液，求施于轴上的扭矩。于轴上的扭矩。 油=900kg/m3； 油=2 10 5m2/s； =150s-1；D=100 mm；d mm；L=120mm。 D V=d/2 d L d y 0 缝隙内局部近似为平行直线流缝隙内局部近似为平行直线流例例题题编辑ppt解：解：轴表面轴表面 处处相等，切应力产生阻力矩。处处相等，切应力产生阻力矩。dydu测量流体粘性的原理测量

15、流体粘性的原理 统一用国际单位制统一用国际单位制油油 油油 d3L /(D-d）Nm 2d2dD2ddLq q = =例例题题 油=900kg/m3, 油= 2 10 5m2/s, =150s-1D=100 mm；d mm；L=120mm编辑ppt 当液体与其它流体和固体接触时，当液体与其它流体和固体接触时，在分界面上产生表面张力。在分界面上产生表面张力。一、一、 表面张力表面张力表面张力的单位表面张力的单位 N/m1- 6 1- 6 表面张力表面张力第一章第一章 绪论绪论编辑ppt p0 气 p 液 R 界面法向力的平衡界面法向力的平衡压强差与表面张力关系压强差与表面张力关系界面为三维曲面时界面为三维曲面时R R 曲率半径曲率半径2/气体与液体的分界