流体力学第一章

1、流体力学流体力学合肥工业大学合肥工业大学土木与水利工程学院土木与水利工程学院主讲：曹广学主讲：曹广学电话：电话箱：邮箱：课程安排课程安排第一章第一章 绪论绪论 流体力学的任务及其发展简史流体力学的任务及其发展简史流体的主要物理力学性质流体的主要物理力学性质 作用在流体上的力作用在流体上的力 流体的力学模型流体的力学模型第一章第一章 绪论绪论自然界中物质存在的形态有：自然界中物质存在的形态有：固态、液体和气体固态、液体和气体。流体力学的任务及其发展简史流体力学的任务及其发展简史根据物体有没有根据物体有没有流动性流动性，可以把物体分为，可以把物体分为固体和流体固体和流体，

2、流体又包括液体和气体流体又包括液体和气体。流动性流动性：在微小的剪切力作用下，就能连续不断的变形，：在微小的剪切力作用下，就能连续不断的变形，即发生流动，外力停止，流动停止。即发生流动，外力停止，流动停止。第一章第一章 绪论绪论流体力学的任务及其发展简史流体力学的任务及其发展简史固体固体流体流体液体液体气体气体有无固定的形状有无固定的形状有有无无无无有无固定的体积有无固定的体积有有有有无无能否形成自由表面能否形成自由表面能能能能否否能否承受一定的拉力能否承受一定的拉力能能否否否否能否承受一定的剪切力能否承受一定的剪切力能能否（静止）否（静止）否（静止）否（静止）能否承受一定的压力能否承受一定的

3、压力能能能能易压缩易压缩第一章第一章 绪论绪论流体力学的任务及其发展简史流体力学的任务及其发展简史研究流体各种力作用下的平衡和机械运动规律研究流体各种力作用下的平衡和机械运动规律及其在工程实际中应用的一门学科及其在工程实际中应用的一门学科流体力学在许多工业部门都有着广泛的应用。流体力学在许多工业部门都有着广泛的应用。流体力学遵循物质运动的普遍规律流体力学遵循物质运动的普遍规律，如：牛顿第二定律，如：牛顿第二定律，质量守恒定律，能量守恒定律和动量守恒定律等。质量守恒定律，能量守恒定律和动量守恒定律等。第一章第一章 绪论绪论流体力学在工程中的应用流体力学在工程中的应用航空航天航海 船舶运动船舶运动

4、地效翼艇地效翼艇 （WIG）海洋平台海洋平台 潜器潜器 第一章第一章 绪论绪论南浦大桥节能型建筑三峡大坝建筑与环境流体力学在工程中的应用流体力学在工程中的应用第一章第一章 绪论绪论能源动力飞机发动机蒸汽机车流体力学在工程中的应用流体力学在工程中的应用第一章第一章 绪论绪论气象云图龙卷风气象科学流体力学在工程中的应用流体力学在工程中的应用第一章第一章 绪论绪论污水净化设备模型电厂冷却塔环境控制流体力学在工程中的应用流体力学在工程中的应用第一章第一章 绪论绪论流体力学应用广泛，已派生出很多新的分支流体力学应用广泛，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

5、力学、非牛顿流体力学爆炸力学、流变学、计算流体力学等流体力学在工程中的应用流体力学在工程中的应用 20 20世纪中业以来，大工业的形成，高新技术工业的出现和发展，世纪中业以来，大工业的形成，高新技术工业的出现和发展，特别是电子计算机的出现、发展和广泛应用，大大地推动了科学技术特别是电子计算机的出现、发展和广泛应用，大大地推动了科学技术的发展。由于工业生产和尖端技术的发展需要，促使流体力学和其他的发展。由于工业生产和尖端技术的发展需要，促使流体力学和其他学科相互浸透，形成了许多边缘学科，使这一古老的学科发展成包括学科相互浸透，形成了许多边缘学科，使这一古老的学科发展成包括多个学科分支的全新的学科

6、体系，焕发出强盛的生机和活力。多个学科分支的全新的学科体系，焕发出强盛的生机和活力。 第一章第一章 绪论绪论流体力学的任务及其发展简史流体力学的任务及其发展简史流体力学是人类同自然界作斗争、在长期的生产实践中流体力学是人类同自然界作斗争、在长期的生产实践中发展起来的。发展起来的。流体力学的西方史流体力学的西方史古代流体力学的情况。古代流体力学的情况。 古希腊学者古希腊学者阿基米德阿基米德在公元前在公元前250250年发表学术论文年发表学术论文论浮体论浮体，第一个，第一个阐明了相对密度的概念，发现了物体阐明了相对密度的概念，发现了物体在流体中所受浮力的基本原理在流体中所受浮力的基本原理阿阿基米德

7、原理。奠定了流体静力学的基基米德原理。奠定了流体静力学的基础。础。 第一章第一章 绪论绪论16世纪以后，西方资本主义处于上升阶段，工农业生产世纪以后，西方资本主义处于上升阶段，工农业生产有了很大的发展，对于流体平衡和运动规律的认识才随有了很大的发展，对于流体平衡和运动规律的认识才随之有所提高之有所提高 。1.1 1.1 流体力学的任务及其发展简史流体力学的任务及其发展简史 17 17世纪牛顿研究了运动物体在流世纪牛顿研究了运动物体在流体中受到的阻力，得到阻力与流体密体中受到的阻力，得到阻力与流体密度、物体迎流截面积和运动速度的平度、物体迎流截面积和运动速度的平方成正比的关系。他还提出粘性流体方

8、成正比的关系。他还提出粘性流体运动时的内摩擦力公式，即运动时的内摩擦力公式，即牛顿粘性牛顿粘性定律。定律。第一章第一章 绪论绪论1.1 1.1 流体力学的任务及其发展简史流体力学的任务及其发展简史18至至19世纪，沿着两条途径建立了流体运动的系统理论。世纪，沿着两条途径建立了流体运动的系统理论。 第一章第一章 绪论绪论1.1 1.1 流体力学的任务及其发展简史流体力学的任务及其发展简史gugpzgugpz222222221111第一章第一章 绪论绪论1.1 1.1 流体力学的任务及其发展简史流体力学的任务及其发展简史zpZzuuyuuxuutuypYzuuyuuxuutuxpXzuuyuuxu

9、utuzzzyzxzyzyyyxyxzxyxxx111第一章第一章 绪论绪论1.1 1.1 流体力学的任务及其发展简史流体力学的任务及其发展简史第一章第一章 绪论绪论1.1 1.1 流体力学的任务及其发展简史流体力学的任务及其发展简史zzzzyzxzyyzyyyxyxxzxyxxxuzpZzuuyuuxuutuuypYzuuyuuxuutuuxpXzuuyuuxuutu222111纳维（L.Navier，17851836，法国）斯托克斯（G.Stokes，18191903，英国）第一章第一章 绪论绪论1.1 1.1 流体力学的任务及其发展简史流体力学的任务及其发展简史第一章第一章 绪论绪论1.

10、1 1.1 流体力学的任务及其发展简史流体力学的任务及其发展简史第一章第一章 绪论绪论1.1 1.1 流体力学的任务及其发展简史流体力学的任务及其发展简史QkAJ第一章第一章 绪论绪论1.1 1.1 流体力学的任务及其发展简史流体力学的任务及其发展简史第一章第一章 绪论绪论1.1 1.1 流体力学的任务及其发展简史流体力学的任务及其发展简史 第一章第一章 绪论绪论1.1 1.1 流体力学的任务及其发展简史流体力学的任务及其发展简史第一章第一章 绪论绪论Fma 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1.2.1 1.2.1 第一章第一章 绪论绪论mV1.2 1.2 流体的主要

11、物理力学性质流体的主要物理力学性质31000/kg m3313.6 10/kg m3/kg m0limVmdmVdV 950960970980990100010100204060801001203 ( kg/m ) T ( C)温度与水的密度关系第一章第一章 绪论绪论Gmg1.2 1.2 流体的主要物理力学性质流体的主要物理力学性质1.2.2 1.2.2 GmggVV第一章第一章 绪论绪论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1.2.3 1.2.3 第一章第一章 绪论绪论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 一、一、流向快层慢层yuu+dudyy流

12、向快层慢层yuu+dudyy流体粘性示意图流体粘性示意图第一章第一章 绪论绪论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 2/N m第一章第一章 绪论绪论实验表明，相邻流层接触面的单位面积上所产生的实验表明，相邻流层接触面的单位面积上所产生的二、二、引入比例系数为引入比例系数为dduydduy式中，式中， 为为动力粘度动力粘度，简称，简称粘度粘度。 为为流速梯度流速梯度。dduy上式即为上式即为牛顿内摩擦定律牛顿内摩擦定律，它可表述为：作层流做运，它可表述为：作层流做运动的流体，相邻流层间单位面积上所作用的内摩擦力，动的流体，相邻流层间单位面积上所作用的内摩擦力，与流速梯度成

13、正比，与流体的性质有关。与流速梯度成正比，与流体的性质有关。内摩擦力，即切应力存在内摩擦力，即切应力存在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dduTAAy第一章第一章 绪论绪论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；(2)(2)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；(3)(3)比例系数比例系数 称动力粘度，简称粘度。称动力粘度，简称粘度。duddydt()/ddudtdudtdtdydyCDBAdbadydudt牛顿内摩擦定律表明：牛顿内摩擦定律表明：(4)(4)运动粘度运动粘度1.2 1.2 流体的主要物理力学性质流体的主要物理力

14、学性质第一章第一章 绪论绪论温度对流体粘度的影响很大，压强对流体粘度的影响温度对流体粘度的影响很大，压强对流体粘度的影响不大，一般忽略不计。不大，一般忽略不计。粘度的影响因素粘度的影响因素T（） (10-3Pas) (10-6m2/s)T（） (10-3Pas)(10-6m2/s)01.7921.792400.6560.66151.5191.519450.5990.605101.3081.308500.5490.556151.1401.140600.4690.477201.0051.007700.4060.415250.8940.897800.3570.367300.8010.804900.3

15、170.328350.7230.7271000.2840.2961.2 1.2 流体的主要物理力学性质流体的主要物理力学性质水的粘度随温度的变化第一章第一章 绪论绪论温度对流体粘度的影响很大温度对流体粘度的影响很大气体液体气体粘度o 温度压强对流体粘度的影响不大，一般忽略不计压强对流体粘度的影响不大，一般忽略不计内聚力是产生粘度的主要因素。内聚力是产生粘度的主要因素。温度温度分子间距分子间距分子吸引力分子吸引力内摩擦力内摩擦力粘度粘度分子热运动引起的动量交换是产生粘度的主要因素。分子热运动引起的动量交换是产生粘度的主要因素。温度温度分子热运动分子热运动动量交换动量交换内摩擦力内摩擦力粘度粘度

16、粘度的影响因素粘度的影响因素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第一章第一章 绪论绪论三、牛顿流体和非牛顿流体三、牛顿流体和非牛顿流体1.1.牛顿牛顿 2.2.非牛顿非牛顿 dudyo0膨胀性流体宾汉型塑性流体牛顿流体假塑性流体符合牛顿内摩擦定律的流体符合牛顿内摩擦定律的流体如水、空气、汽油和水银等如水、空气、汽油和水银等不符合牛顿内摩擦定律的流体不符合牛顿内摩擦定律的流体如泥浆、血浆、新拌水泥砂浆、新拌混凝土等。如泥浆、血浆、新拌水泥砂浆、新拌混凝土等。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第一章第一章 绪论绪论例题例题1：一平板在油面上做水平运

17、动（如图所示），已知平板的运动一平板在油面上做水平运动（如图所示），已知平板的运动速度为速度为u=40cm/s=40cm/s，油层的厚度，油层的厚度=5mm=5mm，油的动力粘度，油的动力粘度=0.1Pa=0.1Pas s，求作，求作用在平板上的切应力。用在平板上的切应力。 解：解：y油u因为油层的厚度因为油层的厚度很小，流层的流线很小，流层的流线分布可近似看做直线分布，即分布可近似看做直线分布，即duudy2400.18(/)0.5duuN mdy由牛顿内摩擦定律由牛顿内摩擦定律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第一章第一章 绪论绪论/pdV Vdp 压缩性用体积压

18、缩系数表示。压缩性用体积压缩系数表示。1.2.4 1.2.4 压缩性：压缩性：指流体受压指流体受压, ,体积缩小体积缩小, ,密度增大密度增大, ,除去外力后能恢复原状的性质除去外力后能恢复原状的性质膨胀性：膨胀性：指流体受热指流体受热, ,体积膨胀体积膨胀, ,密度减小密度减小, ,温度下降后能恢复原状的性质温度下降后能恢复原状的性质1.压缩性压缩性 体积体积压缩系数压缩系数指恒温下液体体积的相对缩小值与压强增值之比。指恒温下液体体积的相对缩小值与压强增值之比。 压强增大时体积缩小，所以加一个负号来确保压缩率为正值。压强增大时体积缩小，所以加一个负号来确保压缩率为正值。1.2 1.2 流体的

19、主要物理力学性质流体的主要物理力学性质第一章第一章 绪论绪论/pddp 流体压缩时其质量并不改变，故流体压缩时其质量并不改变，故()0dmdVdVVddVdV 故故所谓弹性模量所谓弹性模量E，乃体积压缩系数的倒数，即，乃体积压缩系数的倒数，即1pE 水的压缩性和膨胀性很小，在一般情况下可忽略不计，只有在水的压缩性和膨胀性很小，在一般情况下可忽略不计，只有在某些特殊情况下，如水管阀门突然关闭时所发生的水击现象，自然某些特殊情况下，如水管阀门突然关闭时所发生的水击现象，自然循环的热水采暖系统等问题时，才需考虑其水的压缩性和膨胀性。循环的热水采暖系统等问题时，才需考虑其水的压缩性和膨胀性。 1.2

20、1.2 流体的主要物理力学性质流体的主要物理力学性质2.膨胀性膨胀性 膨胀性用体积膨胀系数表示，在一定压强下，单位温升所引起膨胀性用体积膨胀系数表示，在一定压强下，单位温升所引起的体积变化率。的体积变化率。/VdV VddTdT 第一章第一章 绪论绪论pRT 气体具有明显的压缩性和膨胀性。常用气体的密度、压强和温气体具有明显的压缩性和膨胀性。常用气体的密度、压强和温度三者之间的关系，相当符合理想气体状态方程，即度三者之间的关系，相当符合理想气体状态方程，即 式中，式中，p-为气体的绝对压强；为气体的绝对压强； T-为气体热力学温度；为气体热力学温度； R-为气体常数，空气的气体常数是为气体常数

21、，空气的气体常数是287J/287J/（kgkgK K）。）。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第一章第一章 绪论绪论1.2.5 1.2.5 一、液体的表面张力一、液体的表面张力1. 1. 表面张力现象表面张力现象水滴悬在水龙头出口而不滴落；水滴悬在水龙头出口而不滴落；细管中的液体自动上升或下降一个高度（毛细管现象）；细管中的液体自动上升或下降一个高度（毛细管现象）；铁针浮在液面上而不下沉。铁针浮在液面上而不下沉。2. 2. 表面张力表面张力 在液体的自由表面上，由于分子间引力作用的结果，产生了及其在液体的自由表面上，由于分子间引力作用的结果，产生了及其微小的拉力，这

22、种拉力称之为表面张力。微小的拉力，这种拉力称之为表面张力。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第一章第一章 绪论绪论二、毛细管现象二、毛细管现象 直径很小两端开口的细管竖直插入液体中，由于表面张力的作用，直径很小两端开口的细管竖直插入液体中，由于表面张力的作用，管中的液面会发生上升或下降的现象，称之为毛细管现象。管中的液面会发生上升或下降的现象，称之为毛细管现象。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水水水银水银第一章第一章 绪论绪论 如果您有任何问题，如果您有任何问题，请毫不犹豫地提出请毫不犹豫地提出 ! !In case of you have

23、 any In case of you have any question, DO NOT question, DO NOT hesitate to ask me !hesitate to ask me !第一章第一章 绪论绪论作用于流体作用于流体上的上的力按力按作用方式作用方式不同分为：不同分为：表面力和质量力表面力和质量力一、表面力一、表面力应力即单位面积上的表面力。应力即单位面积上的表面力。FFAFpT 表面力是作用于流体的表面，并与表面力是作用于流体的表面，并与受作用的表面面积受作用的表面面积成比例的力，成比例的力，常用应力来度量。常用应力来度量。0limPPnAFdFpAdA0lim

24、TTAFdFAdA1. 1. 表面力与作用面表面力与作用面垂直垂直的压应力的压应力2. 2. 表面力与作用面表面力与作用面平行平行的切应力的切应力隔离体受力分析隔离体受力分析第一章第一章 绪论绪论二、质量力二、质量力 作用在每个流体质点上的力，其大小与作用在每个流体质点上的力，其大小与流体质量流体质量成正成正比。如重力，惯性力，磁力等比。如重力，惯性力，磁力等。在均质流体中，质量力又。在均质流体中，质量力又称体积力。称体积力。Ffm单位质量力单位质量力xxyyzzFfmFfmFfm分别投影在三个坐标轴上分别投影在三个坐标轴上单位质量力及其分单位质量力及其分量具有加速度的量纲量具有加速度的量纲L

25、TLT-2-2 第一章第一章 绪论绪论 如果您有任何问题，如果您有任何问题，请毫不犹豫地提出请毫不犹豫地提出 ! !In case of you have any In case of you have any question, DO NOT question, DO NOT hesitate to ask me !hesitate to ask me !第一章第一章 绪论绪论流体的力学模型流体的力学模型连续介质连续介质 连续介质的意义连续介质的意义欧拉欧拉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。可以利用数学上的连续函数来研究流

26、体的平衡与运动规律。可以利用数学上的连续函数来研究流体的平衡与运动规律。1.4.1 1.4.1 第一章第一章 绪论绪论 在流体力学中，为研究方便，提出了理想流体的概念。在流体力学中，为研究方便，提出了理想流体的概念。1.4.2 1.4.2 理想流体理想流体 理想流体就是理想流体就是把流体看作没有粘性的连续介质把流体看作没有粘性的连续介质。而把考虑粘性的。而把考虑粘性的流体称为流体称为粘性流体或实际流体粘性流体或实际流体。我们研究流体的运动时，先把流体当。我们研究流体的运动时，先把流体当成理想流体进行分析，然后再考虑粘性对粘性流体进行修正。成理想流体进行分析，然后再考虑粘性对粘性流体进行修正。流

27、体的力学模型流体的力学模型1.4.3 1.4.3 不可压缩流体不可压缩流体 流体都是可压缩的，然而有许多流体，如水等液体，其密度变化流体都是可压缩的，然而有许多流体，如水等液体，其密度变化很小，可忽略不计，由此引出了不可压缩流体的概念。很小，可忽略不计，由此引出了不可压缩流体的概念。 不可压缩流体就是不可压缩流体就是把流体看作没有压缩性和膨胀性的连续介质把流体看作没有压缩性和膨胀性的连续介质。第一章第一章 绪论绪论如果您有任何问题，如果您有任何问题，请毫不犹豫地提出请毫不犹豫地提出 ! !In case of you have any In case of you have any question, DO NOT question, DO NOT hesitate to ask me !hesitat