第一章工程流体力学

1、工程流体力学工程流体力学 西南石油大学石油工程学院西南石油大学石油工程学院考核办法： 考试 70 作业 20 考勤 10纪律：关闭手机、保持安静性质：性质：石工、储运、土木、水利、建环、环境类专业的石工、储运、土木、水利、建环、环境类专业的一门必修的专业基础课程。一门必修的专业基础课程。目的：目的：学习专业理论，培养工程应用能力。学习专业理论，培养工程应用能力。地位：地位：前修课程：高等数学、物理学、理论力学、材料前修课程：高等数学、物理学、理论力学、材料力学；后续课程：水文学、土力学、水力学、工程地质力学；后续课程：水文学、土力学、水力学、工程地质等。等。并直接服务于工程应用。并直接服务于工

2、程应用。一、课程的性质与目的一、课程的性质与目的二、二、 流体力学在实际工程中的应用流体力学在实际工程中的应用1. 石工领域石工领域：石油、天然气在地下渗透、被开采，钻井时被驱：石油、天然气在地下渗透、被开采，钻井时被驱动，地面压缩机、泵，钻井液注入和回收系统，油水、油水气动，地面压缩机、泵，钻井液注入和回收系统，油水、油水气分离器，管路集输等分离器，管路集输等 ；二、二、 流体力学在实际工程中的应用流体力学在实际工程中的应用2.油气储运：石油、天然气的管路输运，油气水多相流体运动油气储运：石油、天然气的管路输运，油气水多相流体运动，压缩机站，输气、配气中转站，油库，泵站，加油站等等；，压缩机

3、站，输气、配气中转站，油库，泵站，加油站等等；3. 土木领域土木领域：建筑工程和土建工程中的应用。如坑基排水、路：建筑工程和土建工程中的应用。如坑基排水、路基排水、地下水渗透、地基抗渗稳定处理、围堰修建、海洋平基排水、地下水渗透、地基抗渗稳定处理、围堰修建、海洋平台在水中的浮性和抵抗外界扰动的稳定性等；台在水中的浮性和抵抗外界扰动的稳定性等；4.市政工程：如桥涵孔径设计、给水排水、管网计算、市政工程：如桥涵孔径设计、给水排水、管网计算、 泵站和泵站和水塔的设计、隧洞通风等，特别是给水排水工程中，无论取水水塔的设计、隧洞通风等，特别是给水排水工程中，无论取水、水处理、输配水都是在水流动过程中实现

4、的。流体力学理论、水处理、输配水都是在水流动过程中实现的。流体力学理论是给水排水系统设计和运行控制的理论基础；是给水排水系统设计和运行控制的理论基础；5.城市防洪工程：如堤、坝的作用力与渗流问题、防洪闸坝的过城市防洪工程：如堤、坝的作用力与渗流问题、防洪闸坝的过流能力等；流能力等；6.建筑环境与设备工程建筑环境与设备工程：如供热、通风与空调设计，以及设备的：如供热、通风与空调设计，以及设备的选用等；选用等；7.环境工程环境工程：水中、大气中污染物的迁移扩散，水厂与污水处理：水中、大气中污染物的迁移扩散，水厂与污水处理厂工艺流程设计等。厂工艺流程设计等。飞机、火箭、卫星、航天飞机；飞机、火箭、卫

5、星、航天飞机；轮船、潜艇、汽车、地铁、隧洞；轮船、潜艇、汽车、地铁、隧洞；涡轮机，水轮机，水泵，风扇；涡轮机，水轮机，水泵，风扇；大桥，大坝，高塔，烟囱；大桥，大坝，高塔，烟囱；环境污染物的迁移扩散；环境污染物的迁移扩散；人体内的血液流动；人体内的血液流动；江河湖海水体的流动，江河湖海水体的流动，气流的运动，气流的运动，石油与天然气的输运等等。石油与天然气的输运等等。都涉及到流体的流动，那么它们是如何运动的，都涉及到流体的流动，那么它们是如何运动的，有着怎样的规律，这就是流体力学所研究的问题。有着怎样的规律，这就是流体力学所研究的问题。研究对象研究内容工程中的三大问题： a. 流体荷载 （设计

6、管道壁厚） b. 流体的输送能力 （确定流量） c. 流动的形态 （确定能量损耗）解决工程实际问题流体力学的萌芽流体力学的萌芽 2200年以前希腊学者阿基米德写的年以前希腊学者阿基米德写的“论浮体论浮体”。 伯努里、欧拉的古典水动力学伯努里、欧拉的古典水动力学 。Navier、Stokes的实际粘性流体的基本运动方程方程；的实际粘性流体的基本运动方程方程；后人又进一步开展实验流体力学研究。后人又进一步开展实验流体力学研究。 19世纪末，发展成理论，实验并重的现代流体力学。世纪末，发展成理论，实验并重的现代流体力学。发展三阶段发展三阶段流体力学的形成流体力学的形成1687年牛顿的名著年牛顿的名著

7、自然哲学的数学原理自然哲学的数学原理。工程流体力学的发展简史1738年瑞士数学家伯努利在名著流体动力学中提出了伯努利方程。1755年欧拉在名著流体运动的一般原理中提出理想流体概念，并建立了理想流体基本方程和连续方程，从而提出了流体运动的解析方法，同时提出了速度势的概念。1781年拉格朗日首先引进了流函数的概念。1823年法国工程师Navier，1845年英国数学家、物理学家Stokes提出了著名的N-S方程。1876年雷诺发现了流体流动的两种流体：层流和紊流。主要的流体力学事件：主要的流体力学事件：1858年亥姆霍兹指出了理想流体中旋涡的许多基本性质及旋涡运动理论，并于1887年提出了脱体绕流

8、理论。19世纪末，相似理论提出，实验和理论分析相结合。1904年普朗特提出了边界层理论。20世纪60年代以后，计算流体力学得到了迅速的发展，流体力学内涵也不断地得到了充实与提高。主要的流体力学事件：主要的流体力学事件： 李冰（公元前302235）是我国科学治水的典范，伟大的水利学家。他领导创建了目前世界上历史最悠久的水利工程都江堰。 李冰总结在渠首工程的选点上作了深刻的科学研究。精心地选择在成都平原顶点的岷江上游出山口处作为工程地点，采用乘势利导、因时制宜的治水方略，修建了都江堰水利工程：无坝引水的鱼嘴分水堤，泄洪排沙的溢洪道，保证成都平原引足春水和控制洪水的咽喉工程宝瓶口。 丹伯努利（Dan

9、iel Bernoull，1700-1782）：瑞士科学家，曾在俄国彼得堡科学院任教，他在流体力学、气体动力学、微分方程和概率论等方面都有重大贡献，是理论流体力学的创始人。 伯努利以流体动力学（1738）一书著称于世，书中提出流体力学的一个定理，反映了理想流体（不可压缩、不计粘性的流体）中能量守恒定律。这个定理和相应的公式称为伯努利定理和伯努利公式。 达芬奇（Leonardo da Vinci, 1452-1519）：意大利文艺复兴时期的美术家、自然科学家、工程师，使力学理论的奠基者，为水力学、流体力学古典理论的形成做出了重要贡献。在水力学方面写有许多重要手稿，并在他死后以水的运动与测量为题出

10、版。 L欧拉（Leonhard Euler ，1707-1783）：瑞士数学家、力学家、天文学家、物理学家，变分法的奠基人，复变函数论的先驱者，理论流体力学的创始人。 他是刚体力学和流体力学的奠基者，弹性系统稳定性理论的开创人。 欧拉在固体力学方面的著述也很多，诸如弹性压杆失稳后的形状，上端悬挂重链的振动问题，等等。 四千多年前的 “大禹治水”的故事顺水之性，治水须引导和疏通。秦朝在公元前256公元前210年修建了我国历史上的三大水利工程（都江堰、郑国渠、灵渠）明渠水流、堰流。约2500年前的计时工具“铜壶滴漏”孔口出流。清朝雍正年间，何梦瑶在算迪一书中提出流量等于过水断面面积乘以断面平均流速

11、的计算方法。隋朝（公元587610年）完成的南北大运河。隋朝工匠李春在冀中洨河修建（公元605617年）的赵州石拱桥拱背的4个小拱，既减压主拱的负载，又可宣泄洪水。在我国，水利事业的历史十分悠久：在我国，水利事业的历史十分悠久：常用单位制国际单位制（SI）物理单位制工程单位制分类：概念：单位：表示物理量的大小，如小时、分、秒。因次（量纲）：表示物理量的种类，如时间、长度、质量。单位制单位制基本因次基本因次基本单位基本单位导出单位（量纲）导出单位（量纲）国际单位制国际单位制长度长度L米米 mFma1kg.m/s2=1N（牛顿）（牛顿）时间时间T秒秒 s质量质量M千克千克 kg物理单位制物理单位制

12、长度长度L厘米厘米 cmFma1g.cm/s2=1dgn(达因达因)时间时间T秒秒 s质量质量M克克 g流体的概念流体的概念固态、液态和气态固态、液态和气态w流体与固体的区别流体与固体的区别固体：可以抵抗压力、拉力、剪切力，固体的变形与受力的大小成正比；固体：可以抵抗压力、拉力、剪切力，固体的变形与受力的大小成正比；流体：无固定形状，能抵抗压力，不能抵抗拉力，静止流体不能抵抗剪切力；流体：无固定形状，能抵抗压力，不能抵抗拉力，静止流体不能抵抗剪切力；任何一个微小的剪切力都能使流体发生连续的变形任何一个微小的剪切力都能使流体发生连续的变形。具有具有流动性流动性的物体（即能够流动的物体）的物体（即

13、能够流动的物体） 流动性：在微小剪切力作用下会发生连续变形的特性。流动性：在微小剪切力作用下会发生连续变形的特性。流体包括流体包括液体和气体液体和气体w液体与气体的区别液体与气体的区别 液体的流动性小于气体，很难压缩液体的流动性小于气体，很难压缩； 液体具有一定的体积，并取容器的形状；液体具有一定的体积，并取容器的形状； 气体充满任何容器，而无一定体积；气体充满任何容器，而无一定体积； 气体可以压缩气体可以压缩。二、流体连续介质模型 实际流体：由大量不断地作无规则运动的分子组成 流体的物理量 空间上分布不连续 时间分布不连续分子间存在着间隙分子不间断热运动cmcmcmcm71938223102

14、 . 3107 . 21101 . 3103 . 31个分子，分子间距气体有个分子，分子间距液体有因此，以分子为对象研究流体运动规律极其复杂。 在实际工程中，所研究的流体的空间尺度远比分子尺寸大得多，而且要解决的问题也不是流体微观运动特性，而是流体宏观运动特性，即大量分子运动的统计平均特性。 欧拉提出了连续介质假说： 流体所占有的空间连续而无空隙地充满着流体质点避免了流体分子运动的复杂性避免了流体分子运动的复杂性，只需研究流体的宏，只需研究流体的宏 观运动。观运动。2. 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。采用采用流体流体连续介质假设的优点连

15、续介质假设的优点一、流体的密度一、流体的密度dVdM单位：单位：kg/mkg/m3 3 VM常见流体的密度：常见流体的密度： 水水1000 kg/m3 空气空气1.23 kg/m3 水银水银136000 kg/m3均匀流体：均匀流体：u惯性是物体保持其原有运动状态的一种性质u表示惯性大小的物理量是质量，质量的单位为kgu单位体积的质量是密度，密度的单位为g/cm3或kg/m3相对密度相对密度流体的密度与流体的密度与4 4o oC C时水的密度的比值。时水的密度的比值。 式中，式中， f f 流体的密度（流体的密度（kg/mkg/m3 3） w w4 4o oC C时水的密度时水的密度（kg/m

16、kg/m3 3）wfd比容比容1v单位：单位： m m3 3/ /kgkg单位质量的流体所占有的体积，流体密度的倒数。单位质量的流体所占有的体积，流体密度的倒数。混合气体的密度混合气体的密度混合气体的密度按各组分气体所占体积百分数计算。混合气体的密度按各组分气体所占体积百分数计算。式中：式中： 1， 2， n 各组分气体的密度各组分气体的密度 a1， a2， an各组分气体所占各组分气体所占的体积百分数的体积百分数niiinnaaaa12211.二、重度gVmgVG三、流体的压缩性三、流体的压缩性流体体积随着压力的增大而缩小的性质。流体体积随着压力的增大而缩小的性质。1.压缩系数压缩系数 单位

17、压力增加所引起的体积单位压力增加所引起的体积相对变化量相对变化量)/(/2NmdpVdVp2.体积模量体积模量 )/(1E2mNdVVdpp四、流体的膨胀性四、流体的膨胀性流体体积随着温度的增大而增大的性质。流体体积随着温度的增大而增大的性质。1.体胀系数体胀系数 单位温度增加所引起的体积单位温度增加所引起的体积相对变化量相对变化量)/1 (/KdtVdVt五、流体的粘性五、流体的粘性1. 1. 粘性的定义粘性的定义 流体内部各流体微团之流体内部各流体微团之间发生相对运动时，流体间发生相对运动时，流体内部会产生摩擦力阻力内部会产生摩擦力阻力（即粘性力）的性质。（即粘性力）的性质。2.2.牛顿内

18、摩擦定律牛顿内摩擦定律五、流体的粘性五、流体的粘性2.2.牛顿内摩擦定律牛顿内摩擦定律(1) (1) 牛顿平板实验牛顿平板实验当当h h和和U U不是很大时，两平板间不是很大时，两平板间沿沿y y方向的流速呈线性分布方向的流速呈线性分布ohdyyu+duuyUyhUyhUuddu 或1 运动较慢的流体层在较快的流体层带动下才运动；2 快层受到慢层的阻碍，不能运动得更快；3 相邻流体层发生相对运动，产生切力和阻力，构成了内摩擦力。五、流体的粘性五、流体的粘性(2) (2) 牛顿内摩擦定律牛顿内摩擦定律dydu实验表明，对于大多数流体，存在实验表明，对于大多数流体，存在单位面积上的剪切力：单位面积

19、上的剪切力：yuAddTohdyyu+duuyU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；(3)(3)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；(2)(2)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。牛顿内摩擦定律表明：牛顿内摩擦定律表明：五、流体的粘性五、流体的粘性(2) (2) 牛顿内摩擦定律牛顿内摩擦定律dydudtdddydudttgdCDBAdbadydudt五、流体的粘性五、流体的粘性 流体粘性大小的度量流体粘性大小的度量, ,由流体流由流体流动的内聚力和分子的动量交换引起。动的内聚力和分子的动量交换引起。ohdyyu+duuyU3.

20、3.粘度粘度五、流体的粘性五、流体的粘性(a)(a)动力粘度动力粘度dydu/单位单位PasPas或或Ns/mNs/m2 2物理单位制中，物理单位制中，1P1P（泊）（泊）=0.1Pas=0.1Pas，1P=100cP1P=100cP物理单位，物理单位，St(St(斯斯)(cm)(cm2 2/s)=10/s)=10-4 -4m m2 2/s/s，1St=100cSt1St=100cSt(b)(b)运动粘度运动粘度/单位单位m m2 2/s/s3.3.(3) (3) 粘度的影响因素粘度的影响因素温度对流体粘度的影响很大温度对流体粘度的影响很大压力对流体粘度的影响不大，一般忽略不计压力对流体粘度的

21、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 五、流体的粘性五、流体的粘性 当温度升高时，液体的粘度减小，气体的粘度增大当温度升高时，液体的粘度减小，气体的粘度增大气体液体气体粘度o 温度例例1：一底面积为：一底面积为0.40.45 m2，高为，高为0.01 m的木块，质量为的木块，质量为5 kg，沿着涂有润滑油的斜面向下作等速运动，如

22、图所示，已，沿着涂有润滑油的斜面向下作等速运动，如图所示，已知木块运动速度知木块运动速度u =1 m/s，油层厚度，油层厚度 = 0.1 mm，由木块所带，由木块所带动的油层的运动速度呈直线分布，求油的粘度动的油层的运动速度呈直线分布，求油的粘度 。 su G mgsin 1254 4 粘性流体和理想流体粘性流体和理想流体1 1） 具有粘性的流体（具有粘性的流体（00）。）。2 2）理想）理想 忽略粘性的流体（忽略粘性的流体（=0 0）。）。一种理想的流体模型。一种理想的流体模型。五、流体的粘性五、流体的粘性5 5 牛顿流体和非牛顿流体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、