工程流体力学1

1、第第1章章 绪论绪论重点：重点：第第1 1节节 流体力学的任务与研究对象流体力学的任务与研究对象流体力学的研究对象：流体力学的研究对象： 1. 1. 流体流体 液体和气体；液体和气体； 2. 2. 流体中运动的物体。流体中运动的物体。流体力学的任务：流体力学的任务： 研究流体运动的规律，以及流体与固体、研究流体运动的规律，以及流体与固体、其他流体及气体界面之间的相互作用力问题。其他流体及气体界面之间的相互作用力问题。流体的流动性流体的流动性 即：易变形性。即：易变形性。流体不能抵抗任何剪切力作用下的剪切变形趋势。流体不能抵抗任何剪切力作用下的剪切变形趋势。(1)(1)在剪切力持续作用下，流体产

2、生无限大的变形；在剪切力持续作用下，流体产生无限大的变形；(2)(2)在剪切力停止作用时，流体不作任何恢复变形。在剪切力停止作用时，流体不作任何恢复变形。 工程流体力学是研究流体（液体、气体）处于平衡状态和流工程流体力学是研究流体（液体、气体）处于平衡状态和流动状态时的运动规律及其在工程技术领域中的应用。动状态时的运动规律及其在工程技术领域中的应用。 流体力学的基础理论由三部分组成。流体力学的基础理论由三部分组成。 流体静力学：流体处于平衡状态时，各种作用在流体上的力流体静力学：流体处于平衡状态时，各种作用在流体上的力之间关系的理论；之间关系的理论； 流体运动学：流体的运动特性，包括位移、速度

3、、加速度之流体运动学：流体的运动特性，包括位移、速度、加速度之间的关系；间的关系； 流体动力学：流体处于流动状态时，作用在流体上的力和流流体动力学：流体处于流动状态时，作用在流体上的力和流动之间关系的理论。动之间关系的理论。 注意：工程流体力学的研究范畴是将流体流动作为宏观机械注意：工程流体力学的研究范畴是将流体流动作为宏观机械运动进行研究，而不是研究流体的微观分子运动，因而在流运动进行研究，而不是研究流体的微观分子运动，因而在流体动力学部分主要研究流体的质量守恒、动量守恒和能量守体动力学部分主要研究流体的质量守恒、动量守恒和能量守恒及转换等基本规律。恒及转换等基本规律。流体力学的工程应用：流

4、体力学的工程应用：流体力学在工程技术中有着广泛的应用。在能源、流体力学在工程技术中有着广泛的应用。在能源、化工、环保、机械、建筑（给排水、暖通）等工化工、环保、机械、建筑（给排水、暖通）等工程技术领域的设计、施工和运行等方面都涉及到程技术领域的设计、施工和运行等方面都涉及到流体力学问题。流体力学问题。工程技术领域的流体力学问题有各自不同的特点，工程技术领域的流体力学问题有各自不同的特点，主要有：主要有：一是有压管流，如流体在管道中的流动；一是有压管流，如流体在管道中的流动；二是绕流，如流体在流体机械中绕过翼型的流动；二是绕流，如流体在流体机械中绕过翼型的流动；三是射流，如流体从孔口或管嘴喷出的

5、流动。三是射流，如流体从孔口或管嘴喷出的流动。最早的高尔夫球最早的高尔夫球现在的高尔夫球现在的高尔夫球表面为什么表面为什么有很多小凹有很多小凹坑？坑？高尔夫球表面的小凹坑可以减少减小尾流的范围，高尔夫球表面的小凹坑可以减少减小尾流的范围，从而减少空气的阻力；从而减少空气的阻力；高尔夫球的自旋大约提供了一半的升力。另外一高尔夫球的自旋大约提供了一半的升力。另外一半则是来自小凹坑，它可以提供最佳的升力；半则是来自小凹坑，它可以提供最佳的升力；阻力及升力对凹坑的深度很敏感。阻力及升力对凹坑的深度很敏感。汽车发明于汽车发明于1919世纪末，世纪末，当时人们认为汽车的当时人们认为汽车的阻力主要来自前部对

6、阻力主要来自前部对空气的撞击，因此早空气的撞击，因此早期的汽车后部是陡峭期的汽车后部是陡峭的，称为箱型车，阻的，称为箱型车，阻力系数力系数C CD D很大，约为很大，约为0.80.8。2020世纪世纪3030年代起，人们开始运用流体力学原理改年代起，人们开始运用流体力学原理改进汽车尾部形状，出现甲壳虫型，阻力系数降至进汽车尾部形状，出现甲壳虫型，阻力系数降至0.60.6。2020世纪世纪50506060年代改进为船型，阻力系数为年代改进为船型，阻力系数为0.450.45。8080年代经过风洞实验系统研究后，又改进为鱼型，年代经过风洞实验系统研究后，又改进为鱼型，阻力系数为阻力系数为0.30.3

7、。 以后进一步改进为楔型，阻力系数为以后进一步改进为楔型，阻力系数为0.20.2。9090年代后，科研人员研制开发的未来型汽车，阻年代后，科研人员研制开发的未来型汽车，阻力系数仅为力系数仅为0.1370.137。经过近经过近8080年的研究改进，汽车阻力系数从年的研究改进，汽车阻力系数从0.80.8降至降至0.1370.137，阻力减小为原来的，阻力减小为原来的1/5 1/5 。目前，在汽车外形设计中流体力学性能研究已占目前，在汽车外形设计中流体力学性能研究已占主导地位，合理的外形使汽车具有更好的动力学主导地位，合理的外形使汽车具有更好的动力学性能和更低的耗油率。性能和更低的耗油率。天气预报（

8、卫星云图）天气预报（卫星云图）大型民航客机大型民航客机超 大 型 运 输 船排水量50万吨以上核 动 力 潜 艇航速达30节 ，深潜达数百米1节1海里/小时1.852公里/小时时速达时速达200公里以上公里以上单机达百万千瓦单机达百万千瓦第第2 2节节 流体的连续介质模型流体的连续介质模型流体质点：是体积为无穷小的流体微团。流体质点：是体积为无穷小的流体微团。 微观上流体微团：足够大，包含大量流体分子。微观上流体微团：足够大，包含大量流体分子。 宏观上看流体微团：足够小，可看成具有质量的点宏观上看流体微团：足够小，可看成具有质量的点( (质点质点) )。连续介质假设：连续介质假设： 流体可看成

9、是由无限多连续分布的流体质点组成的流体可看成是由无限多连续分布的流体质点组成的连续连续介质。介质。流体力学基本假设流体力学基本假设 连续介质假设连续介质假设 流体为连续介质，且不考虑其分子运动。流体为连续介质，且不考虑其分子运动。 微观上看流体：由大量不连续分布的分子组成，分子间有微观上看流体：由大量不连续分布的分子组成，分子间有间隙。间隙。 宏观上看流体：流体力学是研究由大量分子组成的宏观流宏观上看流体：流体力学是研究由大量分子组成的宏观流体在外力作用下的宏观运动。体在外力作用下的宏观运动。 表征流体性质的密度、速度、压强和温度等物理量在流体表征流体性质的密度、速度、压强和温度等物理量在流体

10、中也是连续分布的，可将流体的各物理量看作是空间坐标中也是连续分布的，可将流体的各物理量看作是空间坐标和时间的连续函数。和时间的连续函数。 流体分子微观运动流体分子微观运动 自身自身热运动热运动 流体宏观流体宏观运动运动 外力引起外力引起 统计统计平均值平均值流体分子流体分子速度的统计平均值曲线速度的统计平均值曲线连续介质假设模型是对物质分子结构的宏观数学抽象，就象连续介质假设模型是对物质分子结构的宏观数学抽象，就象几何学是自然图形的抽象一样。几何学是自然图形的抽象一样。除了稀薄气体与激波的绝大多数工程问题，均可用连续介质除了稀薄气体与激波的绝大多数工程问题，均可用连续介质模型作理论分析。模型作

11、理论分析。第第3 3节节 流体的主要物理性质流体的主要物理性质1. 1. 惯性惯性 密度和重度密度和重度2. 2. 黏性黏性 运动黏度和动力黏度、牛顿运动黏度和动力黏度、牛顿 内摩擦定律、理想流体、牛顿流体。内摩擦定律、理想流体、牛顿流体。3. 3. 压缩性压缩性 压缩系数压缩系数4. 4. 热胀性热胀性 热胀系数热胀系数1. 1. 惯性惯性（1 1）密度）密度（kg/m3）VmVmtzyxVddlim,0密度分布密度分布均质流体均质流体非均质流体非均质流体密度数值密度数值可压缩流体可压缩流体不可压缩流体不可压缩流体气体气体液体液体（流体的密（流体的密度始终不变）度始终不变）各点密度完全相同各

12、点密度完全相同各点密度不完全相同各点密度不完全相同（2 2）重度（）重度（N/m3）密度和重度的关系：密度和重度的关系：VGVGlimt , z , y, xVdd0g2. 2. 黏性黏性 库仑实验库仑实验(1784)(1784)液体内悬吊圆盘摆动实验证实流体存在液体内悬吊圆盘摆动实验证实流体存在内摩擦。内摩擦。 流体的黏性流体的黏性流体抵抗剪切变形的一种属性。流体抵抗剪切变形的一种属性。由流体的力学特点可知，静止流体不能承受剪切由流体的力学特点可知，静止流体不能承受剪切力，即在任何微小剪切力的持续作用下，流体要力，即在任何微小剪切力的持续作用下，流体要发生连续不断地变形。发生连续不断地变形。

13、但不同的流体在相同的剪切力作用下其变形速度但不同的流体在相同的剪切力作用下其变形速度是不同的，它反映了抵抗剪切变形能力的差别，是不同的，它反映了抵抗剪切变形能力的差别，这种能力就是流体的黏性。这种能力就是流体的黏性。流体粘性形成原因流体粘性形成原因: :(1)(1)两层液体之间的粘性力主要由分子内聚力形成；两层液体之间的粘性力主要由分子内聚力形成；(2)(2)两层气体之间的粘性力主要由分子动量交换形成。两层气体之间的粘性力主要由分子动量交换形成。 y v x v=0v内部存在内摩擦力或粘滞力从动量传递角度加以理解：从动量传递角度加以理解：下板固定不动，上板以某一速度向右平行移动。由于附着力，紧

14、贴上板的流体一起向右运动，而紧贴下板的流体将和下板一样静止不动。流体的运动速度由上向下逐层递减，按直线变化。流体相对运动，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。牛顿在牛顿在自然哲学的数学原理自然哲学的数学原理中假设：中假设：“流体两部流体两部分由于缺乏润滑而引起的阻力，同这两部分彼此分开分由于缺乏润滑而引起的阻力，同这两部分彼此分开的速度成正比的速度成正比”。即在图中，粘性切应力为即在图中，粘性切应力为yudd 上式称为牛顿内摩擦定律，它表明：上式称为牛顿内摩擦定律，它表明：粘性切应力与速度梯度成

15、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（切变率）成正比；粘性切应力与角变形速率（切变率）成正比；比例系数称黏度系数或动力黏度，简称黏度。比例系数称黏度系数或动力黏度，简称黏度。牛顿内摩擦定律（牛顿流体）：牛顿内摩擦定律（牛顿流体）：胡克定律（固体）：胡克定律（固体）： 塑性流体塑性流体 牛顿流体牛顿流体 涨塑性流体涨塑性流体 假塑性流体假塑性流体 dv/dyG牛顿牛顿流体与非流体与非牛顿流体牛顿流体（1 1）动力黏度）动力黏度 单位：单位：PaPas(s(帕秒）或帕秒）或 kg/mkg/ms ssPa3101spa5108 . 1水：水：空气：空气： 常温常压下：常温常压下：

16、 空气水4 .55 温度对流体粘度影响很大。温度对流体粘度影响很大。（2 2）运动粘度）运动粘度 常温常压下常温常压下: : 单位是单位是: :s/m2scmsm/01. 0/101226 scmsm/15. 0/1015225 水：水：空气：空气：空气水15/1属属物物性性之之一一，由由实实验验测测定定、查查有有关关手手册册或或资资料料、用用经经验验公公式式计计算算。获获取取方方法法：定义定义: :表面力表面力中只有压力没有黏性力。中只有压力没有黏性力。理想流体理想流体 适用场合：适用场合：当当与速度梯度均很小时，与速度梯度均很小时，内摩擦内摩擦力力可以忽略不计。可以忽略不计。实际流体实际流

17、体: :实际存在的、不能忽略实际存在的、不能忽略黏性力黏性力的流体的流体。理想流体压强性质理想流体压强性质（静压强的（静压强的2 2个特性）个特性）：流体静力学流体静力学研究流体静压强研究流体静压强流体静压强的分布规律流体静压强的分布规律py作用在ABD面上的静压强px作用在ACD面上的流体静压强pz作用在ABC面上的流体静压强p作用在BCD面上的静压强dApApPdydxpApPdzdxpApPdydzpApPzzzzyyyyxxxx212121dxdydzfFdxdydzfFdxdydzfFzzyyxx616161061),cos(21061),cos(21061),cos(21dxdyd

18、zfApdydxpdxdydzfApdzdxpdxdydzfApdydzpzzyyxxznynxnppppzyx),(tzyxfp ),(zyxfp （1 1）液体）液体3. 3. 压缩性和热胀性压缩性和热胀性压缩性：压缩性： 压力变化引起流体密度（体积）发生改变。压力变化引起流体密度（体积）发生改变。b. b. 体积模量体积模量ddpkE1c. c. 声速声速E /c a. a. 压缩系数压缩系数dpVdVdpdk热胀系数热胀系数热胀性：热胀性： 温度升高，流体体积膨胀的性质。温度升高，流体体积膨胀的性质。dpddTVdV 一般情况下，水的压缩性和热胀性可以忽略不计。一般情况下，水的压缩性和

19、热胀性可以忽略不计。（2 2）气体）气体状态方程状态方程RTp11ppTT00温度不变时温度不变时压力不变时压力不变时适用于理想气体适用于理想气体KT2730第第4 4节节 作用在流体上的力作用在流体上的力作用力作用力质量力质量力表面力表面力重力重力惯性力惯性力压力压力黏性力黏性力法向应力法向应力切向应力切向应力 质量力质量力 作用在流体某体积内所有流体质点上并与这作用在流体某体积内所有流体质点上并与这一体积的流体质量成正比的力，又称体积力。一体积的流体质量成正比的力，又称体积力。 在均匀流体中，质量力与受作用流体的体积成正比。在均匀流体中，质量力与受作用流体的体积成正比。 表面力表面力 作用

20、在流体中所取某部分流体体积表面上的作用在流体中所取某部分流体体积表面上的力，也就是该部分体积周围的流体或固体通过接触面作用力，也就是该部分体积周围的流体或固体通过接触面作用在其上的力。在其上的力。 表面力可分解成两个分力，即与流体表面垂直的法向表面力可分解成两个分力，即与流体表面垂直的法向力力P P和与流体表面相切的切向力和与流体表面相切的切向力T T。在连续介质中，表。在连续介质中，表面力不是一个集中的力，而是沿表面连续分布的。因面力不是一个集中的力，而是沿表面连续分布的。因此，在流体力学中用单位表面积上所作用的表面力此，在流体力学中用单位表面积上所作用的表面力( (称称为应力为应力) )来表示。来表示。VmbVbVFFf00limlim 1. 1. 重力重力 2. 2. 惯性力惯性力 直角坐标系中分量式为：直角坐标系中分量式为：kjifzyxfff 单位：单位：m/s2 1. 1. 压力压力 2. 2. 黏性力黏性力AFAFpAMnAM00limlim 单位：帕斯卡（单位：帕斯卡（Pa） 工程单位：工程单位：kgf/cm2 1kgf/cm2=9.8（Pa）质量力和表面力在质量力和表面力在空间分布上的区别？空间分布上的区别？ 工程流体力学任务是：研究流体的平衡与宏观机械运动规工程流体力学任务是：研究流体的平衡与