流体力学绪论和第一章

1、流体力学任课老师：袁文芳绪论研究对象研究内容发展和研究方法1 1、研究对象、研究对象 流体力学的研究对象是受力后产生较大变形的流体，包流体力学的研究对象是受力后产生较大变形的流体，包括液体和气体。括液体和气体。 易流性易流性：任何微小的剪切力都会使它产生连续的剪切变任何微小的剪切力都会使它产生连续的剪切变形形流动。流动。 形状不定性形状不定性：没有固定的形状没有固定的形状 受力特性受力特性：能承受压力，不能承受拉力，对切应力的抵能承受压力，不能承受拉力，对切应力的抵抗较弱。抗较弱。 2 2、研究内容、研究内容 流体力学是力学的一个重要分支，它主要流体力学是力学的一个重要分支，它主要研究流体本身

2、的静止状态和运动状态，以及研究流体本身的静止状态和运动状态，以及流体和固体界壁间有相对运动时的相互作用流体和固体界壁间有相对运动时的相互作用和流动的规律。和流动的规律。3 3、发展和研究方法、发展和研究方法阿基米德阿基米德流体静力学流体静力学 欧拉欧拉流体动力学流体动力学 泰勒泰勒湍流湍流 非线性流动非线性流动 理论分析理论分析实验模拟实验模拟+ +理论分析理论分析 理论分析理论分析+ +实验模拟实验模拟 + +数值计算数值计算理论分析法1）提出假设2）建立力学模型3）建立基本方程4）代入边界条件和初始条件5）比较，改进第1章 流体的宏观模型和物理属性u基本假设u物理性质1.1 流体的连续介质

3、假设 流体力学只从宏观上研究流体质点的运动。流体力学只从宏观上研究流体质点的运动。 1 1）不考虑分子间隙。）不考虑分子间隙。 2 2）表征流体属性的诸物理量是时间与空间坐标变量的单值、）表征流体属性的诸物理量是时间与空间坐标变量的单值、连续可微函数。连续可微函数。流体微团流体微团：体积为无限小但具有大量分子的集合体。体积为无限小但具有大量分子的集合体。1.2 流体的主要物理性质1.惯性 主要决定于质量。质量越大，惯性越大，运动状态越主要决定于质量。质量越大，惯性越大，运动状态越难改变。难改变。 单位体积流体的质量叫做流体密度，单位体积流体的质量叫做流体密度，。 单位体积流体的重量叫做流体的重

4、度，单位体积流体的重量叫做流体的重度，。= g 2.压缩性 作用在流体上的压力变化可引起流体的体积变化或密作用在流体上的压力变化可引起流体的体积变化或密度变化，这一现象称为流体的可压缩性。度变化，这一现象称为流体的可压缩性。 体积压缩率体积压缩率：流体体积的相对缩小值与压强增大值：流体体积的相对缩小值与压强增大值之比。之比。/=dV Vddpdp 1/K=/dpddV Vdp 体积模量：体积模量： 1 1）K K越大，表示流体越不易被压缩。越大，表示流体越不易被压缩。 2 2）流体的种类不同，其压缩性不同。）流体的种类不同，其压缩性不同。 3 3）同一种流体的压缩性随温度、压强的变化而）同一种

5、流体的压缩性随温度、压强的变化而变化。变化。 液体的液体的K K值很大，即不易被压缩，除非压强值很大，即不易被压缩，除非压强变化很剧烈，一般可不考虑压缩性，做变化很剧烈，一般可不考虑压缩性，做不可压缩不可压缩流体假设流体假设。3.膨胀性 液体的膨胀性通常用体积膨胀系数液体的膨胀性通常用体积膨胀系数来表示，来表示，是指在一定压强下，单位温度升高是指在一定压强下，单位温度升高dTdT所引起的体所引起的体积变化率。积变化率。 水的膨胀性很小，一般情况下，可以忽略其水的膨胀性很小，一般情况下，可以忽略其膨胀性。膨胀性。/=dV VddTdT 气体的压缩性和膨胀性气体的压缩性和膨胀性 对于气体，它与液体

6、显著不同，不但具有明对于气体，它与液体显著不同，不但具有明显的可压缩性，而且具有较大的膨胀性，即在压显的可压缩性，而且具有较大的膨胀性，即在压力和温度变化时，气体的密度或比重会有较大变力和温度变化时，气体的密度或比重会有较大变化。化。 =pRT 流动流动：水表面受切应力作用，静止状态遭：水表面受切应力作用，静止状态遭到破坏，水开始滑动，产生无限制的剪切变到破坏，水开始滑动，产生无限制的剪切变形。形。 流体抵抗剪切变形的能力称为粘性。实流体抵抗剪切变形的能力称为粘性。实际流体都具有粘性。流体的粘性是流体的际流体都具有粘性。流体的粘性是流体的固固有属性。有属性。 4.粘性牛顿内摩擦定律 用摩擦力用

7、摩擦力T T来表示：来表示： 用切应力用切应力表示：表示：dvTAdhdvdh速度梯度速度梯度 流体内摩擦力的大小流体内摩擦力的大小与流体的速度梯度和接与流体的速度梯度和接触面积大小成正比，并且触面积大小成正比，并且与流体的粘性有关。与流体的粘性有关。 牛顿流体牛顿流体：凡是服从牛顿内摩擦定：凡是服从牛顿内摩擦定律的流体称为牛顿流体。律的流体称为牛顿流体。为常数。为常数。 非牛顿流体非牛顿流体： 为变数。为变数。 流体的流体的动力粘度动力粘度，将随流体的温度改变而变化，将随流体的温度改变而变化，但随流体的压力变化则不大。但随流体的压力变化则不大。 气体气体 分子运动加剧，动量变换加剧，分子运动

8、加剧，动量变换加剧，增大增大 液体液体 分子运动加剧，内聚力减小，分子运动加剧，内聚力减小，减小减小 一般情况下，液体的动力粘度比气体的大很多。一般情况下，液体的动力粘度比气体的大很多。 温度升高温度升高例题1 有一块有一块30cm30cm40cm40cm的矩形平板，浮在油面上，的矩形平板，浮在油面上，其水平运动的速度为其水平运动的速度为10cm/s10cm/s，油层厚度，油层厚度 10mm10mm，油的动力粘度油的动力粘度 0.102Pas0.102Pas，求平板所受的阻力。，求平板所受的阻力。 例题2 上下两块平行圆盘，直径均为上下两块平行圆盘，直径均为d d，间隙厚度为间隙厚度为 ，间隙

9、中液体的动力粘，间隙中液体的动力粘度为度为 ，若下盘固定不动，上盘以角，若下盘固定不动，上盘以角速度速度 旋转，求所需力矩旋转，求所需力矩MM的表达式。的表达式。 运动粘度 运动粘度与动力粘度的关系运动粘度与动力粘度的关系 动力粘度和运动粘度都反应了流体的粘性，但动力粘动力粘度和运动粘度都反应了流体的粘性，但动力粘度大的流体运动粘度不一定大，比如空气和水。度大的流体运动粘度不一定大，比如空气和水。 理想流体理想流体：粘度为：粘度为0 0，内部和边界上都不存在，内部和边界上都不存在摩擦力。摩擦力。 =1 1、连续介质模型、连续介质模型 当从宏观角度来研究流体的机械运动，可以认为流体当从宏观角度来

10、研究流体的机械运动，可以认为流体是由无穷多个连续分布的流体微团组成的连续介质。是由无穷多个连续分布的流体微团组成的连续介质。2 2、不可压缩流体模型、不可压缩流体模型 通常把液体视为不可压缩液体，把液体的密度视为常通常把液体视为不可压缩液体，把液体的密度视为常量。量。3 3、理想流体模型、理想流体模型 理想流体就是完全没有粘性的流体。理想流体就是完全没有粘性的流体。 流体力学的三个力学模型 液体的表面张力 表面张力：液体表面层由于分子引力不均衡而产生的表面张力：液体表面层由于分子引力不均衡而产生的沿表面作用于任一界线上的张力。沿表面作用于任一界线上的张力。 通常，处于液体表面层的分子较为稀薄，其分子间距通常，处于液体表面层的分子较为稀薄，其分子间距较大，液体分子之间的引力大于斥力，合力表现为平行于较大，液体分子之间的引力大于斥力，合力表现为平行于液体界面的引力。液体界面的引力。 液体的毛细现象 毛细作用毛细作用: :是液体表面对固体表面的吸引力是液体表面对固体表面的吸引力 表面力表面力 表面力作用于流体的表面上，是一种接触力表面力作用于流体的表面上，是一种接触力 应力：单位面积上流体所承受的表面力应力：单位面积上流体所承受的表面力 压强和切应力压强和切应力 质量力质量力 质量力是直接作用在流体块中各质点上的非接触力，质量力是直接作用在流体块中各质点上的非接触力，