第1章--流体及其主要物理性质

1、流体力学fluid dynamic教材：教材：流体力学景思睿景思睿 张鸣远张鸣远 编编 西安交通大学出版社西安交通大学出版社参考书参考书粘性流体动力学粘性流体动力学F.M White F.M White 机械工业出版机械工业出版 社，社，1982. 19911982. 1991年有英文第二版。年有英文第二版。流体力学基础流体力学基础 潘文全潘文全 机械工业出版社，机械工业出版社，19821982流体力学流体力学( (上、下上、下) ) 吴望一吴望一 北京大学出版社，北京大学出版社，19821982本课程共本课程共5656学时，讲解第学时，讲解第1 18 8章章流体力学课程的考核方法与学习要求流

2、体力学课程的考核方法与学习要求考核方法：考核方法：百分制百分制1. 1. 平时平时 2020； 每缺一次作业扣每缺一次作业扣1 1分（没有正当理由，不接受晚分（没有正当理由，不接受晚交）；交）； 每旷课一次扣每旷课一次扣1 1分；分； 每迟到一次扣每迟到一次扣0.50.5分；分； 旷课超过旷课超过3 3次取消考试资格次取消考试资格2. 2. 期末考试占期末考试占8080。学习要求：学习要求： 树立良好学风希望大家上课能认真听讲，独立树立良好学风希望大家上课能认真听讲，独立完成作业。完成作业。第一章第一章 流体及其主要物理性质流体及其主要物理性质1 1 概述概述1.1 1.1 什么是流体力学？什

3、么是流体力学？1.2 1.2 学习流体力学的目的学习流体力学的目的 1.3 1.3 流体力学的发展沿革流体力学的发展沿革1.4 1.4 流体力学的学习方法流体力学的学习方法1.1 1.1 什么是流体力学？什么是流体力学？研究流体（液体、气体）运动规律的一门科研究流体（液体、气体）运动规律的一门科学。学。是专业基础课。是专业基础课。1.2 1.2 学习流体力学的目的学习流体力学的目的在本专业中的重要地位在本专业中的重要地位学习后续课程的基础学习后续课程的基础日常生活中的广泛应用日常生活中的广泛应用工程上的广泛应用工程上的广泛应用节水，虹吸管。节水，虹吸管。能源动力、石油化工、空调制冷、军事能源动

4、力、石油化工、空调制冷、军事1.3 1.3 流体力学的发展沿革流体力学的发展沿革uArchimedes(Archimedes(阿基米德，希腊公元前阿基米德，希腊公元前287287212212年）年）浮力假设浮力假设uLeonardo daLeonardo da Vinci Vinci（1500,1500,意大利）意大利）一维不可一维不可压缩粘性流体的质量守恒方程。压缩粘性流体的质量守恒方程。u理想流体力学：理想流体力学：Euler(1755 Eulers EqEuler(1755 Eulers Eq.), .), dAlembert(1752), Laplace(1749-1827), dAl

5、embert(1752), Laplace(1749-1827), Lagrange(1736-1813), BernoulliLagrange(1736-1813), BernoulliuIsaac Newton(1687)Isaac Newton(1687)流体阻力，牛顿流体流体阻力，牛顿流体uNavierNavier（18231823）-Stokes-Stokes（18451845）提出的）提出的N-SN-S方程。方程。uReynolds(1880)-Reynolds(1880)-提出提出ReRe数，判别流体流动方式。数，判别流体流动方式。uPrandtlPrandtl（19041904

6、）边界层理论的提出边界层理论的提出uBlasiusBlasius( (布拉休斯）布拉休斯）平板边界层的理论解。平板边界层的理论解。uE.Buckingham(1914)E.Buckingham(1914)量纲分析方法量纲分析方法1.3 1.3 流体力学的发展沿革流体力学的发展沿革流体力学分为理想流体力学和粘性流体力学流体力学分为理想流体力学和粘性流体力学（真实流体力学、水力学）（真实流体力学、水力学）理想流体力学理想流体力学无粘性项，数学的完美推导。无粘性项，数学的完美推导。 dAlembertdAlembert paradox. paradox.水力学水力学放弃理论，以试验测量为基础。放弃理

7、论，以试验测量为基础。PrandtlPrandtl边界层理论边界层理论的提出才使两者能有机地结合的提出才使两者能有机地结合起来。起来。粘性流体力学粘性流体力学加入粘性项加入粘性项1.4 1.4 流体力学的学习方法流体力学的学习方法u 从掌握的角度：从掌握的角度：u 从应试的角度从应试的角度学好数学，多看书。学好数学，多看书。u注重对物理概念的理解注重对物理概念的理解上课认真听讲，独立完成作业。上课认真听讲，独立完成作业。2 流体与连续介质模型流体与连续介质模型流体（液体与气体）流体（液体与气体）具有易流动性、粘性和可压缩性。具有易流动性、粘性和可压缩性。不能承受拉力，在剪切力作用下会发生连续不

8、不能承受拉力，在剪切力作用下会发生连续不断的变形，产生流动。断的变形，产生流动。定义：定义：在任何剪切力持续作用下连续变形的物质。在任何剪切力持续作用下连续变形的物质。从微观角度从微观角度：流体都是由大量分子组成且处于不：流体都是由大量分子组成且处于不断热运动状态，它的空间位置和运动速度具有随断热运动状态，它的空间位置和运动速度具有随机性质。机性质。流体力学研究流体的流体力学研究流体的宏观宏观平衡和运动规律，所考平衡和运动规律，所考虑的尺寸远大于分子的平均自由程，因此，需要虑的尺寸远大于分子的平均自由程，因此，需要建立模型进行研究。建立模型进行研究。2 流体与连续介质模型流体与连续介质模型连续

9、介质模型连续介质模型0limVmVu 流体质点流体质点相对于宏观很小，相对于微相对于宏观很小，相对于微观，又包含足够多的分子。观，又包含足够多的分子。u 连续介质模型连续介质模型假设组成流体的最小物质假设组成流体的最小物质实体是流体质点，流体由实体是流体质点，流体由无限多的流体质点连绵不无限多的流体质点连绵不断地组成，质点之间不存断地组成，质点之间不存在间隙。在间隙。u 便于运用数学研究便于运用数学研究3 流体的粘性流体的粘性粘性粘性Uhdudy流体抵抗剪切变形流体抵抗剪切变形(或相或相对运动对运动)的一种属性。的一种属性。牛顿平板实验牛顿平板实验试验结论：试验结论：u速度呈线性分布速度呈线性

10、分布u摩擦力与速度梯度呈正比摩擦力与速度梯度呈正比 牛顿流体与非牛顿流体牛顿流体与非牛顿流体3 流体的粘性流体的粘性粘性系数粘性系数1 Pas/ 动力粘性系数动力粘性系数，单位：，单位：Pa.s, Uh运动粘性系数运动粘性系数， 单位：单位： m2/s Pa s3/Pa skg m3/Pa skg m2/Nm3/skg m2/kg m sskg m2/ms3 流体的粘性流体的粘性粘性系数粘性系数例如：例如：20时，空气时，空气 =0.15110-4 m2/s, 水水 = 0.110-5 m2/s粘性系数与温度的关系粘性系数与温度的关系液体液体的粘性主要取决于液体分子间的距离和分的粘性主要取决于

11、液体分子间的距离和分子间的吸引力，子间的吸引力，所以温度升高粘性下降。所以温度升高粘性下降。气体气体的粘性主要取决与气体分子热运动所产生的的粘性主要取决与气体分子热运动所产生的动量交换，动量交换，所以温度升高粘性增大。所以温度升高粘性增大。3 流体的粘性流体的粘性例例1-1 已知已知 L=0.5 m; n=400 rpm； =0.25 mm; 测得测得M=10.89 J。求。求 2ddALd321200.49260dd nMMd LPa sdnL 2duddFdALddy222dddudMdFLddy2202dduMdMLddy2226060ddnduud ndy2222ddudduLdLdy

12、dy3 流体的粘性流体的粘性例例1-2 =0.5Pa.s的流体沿着壁面流动，的流体沿着壁面流动，速度分布为抛物线，速度分布为抛物线，y1=60mm, umax=1.08 m/s，抛物线的顶点在，抛物线的顶点在A点，分别求点，分别求y=0, 20, 40, 60mm各点的切应力。各点的切应力。0.5 6000.063000.06duyydy2uaybyc0: 00yuc20.06: 1.08 1.08=0.060.06yuab0.06: 0 2 0.060uyaby30036ab 22300361.083000.06uyyy 6000.06duydy3 流体的粘性流体的粘性u 实际流体实际流体实

13、际流体与理想流体实际流体与理想流体u 理想流体理想流体认为粘性系数为零认为粘性系数为零便于数学研究便于数学研究实际流体的研究更为复杂实际流体的研究更为复杂自然界中实际存在的流体，由于都具有粘性，自然界中实际存在的流体，由于都具有粘性，也称为也称为粘性流体粘性流体。N-S方程至今只找到方程至今只找到70多种边界条件的解。多种边界条件的解。4 流体的可压缩性流体的可压缩性4.1 可压缩性可压缩性4.2 可压缩流体与不可压缩流体可压缩流体与不可压缩流体4.1 可压缩性可压缩性所有流体都具有一定的可压缩性所有流体都具有一定的可压缩性1 dVV dp 压缩性系数压缩性系数11dddpdp 1/dV mV

14、 mdp 1 ddp 10dd dd 4.1 可压缩性可压缩性体积弹性模量体积弹性模量E11dddpdp u 气体气体l 等温过程等温过程1dpdpEdd :.pConst状态方程:0dpdp微分lnlnpCdppEd压缩性系数压缩性系数4.1 可压缩性可压缩性体积弹性模量体积弹性模量E:0dpdkp微分u 气体气体l 等熵过程等熵过程1dpdpEdd u 液体液体:.kpConst状态方程lnlnpkCdpkpEd没有简单的解析表达式，一般通过实验测没有简单的解析表达式，一般通过实验测压强与密度的关系，然后近似求导。压强与密度的关系，然后近似求导。4.2 可压缩流体与不可压缩流体可压缩流体与

15、不可压缩流体dpEd不可压缩流体不可压缩流体 =C当流体的体积弹性模量很大或压强改变量很小时，当流体的体积弹性模量很大或压强改变量很小时，流体的密度改变量很小，可看作不可压缩流体。流体的密度改变量很小，可看作不可压缩流体。u 便于数学处理便于数学处理u一般液体和流速较低的气体均可看作一般液体和流速较低的气体均可看作不可压缩流体不可压缩流体可压缩流体可压缩流体C流体的密度改变量不可忽略时。流体的密度改变量不可忽略时。我们所涉及的问题一般均以我们所涉及的问题一般均以不可压缩流体不可压缩流体来对待来对待。ddpE5 液体的表面张力液体的表面张力5.1 表面张力表面张力5.2 毛细现象毛细现象6 作用

16、在流体上的力作用在流体上的力质量力（体积力）质量力（体积力）0limVFfV 0limnSFPS 非接触力，如重力，惯性力非接触力，如重力，惯性力表面力表面力接触力，如压力，剪切力接触力，如压力，剪切力( , , , )ff x y z t( , , , )VFf x y z t dVnSFPdS第一章第一章 总结总结1 流体的性质流体的性质 易流动性，粘性，可压缩性易流动性，粘性，可压缩性Uh duFAdy2 连续介质模型连续介质模型3 液体和气体的粘性与温度的关系液体和气体的粘性与温度的关系4 牛顿平板试验，摩擦力与速度梯度的关系牛顿平板试验，摩擦力与速度梯度的关系5 可压缩流体与不可压缩流体，理想流体与实际流体，可压缩流体与不可压缩流体，理想流体与实际流体，牛顿流体与非牛顿流体。牛顿流体与非牛顿流体。6 作用在流体上的力：表面力和质量力。作用在流体上的力：表面力和质量力。作业作业3, 8，9，11 The End作业作业1-330.3 , 0.2 0.21 , =0.00520.1 1022000.0052222900 0.26 102000.2 0.3 0.10.882oiioiiiiiiiddLm dm dmmddudyddddduduMFAd Ld LdydyN m作业作业1-820.362002606060 0.00