流体力学（第二版）课件：1 绪论

流体力学1 绪论

1.1

流体力学的任务和研究对象1.2 流体力学发展简史及在相关工程中的应用1.3 流体的主要物理力学性质1.4

作用在流体上的力1.5流体的力学模型1.6

牛顿流体和非牛顿流体1.7

流体力学的研究方法、课程性质、目的和要求1.1流体力学的任务和研究对象流体力学是研究流体的平衡和机械运动规律及应用这些规律来解决实际问题的实用技术科学。是应用力学的一个重要分支学科。流体力学研究的对象是流体，包括液体和气体，其最基本的特性是具有流动性。固体：有一定的体积和形状，不易变形。可以承受压力、拉力和剪力；液体：有一定的体积，形状随容器形状而变。可以承受压力、几乎不能承受拉力；气体：容易压缩，充满整个容器；可以承受压力。液体和气体在任何微小的切应力作用下，很容易发生变形和流动。流体的基本特征是具有流动性。固体、液体和气体的区别：§1.2.1流体力学的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发展起来的。流体力学的西方史——古代流体力学的情况。

古希腊学者阿基米德在公元前250年发表学术论文《论浮体》，第一个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──阿基米德原理。阿基米德（Archimedes，公元前287－212）16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之有所提高。17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。他还提出黏性流体运动时的内摩擦力公式，即牛顿内摩擦定律。牛顿（Isaac.Newton，1643～1727）§1.2.1流体力学的发展简史一条途径是一些数学家和力学家，以牛顿力学理论和数学分析为基本方法，建立了理想液体运动的系统理论，称为“水动力学”或古典流体力学。代表人物有伯努利（D.I.Bernouli）、欧拉（L.Euler）纳维埃（C.L.M.H.Navier）和斯托克斯（G.G.Stokes）等。18至19世纪，沿着两条途径建立了流体运动的系统理论。§1.2.1流体力学的发展简史1738年伯努利给出理想流体运动的能量方程。D.Bernoulli（1700－1782）瑞士科学家§1.2.1流体力学的发展简史1755年欧拉导出理想流体运动微分方程。欧拉（L.Euler，1707－1783）瑞士科学家§1.2.1流体力学的发展简史拉格朗日提出了新的流体动力学微分方程，使流体动力学的解析方法有了进一步发展。严格地论证了速度势的存在，并提出了流函数的概念，为应用复变函数去解析流体定常的和非定常的平面无旋运动开辟了道路。拉格朗日（J.-L.Lagrange,1736－1813）§1.2.1流体力学的发展简史1821-1845年，纳维埃（C.L.M.H.Navier）和斯托克斯（G.G.Stokes）导出适用于实际流体运动的纳维埃-斯托克斯方程，即N-S方程。纳维（L.Navier，1785－1836，法国）斯托克斯（G.Stokes，1819－1903，英国））§1.2.1流体力学的发展简史1821-1845年，另一途径是一些土木工程师，根据实际工程的需要，凭借实地观察和室内试验，建立实用的经验公式，以解决实际工程问题。这些成果被总结成以实际液体为对象的重实用的水力学。代表人物有皮托（H.Pitot）、谢才（A.deChezy）、达西（H.Darcy）等。§1.2.1流体力学的发展简史1732年皮托发明了量测流体流速的皮托管。1769年谢才建立了计算均匀流的谢才公式。§1.2.1流体力学的发展简史1856年达西提出了线性渗流的达西定律。§1.2.1流体力学的发展简史1883年雷诺（O.Reynolds）发表了关于层流、紊流两种流态的系列试验结果，又于1895年导出了紊流运动的雷诺方程。1904年普朗特（L.Prandtl）提出边界层概念，创立了边界层理论。这一理论既明确了理想流体的适用范围，又能计算实际物体运动时的阻力。§1.2.1流体力学的发展简史流体力学在中国大禹治水---4000多年前的大禹治水，说明我国古代已有大规模的治河工程。

(公元前256～210年)秦代，在公元前256-前210年间便修建了都江堰、郑国渠、灵渠三大水利工程，说明当时对明槽水流和堰流流动规律的认识已经达到相当水平。真州船闸---北宋（960-1126）时期，在运河上修建的真州船闸与十四世纪末荷兰的同类船闸相比，约早三百多年。近代，我国出现了象钱学森、周培源、吴仲华等流体力学知名专家，但流体力学整体在我国发展较为缓慢，有待于诸位的努力！§1.2.1流体力学的发展简史1.2.2流体力学在土木工程中的应用航空航天航海船舶运动地效翼艇（WIG）海洋平台

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流体力学在许多工业部门都有着广泛的应用。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能源动力飞机发动机蒸汽机车流体力学在工程中的应用气象云图龙卷风气象科学流体力学在工程中的应用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，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体系，焕发出强盛的生机和活力。欢迎提问

如果您有任何问题，请毫不犹豫地提出!Incaseofyouhaveanyquestion,DONOThesitatetoaskme!流体的物理性质是决定流体流动状态的内在因素，所以我们先学习流体的几个物理力学性质。§1.3流体的主要物理力学性质§1.3.1惯性惯性是物体保持其原有运动状态的一种特性，惯性的大小以质量来衡量，质量大的物体惯性大。当流体受外力作用使运动状态发生改变时，由于流体的惯性引起对外界抵抗的反作用力称为惯性力。§1.3流体的主要物理力学性质均质流体的密度非均质流体的密度温度与水的密度关系

液体的密度随温度和压强的变化甚微，一般近似认为液体的密度为常数。单位体积的流体质量是密度，密度的单位为水的密度水银的密度物体之间具有相互吸引的性质，这个吸引力称为万有引力。地球对地球表面附近物体的引力称为重力。用G表示，重力的大小称为重量。§1.3流体的主要物理力学性质§1.3.2万有引力特性单位体积流体所具有的重力，称为容重（重度）。§1.3流体的主要物理力学性质§1.3.3黏性前面我们学习了流体具有流动性流动性是流体受切力作用发生连续变形的性质这种变形亦称为剪切变形当流体处于运动状态时，流体质点之间存在着相对运动，则质点间要产生内摩擦力抵制其相对运动，这种性质称为流体的黏滞性，此内摩擦力称为黏滞力。也就是说：流体在流动状态下抵抗剪切变形的性质称为流体的黏性。§1.3流体的主要物理力学性质为了理解流体的黏性，如图所示，液体沿固定平面壁作平面直线运动，紧靠固体壁面的第一层流层黏在壁面上不动；第一层通过摩擦作用影响第二层的流速、第二层又通过摩擦（黏性力）作用影响第三层流速，依此类推。

一、黏性表象因各流层的不同，它们之间就有相对运动，上层的流得快，它就要拖动下一层，而下一层流得较慢，就要阻止上面一层，于是两层之间就产生内摩擦力，如图所示。流体黏性示意图流体黏性示意图由于运动流体内部存在摩擦力，于是流体在运动过程中为克服内摩擦力就要不断消耗流体的能量，所以说黏性是引起流体能量损失的根源，因此在分析和研究流体运动中流体的黏性占有很重要的地位。§1.3流体的主要物理力学性质由于内摩擦力与作用力平行，故称切应力，用表示，（单位用Pa）

应指出，黏性对流体运动的影响极为重要。实验表明，相邻流层接触面的单位面积上所产生的二、牛顿内摩擦定律引入比例系数式中，为动力黏性系数，简称黏度。为流速梯度。上式即为牛顿内摩擦定律，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，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§1.3流体的主要物理力学性质二、牛顿内摩擦定律(续)(1）黏性切应力与速度梯度成正比；(2)黏性切应力与角变形速率成正比；(3)比例系数称动力黏性系数，简称黏度。单位CDBAdbadydudt牛顿内摩擦定律表明：(4)运动黏性系数单位§1.3流体的主要物理力学性质温度对流体黏度的影响很大，压强对流体黏度的影响不大，一般忽略不计。二、牛顿内摩擦定律(续)黏度的影响因素T（℃）(10-3Pa·s)(10-6m2/s)T（℃）(10-3Pa·s)(10-6m2/s)01.7921.792400.6560.66151.5191.519450.5990.605101.3081.308500.5490.556151.1401.140600.4690.477201.0051.007700.4060.415250.8940.897800.3570.367300.8010.804900.3170.328350.7230.7271000.2840.296§1.3流体的主要物理力学性质水的黏度随温度的变化温度对流体黏度的影响很大温度压强对流体黏度的影响不大，一般忽略不计液体：分子内聚力是产生黏度的主要因素。温度↑→分子间距↑→分子吸引力↓→内摩擦力↓→黏度↓气体：分子热运动引起的动量交换是产生黏度的主要因素。温度↑→分子热运动↑→动量交换↑→内摩擦力↑→黏度↑黏度的影响因素§1.3流体的主要物理力学性质例题1：一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u=40cm/s，油层的厚度δ=5mm，油的动力黏度μ=0.1Pa·s，求作用在平板上的切应力。

解：由题意可知：直接与平板接触的油层附在平板上，随平板一起运动，与之相邻的下面油层，作用在该层上的切应力（方向与平板运动方向相反）等于作用在平板上的切应力。因为油层的厚度δ很小，流层的流线分布可近似看做直线分布，即由牛顿内摩擦定律§1.3流体的主要物理力学性质

压缩性用体积压缩系数表示。§1.3.4压缩性与膨胀性

液体不能承受拉力，但可以承受压力。液体受压后体积缩小，压力撤销后也能恢复原状，这种性质称为液体的压缩性。1.压缩性

体积压缩系数是在一定的温度下，压强增大1各单位，体积的相对缩小率。

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。§1.3流体的主要物理力学性质一、液体的压缩性和膨胀性液体压缩时其质量并不改变，故故所谓体积模量K，乃体积压缩率的倒数，即§1.3流体的主要物理力学性质2.膨胀性

膨胀性性用体积膨胀系数表示，在一定压强下，温度增加1度，体积的相对变化率

水的压缩性和膨胀性都很小，压强每升高一个大气压，水的密度约增加1/20000；在常温（10-20℃）情况下，温度每增加1℃，水的密度约减少1.5/10000。

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。§1.3流体的主要物理力学性质

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

式中，p---为气体的绝对压强；

T---为气体热力学温度；

R---为气体常数，空气的气体常数是287J/（kg·K）。§1.3流体的主要物理力学性质二、气体的压缩性及膨胀性§1.3流体的主要物理力学性质1.3.5表面张力特性

自由表面上液体分子由于受两侧分子引力不平衡，使自由面上液体分子受有极其微小的拉力，这种拉力称为表面张力。由于表面张力仅在自由表面存在，而在液体内部并不存在，即它是一种局部的受力现象。

表面张力的大小是用表面张力系数来衡量的。是指在自由表面上单位长度所受拉力的数值（N/m）。表面张力是由内聚力引起的，所以随温度升高而变小，另外它也随表面接触情况和液体的种类的不同而不同。如时，与空气接触，水的表面张力N/m，水银为N/m）。

§1.3流体的主要物理力学性质毛细管液面上升和下降的高度可以根据表面张力的大小来确定。当温度为时：水在玻璃管中上升高度：mm水银在玻璃管中下降高度：mm上式表明：液面上升或下降的高度与管径成反比，即玻璃管内径愈小，液面差值愈大(毛细管现象引起的误差愈大)，所以实验室用的测压管内径不宜过小(一般不小于10mm)，同时还要注意毛细管作用所引起的误差。欢迎提问

如果您有任何问题，请毫不犹豫地提出!Incaseofyouhaveanyquestion,DONOThesitatetoaskme!§1.4作用在流体上的力两类作用在流体上的力：表面力和质量力一、表面力应力即单位面积上的表面力。

表面力是作用于流体的表面，并与受作用的表面面积成比例的力，常用应力来度量。1.表面力与作用面垂直的压应力2.表面力与作用面平行的切应力隔离体受力分析§1.3作用在流体上的力二、质量力

作用在每个流体质点上的力，其大小与流体质量成正比。如重力，惯性力，磁力等。又称体积力。单位质量力分别投影在三个坐标轴上欢迎提问

如果您有任何问题，请毫不犹豫地提出!Incaseofyouhaveanyquestion,DONOThesitatetoaskme!§1.5流体的力学模型

定义：连续介质即假设流体是一种连续充满其所占空间毫无间隙的连续体。可看做是由无限个流体质点的连续介质。

连续介质的意义

连续介质的概念是瑞士学者欧拉在1755年提出的。避免了流体分子运动的复杂性，只需研究流体的宏观运动。可以利用数学工具来研究流体的平衡与运动规律。§1.5.1连续介质模型

流体质点是指大小同一切流动空间相比微不足道，又含有大量分子具有一定质量的流体微元。

§1.5流体的力学模型

定义：所谓理想流体，是指黏性的假想流体。

§1.5.2理想流体

实际的流体，无论是液体还是气体，都是有黏性的。理想流体实际上是不存在的，它只是一种对物性简化的力学模型。§1.5流体的力学模型

定义：所谓不可压缩流体，是指每一个质点在运动过程中，密度不变化的流体。§1.5.3不可压缩流体对于均质不可压缩流体，密度时时处处无变化，即

=常数。

气体的压缩性远大于液体，是可压缩流体。需指出的是，在土木工程中常见的气流运动，如通风管道，低温烟道，其管道不很长，气流的速度不大，远小于声速（约），气流在流动过程中，密度没有明显变化，仍可作为不可压缩流体处理。1.牛顿流体

2.非牛顿流体

符合牛顿内摩擦定律的流体如水、空气、汽油和水银等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。§1.6牛顿流体和非牛顿流体侧重于理论分析的流体力学称为理论流体力学。侧重于工程应用的流体力学称为工程流体力学。研究方法

1.理论分析--运用经典力学的基本原理研究流体运动。

2.科学实验--通过试验的手段研究流体运动的规律性。

3.数值模拟—建立数学模型，采用计算机数值计算来模拟。§1.7流体力学的研究方法、课程性质、目的和要求课程的性质与目的流体力学是水利、土木、环境类等专业的重要技术基础课，在诸多工程技术领域中有广泛地应用。通过本课程的学习，使学生掌握流体力学的基本概念、基本理论、基本计算方法和基本实验技能，为有关后续课程的学习、从事工程技术工作、开拓新技术领域和进行科学研究打下基础。

§1.7流体力学的研究方法、课程性质、目的和要求课程的基本要求

§1.7流体力学的研究方法、课程性质、目的和要求理解流体基本特征与主要物理性质，掌握牛顿内摩擦定律；理解无黏性流体与黏性流体、可压缩流体与不可压缩流体的概念；掌握作用在流体上的力；理解连续介质的概念。理解静压强的特性；掌握静力学基本方程、等压面以及液体中压强的计算、测量与