工程流体力学课件1

EngineeringFluidMechanics工程流体力学山东建筑大学第1章流体及其主要物理性质第2章流体静力学第3章流体动力学基础第4章流动阻力和水头损失第5章孔口、管嘴出流及有压管流第6章明渠目录第一章绪论第一节流体的概述第二节流体的主要物理性质第三节作用在流体的力重、难点1.连续介质和理想液体的概念。2.流体的主要物理力学性质，重点是流体的流动性和粘滞性。牛顿内摩擦定律。3.作用在液体上的力：质量力、表面力。

什么是流体？第一节流体的概述流体指具有流动性且自身不能保持一定形状的物体，如气体和液体。一.流体的定义固体：有固定的平衡位置，具有一定的体积，一定的形状。触变质：如胶状物和油漆、沥青等。二.流体的特征（或物理属性）：1.流动性：2.连续性：是流体区别于固体的根本标志。气体的流动性大于液体；静止流体不能承受拉力；流体在平衡状态下不能承受剪切力。没有固定的形状，液体的形状取决于盛装它的容器；气体完全充满容器。设流体由很多个质点组成，质点之间没有缝隙。即假设流体是各向同性的连续介质(理论模型)。有无固定的体积？能否形成

自由表面？是否容易

被压缩？流体气体无否易液体有能不易呈现流动性？

流体固体

液体、气体与固体的区别二.流体的特征

流体质点的理论模型：1）质点的宏观尺寸非常小，即limΔV→0；2）质点的微观尺寸足够大；3）质点是一个物理实体；4）质点的形状可任意划定，以做到质点之间无缝隙。2.连续介质假设个分子

1mm3空气(1个大气压，00C)二.流体的特征2）流体质点的运动过程是连续的；表征流体的一切特性可看成是时间和空间连续分布的函数。1）流体介质是由连续的流体质点所组成，流体质点占满空间而没有间隙。2.连续介质假设

连续介质的内涵：二.流体的特征如

p，v，a，ρ，γ，…＝f（x，y，z，t）三.流体力学的研究内容流体力学分类①理论流体力学（流体力学）②应用流体力学（工程流体力学）工程流体力学研究流体静止和运动的力学规律及其在工程技术上的应用的一门学科。

流体力学的主要研究内容固定边界：水工建筑物、河床、海洋平台等运动边界：飞机、船只等研究内容①流体在外力作用下，静止与运动的规律；②流体与边界的相互作用。课程地位数理、力学基础课程流体力学专业基础课程

学科有关专业课程流体力学的使用领域

空气和水是地球上广泛存在的物质，所以与流体运动关联的力学问题是很普遍的。流体力学在许多学科和工程领域有着广泛的应用。流体力学海洋

水利航空航天土木工程环境

气象

石油化工

机械冶金

生物航天航空工业

（空气动力学）造船工业

（水动力学）深潜达数百米的核动力潜艇；

石油化工工业单价超过10亿美元，能抵御大风浪的海上采油平台；电力工业

水电站、火电站、核电站、地热电站机械工业中

涧滑、冷却、液压传动汽轮机叶片水轮机水利工程水资源运用、泄洪消能、河道整治

土建工程公路与桥梁工程路基的沉陷、崩竭、滑坡、桥梁、涵洞、倒虹吸管和透水贻堤的修建等杨浦大桥大型水利枢纽工程，超高层建筑，大跨度桥梁等的设计和建造离不开水力学和风工程。杨浦大桥

灾害预报与控制；发展更快更安全更舒适的交通工具；各种工业装置的优化设计，降低能耗，减少污染等等。排球足球网球游泳赛艇铁饼高尔夫球赛跑赛车标枪乒乓球羽毛球大部分竞技体育项目与流体力学有关

大部分竞技体育项目与流体力学有关

30一.惯性第二节流体的主要物理性质

γ：重度或容重单位：N/m3

，或

kN/m3单位：

kg/m3熟记：以密度ρ来衡量

牛顿在《自然哲学的数学原理》(1687)中指出：相邻两层流体作相对运动时存在内摩擦作用,称为粘性力。•

库仑实验(1784)库仑用液体内悬吊圆盘摆动实验证实流体存在内摩擦。二.粘性•

粘性定义流体内部质点间或流层间因相对运动而产生内摩擦力

（内力/粘性力）以反抗相对运动的性质•

粘性特性

粘性是流体抵抗变形的能力，是流体的固有属性，是运动流体产生机械能损失的根源二.粘性

拉力T与接触面积A、速度梯度成正比，即

或上两式均称为牛顿内摩擦阻力定律。

牛顿内摩擦定律二.粘性实验测得：

牛顿内摩擦阻力定律适用于空气、水、石油等大多数流体。

凡符合这一定律的流体称为牛顿流体，不符合的流体为非牛顿流体。流变图（流变曲线）

理想流体（无粘性流体）:τ=0

实际流体（粘性流体）:τ0

牛顿内摩擦阻力定律二.粘性

当h很小时，阻力定律可写为，即速度为线性分布。

速度分布图形不同时，剪应力τ分布也不同。抛物线分布u直线分布u二.粘性μ

——

动力粘滞系数。N.s/m2

；Pa.Sν

——

运动粘滞系数。m2/S

1泊=1g/s.cm=0.1kg/s.m=0.1N.s/m2=0.102kgf.s/m2

1m2/s=104cm2/s=104斯T的影响较大，P的影响不大；表征量粘度反应粘性大小的一个物理量，与流体种类有关①单位换算:②粘度的影响因素:二.粘性

容易解释为什么是剪切

（角）变形速率，它表示流体直角减小的速度。

满足牛顿内摩擦定律的流体称为牛顿流体，否则称为非牛顿流体。角变形速率二.粘性①分子间的吸引力②分子运动引起流体层间的动量交换液体以此为主气体以此为主形成牛顿内摩擦力物理机理二.粘性

随着温度升高，液体的粘性系数下降；气体的粘性系数上升。

今后在谈及粘性系数时一定指明当时的温度。

运动粘性系数具有运动学量纲。注意二.粘性【例】一底面积为45×50cm2，高1cm的木块，质量为5kg，沿涂有润滑油的斜角为30º的斜面向下作等速运动，木块运动速度u=1m/s，油层厚度1cm，求油的粘度。

【解】木块重量沿斜坡分力F

与切力T平衡时，等速下滑。由于油层厚度很小，速度分布可看成线性分布。三.压缩性压强增大使体积减小的性质单位：m2/N，Pa-1

可压缩流体不可压缩流体：密度ρ为变量，即ρ=ρ(x,y,z,t)：密度ρ为常数，即ρ=C

注：通常情况下，液体为不可压缩流体，气体为可压缩流体。压缩系数：四.膨胀性温度升高使体积增大的性质膨胀系数：单位：/℃，/K气体状态方程：VV-ΔVpp+Δp水力学中的力学模型1、连续介质模型（continuumcontinuousmediummodel）：

————不考虑水分子间隙。

把水视为没有间隙地充满它所占据的整个空间的一种连续介质，且其所有的物理量都是空间坐标和时间的连续函数的一种假设模型优点：(1)排除分子运动的干扰

(2)可运用数学连续函数作为水运动分析的工具2、理想液体模型：

————不考虑水的粘度

3、不可压缩液体模型：

————不考虑水的压缩性

把水视为没有粘性，即粘性系数为零，在分析问题的过程中可以不考虑粘滞力的影响，可容易得到液体运动的一些规律。然后再对粘性进行专门研究加以修正。

液体的压缩性与膨胀性都很小，在压强与温度变化不大时，可把液体看作不可压缩水。第三节作用在流体上的力质量力：作用在流体的每一个质点上，与流体质点的质量大小成正比。（如重力、惯性力、电场力）以单位质量的质量力表示：fx、fy、fz为单位质量力在x、y、z三个方向上的分量。表面力：作用在流体表面上，与作用面的表面面积大小成正比。（如压力、摩擦力）以单位面积的表面力表示：p为压强τ为剪切应力（摩擦应力）n

凡谈及应力，应注意明确以下几个要素：

①哪一点的应力；

②哪个方位作用面上的应力；

③作用面的哪一侧流体是研究对象（表面力的受体），从

而决定法线的