流体力学水力学绪论

授课人：张岩E-MAIL:zhangyan-992@163.com流体力学

第1章绪论

§1.1流体力学的任务及其发展简史1.什么是流体力学？

力学：基础和技术学科。研究对象：液体和气体---流体。分子间距离分子间作用力保持一定形状保持一定体积承受压力承受拉力承受切力气体大小不能不能压缩变形不能流动变形液体中中不能能能承受一定的压力不能(液面质点有表面张力)流动变形固体小大能能能承受一定的压力能承受一定的拉力能承受一定的切力2、流体的特性①不能承受拉力，静止时不能承受剪切力。②具有易流动性，液体具有自由表面，有一定的体积，没有一定的形状。

气体没有一定的体积，具有明显的压缩性。流体力学海洋

土木工程航空航天交通运输

环境

气象

石油化工

机械冶金

生物

与流体力学相关的工程领域和学科3、流体力学主要内容：

流体力学是研究流体平衡和机械运动的规律及其在工程实际中的应用的一门学科。流体力学与土木工程专业：①建筑施工供水流量，供水管道，供水压力的确定，基坑排水量确定，地基基础水荷载计算，水景景观设计。②注册工程师考试。

宝马轿车的外流场显示图车厢内的空气流场094型弹道导弹核潜艇三峡工程的十大世界之最：1、世界防洪效益最为显著的水利工程。三峡水库总库容393亿m3，防洪库容221.5亿m3，水库调洪可消减洪峰流量达2.7万m3/s～33万m3/s，能有效控制长江上游洪水，增强中长江下游抗洪能力。2、世界最大的电站。三峡水电站总装机1820万kW，年发电量846.8亿kW/h。3、世界建筑规模最大的水利工程。三峡大坝坝轴线全长2309.47m，泄流坝段长483m，水电站机组70万kW×26台，双线5级船闸和升船机，无论单项、总体都是世界建筑规模最大的水利工程。4、世界工程量最大的水利工程。三峡工程主体建筑土石方挖填量约1.34亿m3，混凝土浇筑量2794万m3,钢筋46.30万t。5、世界施工难度最大的水利工程。三峡工程2000年混凝土浇筑量为548.17万m3,月浇筑量最高达55万m3,创造了混凝土浇筑的世界记录。6、施工期流量最大的水利工程。三峡工程截流流量为9010m3/s,施工导流最大洪峰流量79000m3/s。7、世界泄洪能力最大的泄洪闸。三峡工程泄洪闸最大泄洪能力为10.25万m3/s。8、世界级数最多、总水头最高的内河船闸。三峡工程的双线五级船闸，总水头113m。9、世界规模最大、难度最高的升船机。三峡工程升船机有效尺寸为120×18×3.5m，最大升程113m，船箱带水重量达11800t，过船吨位3000t。10、世界水库移民最多、工作最为艰巨的移民建设工程。三峡工程水库动态移民最终可达113万人。流体力学发展简史第一阶段（16世纪以前）：流体力学形成的萌芽阶段第二阶段（16世纪文艺复兴以后-18世纪中叶）流体力学成为一门独立学科的基础阶段第三阶段（18世纪中叶-19世纪末）流体力学沿着两个方向发展——欧拉、伯努利第四阶段（19世纪末以来）流体力学飞跃发展§1.2流体力学模型一、连续介质模型

组成物体的分子是不连续的，彼此有空间。分子在不停的运动，分子间有相互作用力。液体在微观结构上说，是有空隙的不连续的物质（介）。大量分子“集体”所显示的特性---宏观特性或宏观量。例如，我们研究海浪对防波堤上某点的作用力时，并不需要知道每个海水分子对该点的作用力。流体质点：将实际流体无限制的分割成为无限小的基元个体，相当于微小的分子集团，------流体的“质点”。

“宏观小”：流体质点足够小，只占据一个空间几何点，体积趋于零；“微观大”：流体质点是一个足够大的分子团，包含了足够多的流体分子，以至于对这些分子行为的统计是稳定的，作为表征流体物理特性和运动要素的物理量定义在流体质点上。

连续介质模型：

流体是由一个紧挨着一个的流体质点所组成，其中没有任何空隙。这样的连续体-------“连续介质”。§1.3流体的主要物理性质一、惯性与质量二、密度均质流体：非均质流体各点处的密度不同，任一点处的密度用极限式表示为：三、万有引力、重量和容重流体的重力特性用容量表示。单位体积流体所受引力为流体的容量，用符号表示。匀质流体的容重为：非匀质流体任一点处的容重为：在地球引力场中，密度与容重有以下关系：设有两平行平板，假设下板固定，上板在外力作用下以匀速0向右运动。与两板相接触的流体由于附着力的作用必粘附于两平板上，具有与平板相同的运动速度。因此与上平板相接触的一层流体将以速度0随上板一起向右运动，而紧贴下板的一层流体将和下板一样静止不动。介于两板之间的各层流体将以自上而下逐层递减的速度向右运动。流动较快的流体层带动较慢的流体层，同时流动较慢的流体层又阻滞流动较快的流体层，从而在流体层之间产生内摩擦力。三、粘滞性流体的粘滞性：

流体内部质点之间或流层之间产生内摩擦力抵抗其相对运动。粘滞力----内摩擦力对流动的阻抗作用----流体分子间的作用力。

流体运动时的粘滞阻力，使流体的变形即流动缓慢下来。粘滞性在流体静止或平衡时是不显示作用。

(动力粘性系数)---Pa·s。

(运动粘性系数)--m2/s。

=/

粘性系数的大小表征着流体粘滞性的强弱。

温度是影响粘滞系数的主要因素。

今后在谈及粘性系数时一定指明当时的温度。液体种类温度t/0C密度/(kg/m3)相对密度d粘度104/(Pas)饱和蒸气压pv/(kPa)体积弹性系数K10-6/(Pa)水蒸气四氯化碳原油汽油甘油空气二氧化碳一氧化碳水银水熔化生铁20202020202020202020200.747158885667812581.2051.841.16135509987000—1.590.860.681.26———13.560.9987.010.1019.7722.9149000.180.1480.18215.610.1——12.1—550.000014———0.000172.34——1100——4350———262002070—几种常见物质在标准大气压下的物理性质见表1-1。

水的动力粘滞系数随温度变化的泊肃叶经验公式：

（1）液体的粘性系数随温度升高而降低：内聚力是产生粘度的主要因素，随温度升高分子间距增大，相互作用力减少，所以粘度减少。比如不同温度下的食用油。

（2）气体的粘性系数则随温度升高而增大：气体分子间作用力影响极弱，但是温度升高分子活性增强，碰撞几率增大所以粘度反而增加。

2、理想流体

不考虑粘性作用的流体，即无粘性流体，称为理想流体。

已知：长度L=1m，直径d=200mm水平放置的圆柱体，置于内径D=206mm的圆管中以u=1m/s的速度移动，间隙中油液的相对密度为d=0.92，运动黏度ν=5.6×10-4m2/s。

解：【例1】求：所需拉力F为多少？间隙中油的密度为

动力黏度为（kg/m3）（Pa·s）由牛顿内摩擦定律由于间隙很小，速度可认为是线性分布（N）四、压缩性m2/NN/m2体积压缩系数

体积弹性系数

(弹性模量)可压缩流动与不可压缩流动

五、表面张力内聚力：是分子间的相互吸引力。附着力：是指两种不同物质接触部分的相互吸引力。表面张力：液体表面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。表面张力系数：是指自由液面上单位长度所受到的表面张力。单位为N/m。2、毛细管现象§1.4作用于流体上的力一、表面力表面力：在静止流体中只有压强，没有切应力？

√二、质量力质量力：

作用在隔离体内每个流体质点上的力，其大