流体力学Char01绪论20120906(第1讲)

工程流体力学☞你想知道高尔夫球飞得远应表面光滑还是粗糙吗？☞你想知道汽车阻力来至前部还是尾部吗？☞你想知道机翼升力来至下部还是上部吗？☞你想知道房屋屋顶为什么会被风掀起吗？☞你想知道………———请学习工程流体力学Colorcontoursoftheinstantaneousvorticitymagnitudein

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offlowoveracylinderatRe=300强/台风灾害链风雨土木建筑动力灾变强/台风四川都江堰大型引水枢纽，建于公元前256~251年，是世界历史上最长的无坝引水工程。以灌溉为主，兼有防洪、水运、供水等多种效益，一直沿用至今。鱼嘴内江外江飞沙堰宝瓶口三峡工程枢纽布置水利枢纽工程：江河湖海上为有效利用水利资源而集中兴建的各种水工建筑物(是一个综合体的总称)参考书《工程流体力学》，李玉柱，贺五洲，清华大学出版社，2006.禹华谦编著，工程流体力学新型习题集，天津大学出版社，2006.《工程流体力学实验》，高迅等编，西南交通大学出版社，2004.《流体力学》，V.LStreeter、E.BWylie著，周均长等译，高等教育出版社，1988.《流体力学与流体机械》，柯葵，同济大学出版社，2009.

目录第1章绪论第2章流体静力学第3章流体动力学理论基础第4章量纲分析与相似原理第5章流动阻力与水头损失第6章孔口、管嘴及有压管流第7章明渠恒定流动第8章堰流第9章渗流高尔夫球表面为什么有很多小凹坑？最早的高尔夫球现在的高尔夫球高尔夫球表面之所以设计有许多小凹坑，其目的是让高尔夫球飞得更远。统计发现，一颗表面平滑的高尔夫球，经职业选手击出后，飞行距离大约只是表面有凹坑的高尔夫球的一半。为了找出最佳发射条件，高尔夫产业的工程师和科学家对球杆和球之间的撞击进行了深入的研究。撞击通常只维持1/2000秒，它决定了球的速度、发射角以及球体的自旋速度。接着，球的飞行轨迹会受到重力以及空气动力学的影响。因此，空气动力学的最佳化设计便成为让高尔夫球飞得远的关键。空气对于任何在其中运动的物体，包括高尔夫球，都会施加作用力。把你的手伸出行驶中的车外，可以很容易地说明这个现象。空气动力学家把这个力分成两部分：升力及阻力。阻力的作用方向与运动方向相反，而升力的作用方向则朝上。高尔夫球表面的小凹坑可以减少空气的阻力，增加球的升力。高尔夫球表面为什么有很多小凹坑？一颗高速飞行的高尔夫球，其前方会有一高压区。空气流经球的前缘再流到后方时会与球体分离。同时，球的后方会有一个紊流尾流区，在此区域气流起伏扰动，导致后方的压力较低。尾流的范围会影响阻力的大小。通常说来，尾流范围越小，球体后方的压力就越大，空气对球的阻力就越小。小凹坑可使空气形成一层紧贴球表面的薄薄的紊流边界层，使得平滑的气流顺着球形多往后走一些，从而减小尾流的范围。因此，有凹坑的球所受的阻力大约只有平滑圆球的一半。小凹坑也会影响高尔夫球的升力。一个表面不平滑的回旋球，会像飞机机翼般偏折气流以产生升力。球的自旋可使球下方的气压比上方高，这种不平衡可以产生往上的推力。高尔夫球的自旋大约提供了一半的升力。另外一半则是来自小凹坑，它可以提供最佳的升力。大多数的高尔夫球有300～500个小凹坑，每个坑的平均深度约为0.025厘米。阻力及升力对凹坑的深度很敏感：即使只有0.0025厘米这么小的差异，也可以对轨迹和飞行距离造成很大的影响。小凹坑通常是圆形的，但其他的形状也可以有极佳的空气动力性能，例如某些公司生产的高尔夫球采用的是六角形。高尔夫球表面为什么有很多小凹坑？汽车阻力来自前部还是后部？汽车发明于19世纪末，当时人们认为汽车的阻力主要来自前部对空气的撞击，因此早期的汽车后部是陡峭的，称为箱型车，阻力系数CD很大，约为0.8。

实际上汽车阻力主要来自后部形成的尾流，称为形状阻力。20世纪30年代起，人们开始运用流体力学原理改进汽车尾部形状，出现甲壳虫型，阻力系数降至0.6。20世纪50－60年代改进为船型，阻力系数为0.45。80年代经过风洞实验系统研究后，又改进为鱼型，阻力系数为0.3。以后进一步改进为楔型，阻力系数为0.2。90年代后，科研人员研制开发的新型汽车，阻力系数仅为0.137。经过近80年的研究改进，汽车阻力系数从0.8降至0.137，阻力减小为原来的1/5。

目前，在汽车外形设计中流体力学性能研究已占主导地位，合理的外形使汽车具有更好的动力学性能和更低的耗油率。第一章 绪论§1-1

概述§1-2

流体的连续介质模型§1-3

流体的主要物理性质§1-4

作用在流体上的力第一章 绪论一、本章学习要点:工程流体力学的任务流体的连续介质模型流体的主要物理性质:惯性、粘性、压缩性和表面张力特性作用在流体上的力：表面力和质量力二、本章重点掌握:流体的主要物理性质作用在流体上的力§1-1

概述一、自然界物质存在的主要形式

自然界物质存在的主要形式有:固体、流体(包括液体和气体）.1.流体和固体的区别(1).从表观看，固体具有固定的形状，不易流动；流体则随盛器而方圆，且易流动.(2).从力学分析的角度看，在于两者对外力抵抗的能力不同.固体：可以承受拉力、压力和剪力.流体：几乎不能承受拉力；静止流体还不能承受剪力.气体易于压缩；液体难于压缩.液体具有一定的体积，并可形成自由表面；气体可充满任何容器，但无一定体积，也不能形成自由表面.2.液体和气体的区别二、流体力学的分类理论流体力学：侧重于理论方面的研究，主要采用数学推理方法，力求严密性和准确性.工程流体力学：侧重于解决工程实际中出现的问题，不追求数学上的严密性.1.按研究内容的侧重点分古典流体力学：在古典力学的基础上，运用严密的数学分析方法，建立有关流体的基本方程，但理论中有些假设与实际不尽相符.实验流体力学：依靠实验方法制定一些经验公式，以满足工程需要，但有些公式缺乏理论基础.现代流体力学：理论分析与实验方法相结合，理论与实验并重.2.按学科发展分三、工程流体力学的研究任务学科属性：工程流体力学为工程力学的分支学科.课程性质：工程流体力学是土建类各专业的一门重要技术基础课.研究任务：研究流体平衡和机械运动规律及其实际应用.研究内容：包括基础理论和实际应用的研究.其中:流体静力学理论流体动力学理论流体实验分析理论流体阻力与水头损失理论1.基础理论方面的研究有有压管道水力计算明渠水力计算堰、闸（孔）、桥、涵水力计算工程渗流计算2.实际应用方面的研究有四、工程流体力学的研究方法一般有理论分析、实验研究和数值模拟三种.理论分析：通过运用数学方法求解理论模型来揭示流体运动的规律.但许多实际问题尚难以从数学上精确求解.实验研究：通过对具体流动的观测来认识流体运动的规律.实验楼(146m)及其周围环境台风“凡亚比”路径风压传感器粘贴于建筑表面的前端压力传感器数据采集现场数值模拟（或称数值实验）：通过运用数值方法将理论模型离散成数值模型，用计算机求解数值模型来揭示流体运动的规律.五、流体力学在土木工程中的应用流体力学在土木工程中有着广泛的应用.市政工程：城市给排水管网设计；城市防洪工程设计；取水工程、净水工程设计等.确定水力荷载FFF供热通风设计热的效应空气的调节燃气的输配排毒排湿除尘降温的计算等鸟瞰北京-城市热岛效应交通土建工程：路基、站场排水设计；桥涵孔径水力设计；隧道及地下工程通风及排水设计；高速铁(公)路隧道洞形设计等.建筑工程：室内给排水设计；地基降水及抗渗设计等.输运工程输运工程其他方面：舰艇、船舶、飞机、汽车等人民海军装备的俄制基洛级潜艇飞行器在速度达到音速左右时，会有一股强大的阻力，使飞行器产生强烈的振荡，速度衰减。这一现象被俗称为音障。当飞行器突破这一障碍后，整个世界都安静了，一切声音全被抛在了身后！那个白的东西，就是在突破音障的一瞬间，由于空气气流的不均衡搅动产生的，一般情况下看不到。§1-2

流体的连续介质模型微观：流体是由大量做无规则热运动的分子所组成，分子间存有空隙，物理量在空间和时间上都是不连续的.但在标准状况下，1cm3液体含有3.3×1022个分子，分子间距离为3.1×10-8cm；1cm3气体含有2.7×1019个分子.分子间距离为3.2×10-7cm.宏观：一般工程中，所研究流体的空间尺度和时间尺度要比分子距离和分子碰撞时间大得多.连续介质：质点连续地充满所占空间的流体和固体.流体的连续介质模型：把流体视为没有间隙地充满其所占空间的连续介质，且其所有物理量都是空间坐标和时间变量的连续函数的一种假设模型.1.定义避免了流体分子运动的复杂性.物理量作为时空连续函数，则可利用高等数学中连续函数分析方法研究流体流动问题.2.优点§1-3

流体的主要物理性质流体与固体一样，也具有惯性.质量是惯性大小的度量.一、惯性

水的密度常用值：ρ=1000kg/m3.水银的密度常用值：ρ=13600kg/m3.密度:单位体积流体的质量.SI单位为kg/m3.二、粘性（粘滞性）粘性：流体在运动状态下抵抗剪切变形的性质.1.牛顿平板实验当h和u不是很大时，两平板间沿y方向的流速呈线性分布，即实验表明，对于大多数流体，存在2.牛顿内摩擦定律引入比例系数μ，则得著名的牛顿内摩擦定律：粘性的大小由粘度来度量.流体的粘度是由流体流动的内聚力和分子的动量交换引起的.（1）粘度1）粘度系数动力粘度μ：SI单位为N·s/m2或Pa·s

运动粘度ν（nunju

）：SI单位为m2/s.其计算式：流体的种类：主要影响因素.一般在相同条件下，液体的粘度大于气体的粘度.压强：对常见流体，如水、气体等，影响不大，一般可忽略不计.2）粘度的影响因素温度：主要影响因素.当温度升高时，液体的粘度减小，气体的粘度增大.液体：内聚力是产生粘度的主要因素.温度分子间距分子吸引力内摩擦力粘度气体：分子热运动引起的动量交换是产生粘度的主要因素.温度分子热运动动量交换内摩擦力粘度数学上：为沿流体运动法线方向的流速梯度.物理上：为运动流体相邻两流层的剪切变形速率.（2）的含义*故牛顿内摩擦定律又可以写成：证明：如图所示3.牛顿流体与非牛顿流体牛顿流体：符合牛顿内摩擦定律的流体.如水、空气、汽油和水银等.非牛顿流体：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.实际流体：具有粘性的流体（μ≠0）.粘性是流体的固有属性.理想流体：忽略粘性的流体（μ=0），为研究方便引入的假想流体.平衡流体（）或理想流体（μ=0）均不产生切应力，即τ=0.4.实际流体与理想流体三、压缩性压缩性：流体的宏观体积随着作用压强的增大而减小的性质.1.体积压缩系数（kappakap）2.体积弹性模量 实际流体都是可压缩的.液体的压缩性很小，如水的相对压缩值约1/20000.故一般工程设计中，认为水的压缩可以忽略，其密度可视为常数.当药水从瓶口滴出时，先在瓶口处形成一个小水珠，当你再用力按一下时，药水就滴出来了。这个小水珠是因为水表面张力的作用而形成的。下面这个小实验也能演示给你看，什么是水的表面张力。橡皮吸管1支、透明塑料纸1张、报纸1张、净水1瓶。四、表面张力特性3．现在观察一下，滴在塑料纸上的水滴形成一个小小的水珠。为什么会形成小水珠，你能说出其中的道理吗？4．透过这个小水珠往报纸上看，你将会看到报纸上的小字被放大了，这又是为什么呢？实验方法1．把报纸平摊在桌面上，把透明塑料纸放在报纸的上面。要求塑料纸要平整，能清楚地看到报纸上的字。2．用橡皮吸管在装有净水的瓶内吸一点水，再小心地在塑料纸上滴一滴水，要水滴越小越好。四、表面张力特性1.表面张力现象雨后水滴在枝头悬而不滴落；细管中的液体自动上升或下降一个高度（毛细管现象）；Bug-water水面漫步而不下沉.传说中的凌波微步？2.表面张力：液体表面由于分子引力大于斥力而在表层沿表面方向产生的拉力.3.表面张力系数：自由表面内单位长度上所受的表面张力，SI单位为N/m.§1-4

作用在流体上的力在工程流体力学中，一般将作用在流体上的力分为表面力和质量力两类.1.表面力(接触力)：作用在流体隔离体表面上，其大小与作用面积成正比. 2.质量力(体积力)：作用在流体隔离体内每个流体微团上，其大小与流体质量成正比.如重力、惯性力等.[例1]如图所示，若作用在流体上的质量力只有重力，试求相应的单位质量力.[解]质量力在各坐标轴上的分量为：单位质量力在各坐标轴上的分量为：A、流体的分子；

B、流体内的固体颗粒；C、几何的点；D、几何尺寸同流动空间相比是极小量,又含有大量分子的微元体。【例2】按连续介质的概念，流体质点是指？【例3】理想流体的特征是？

A、

粘度是