工程流体力学课件机电

工程流体力学课件机电第一页，共五十三页，2022年，8月28日第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章相似原理与量纲分析目录第5章流动阻力和水头损失第二页，共五十三页，2022年，8月28日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第三页，共五十三页，2022年，8月28日什么是流体？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。第四页，共五十三页，2022年，8月28日二.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。设流体由很多个流体微团（质点）组成，流体微团之间没有缝隙。即假设流体是各向同性的连续介质(理论模型)。第五页，共五十三页，2022年，8月28日有无固定的体积？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.流体的特征第六页，共五十三页，2022年，8月28日

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.流体的特征第七页，共五十三页，2022年，8月28日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.流体的特征第八页，共五十三页，2022年，8月28日

连续介质假设的使用条件：

只有当考虑的现象具有比流体分子结构尺度大得多的尺度时才成立。

例如研究高空稀薄气体中的物体运动时，稀薄气体不能视为连续介质；血液在微血管中运动时，血液不能当作连续介质，而在动脉血管中流动时可视为连续介质。

连续函数：

在连续介质中，流体质点的一切物理量都是坐标与时间变量的函数，称为连续函数。如

p，v，a，ρ，γ，…＝f（x，y，z，t）2.连续介质假设二.流体的特征第九页，共五十三页，2022年，8月28日三.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。第十页，共五十三页，2022年，8月28日力学

流体力学（水力学）的学科性质研究对象力学问题载体

宏观力学分支遵循三大守恒原理

流体力学水力学流体水力学强调水是主要研究对象比较偏重于工程应用土建类专业常用第十一页，共五十三页，2022年，8月28日

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流体与固体（边界）的相互作用。第十二页，共五十三页，2022年，8月28日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

水利航空航天交通运输

环境

气象

石油化工

机械冶金

生物第十三页，共五十三页，2022年，8月28日航天航空工业

（空气动力学）第十四页，共五十三页，2022年，8月28日造船工业

（水动力学）深潜达数百米的核动力潜艇；第十五页，共五十三页，2022年，8月28日

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；第十六页，共五十三页，2022年，8月28日电力工业

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第十七页，共五十三页，2022年，8月28日水利工程水资源运用、泄洪消能、河道整治

第十八页，共五十三页，2022年，8月28日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第十九页，共五十三页，2022年，8月28日大型水利枢纽工程，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。杨浦大桥第二十页，共五十三页，2022年，8月28日21世纪人类面临许多重大问题的解决，需要流体力学的进一步发展，它们涉及人类的生存和生活质量的提高。全球气象预报；（卫星云图）第二十一页，共五十三页，2022年，8月28日

环境与生态控制；第二十二页，共五十三页，2022年，8月28日

灾害预报与控制；第二十三页，共五十三页，2022年，8月28日

火山与地震预报；第二十四页，共五十三页，2022年，8月28日发展更快更安全更舒适的交通工具；第二十五页，共五十三页，2022年，8月28日各种工业装置的优化设计，降低能耗，减少污染等等。第二十六页，共五十三页，2022年，8月28日流体力学需要与其他学科交叉，如工程学，地学，天文学，物理学，材料科学，生命科学等，在学科交叉中开拓新领域，建立新理论，创造新方法。毛细血管流动第二十七页，共五十三页，2022年，8月28日赵州桥（公元591年至599年）南北大运河（隋朝公元587年至610年）——拱背的4个小拱，既减压主拱的负载，又可宣泄洪水第二十八页，共五十三页，2022年，8月28日大部分竞技体育项目与流体力学有关

30第二十九页，共五十三页，2022年，8月28日流体力学的研究方法和使用领域

一.流体力学的研究方法

理论分析、实验研究和数值计算三种方法相互结合，是互相补充和验证，但又不能互相取代的关系。基本假设数学模型解析表达模型试验量测数据换算到原型数学模型数值模型数值解理论分析实验研究数值计算第三十页，共五十三页，2022年，8月28日方法优势局限理论分析

对流动机理解析表达，因果关系清晰，有较好的普适性。

受基本假设局限，且数学难度大，少数情况下才有解析结果。实验研究

直接测量流动参数，解决实际的复杂问题，找到经验性规律，并起检验作用。

成本高，对量测技术要求高，不易改变工况，存在比尺效应，普适性差。数值计算

扩大理论求解范围，成本低，易于改变工况，不受比尺限制。

受理论模型和数值模型局限，仍是近似方法，存在计算误差。三种研究方法的对比第三十一页，共五十三页，2022年，8月28日一.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来衡量第三十二页，共五十三页，2022年，8月28日三.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：第三十三页，共五十三页，2022年，8月28日特例水击现象,液压冲击,水中爆炸波的传播等问题。

在低温,低压,低速条件下,隧道施工,运营通风,气体输送,烟道流动等问题。------液体为可压缩流体------气体为不可压缩流体21第三十四页，共五十三页，2022年，8月28日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第三十五页，共五十三页，2022年，8月28日

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。三.粘性第三十六页，共五十三页，2022年，8月28日•

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.粘性第三十七页，共五十三页，2022年，8月28日

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：第三十八页，共五十三页，2022年，8月28日

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.粘性第三十九页，共五十三页，2022年，8月28日

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.粘性第四十页，共五十三页，2022年，8月28日μ

——

动力粘滞系数。N.s/m2

；Pa.Sν

——

运动粘滞系数。m2/S

1泊22

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.粘性第四十一页，共五十三页，2022年，8月28日

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.粘性第四十二页，共五十三页，2022年，8月28日①分子间的内聚力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.粘性第四十三页，共五十三页，2022年，8月28日

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.粘性第四十四页，共五十三页，2022年，8月28日【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1mm，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。第四十五页，共五十三页，2022年，8月28日四.表面张力与毛细现象表面张力在流体力学中一般不予考虑，但对于测压管会出现毛细管现象，对水深很浅的明渠水流和堰流会有影响。

表面张力是由液体分子间的力引起的，其作用结果使得自由液面有明显承现球形的趋势。第四十六页，共五十三页，2022年，8月28日定义：沿液体表面作用着的使自由表面张紧的力称为表面张力。液体表面张力的大小可以用液体表面单位长度所受的拉力即表面张力系数σ来度量，单位是N/m。数值较小，一般不考虑，只在自由液面尺寸很小时才考虑。

两端开口的玻璃细管竖立在液体中，液体会在细管中上升或下降h高度，此现象为毛细现象。毛细管高度h与管径d成反比，即玻璃管内径越小，毛细管上升高度就越大。

水hθ水银θh(a)(b)

当液固接触时，液体表面的切面与固体壁在液体内部所夹的角为接触角。第四十七页，共五十三页，2022年，8月28日水力学中的三个力学模型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第四十八页，共五十三页，2022年，8月28日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