流体力学-01绪论

2023/2/6流体力学泵与风机蔡增基主编中国建筑工业出版社

流体力学2023/2/6第一章绪论

§1.1

流体力学的任务及其发展简史§1.2

作用在流体上的力§1.3

流体的主要物理力学性质§1.4流体的力学模型2023/2/6目的要求：了解流体力学课程在本专业中的应用，认识到流体力学是建筑环境与设备工程专业主要专业技术基础课，了解流体力学的研究对象、任务以及流体力学的研究方法；掌握表面力和质量力的区别。掌握流体的连续介质模型、流体的主要物理性质：易流动性、密度与重度、粘性与理想流体模型、压缩性与不可压模型、表面张力特性、汽化压强特性。教学重点：作用在流体上的力：表面力和质量力；流体的连续介质模型、密度与重度、粘性与理想流体模型、牛顿内摩擦定律、压缩性与不可压缩性流体模型。教学难点：表面力和质量力的区别，连续介质模型、牛顿内摩擦定律。2023/2/6一、流体力学的研究对象

流体力学是近代力学的一大分支，它是研究流体的平衡和机械运动规律以及流体与周围物体之间相互作用的科学，主要是确定流体的速度分布，压强分布与能量损失，以及流体与固体相互间的作用力与作用力矩。流体力学中研究得最多的流体是水和空气。除水和空气以外流体还包括作为汽轮机工作介质的水蒸汽、润滑油、石油、含泥沙的水体、血液、溶化状态下的金属和燃烧后产生的成分复杂的气体，高温条件下的等离子体等等。§1.1

流体力学的任务及其发展简史2023/2/6

流体力学是一门即古老又新兴的学科，存在着极为广阔的研究天地。二、流体力学的任务例如：航空、航天、航海、天文气象、地球物理、水利水电、热能制冷、土建环保、石油化工、气液输送、燃烧爆炸、冶金采矿、生物海洋、军工核能、机械制造、机械工程等等部门都有许多流体力学问题。2023/2/6三、流体力学的研究方法流体力学有三种研究方法。一种是理论方法，分析问题的主次因素提出适当的假定，抽象出理论模型（如连续介质、理想流体、不可压缩流体等等），适用数学工具寻求流体运动的普遍解。一种是实验方法，将实验流动问题概括为相似的实验模型，在实验中观察现象、测定数据并进而按照一定方法推测实验结果。再一种是计算方法，根据理论分析与实验观测拟订实验方案，通过编制程序输入数据，用计算机算出数值解。这三种研究方法各有所长，也各有所短。需要相辅相成才有利于推进流体力学的发展。现代流体力学已将这三种方法有机地结合起来，推动了流体力学的飞速发展。2023/2/6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2023/2/6

古希腊的阿基米德对流体力学学科的形成作出第一贡献。他建立了包括物理浮力定律和浮力稳定性在内的液体平衡理论。奠定了流体静力学的基础。

四、流体力学的发展史流体力学的形成和发展大致分为五个时期：第一时期：公元前二十世纪前。抛射体在流体中的运动问题的提出。第二时期：公元前二十世纪至十七世纪下叶。阿基米德——浮力的定量理论；马里奥特——测量运动物体阻力的天称；帕斯卡——流体静力学的基本关系式；第三时期：十七世纪下叶至二十世纪初叶。牛顿——粘性流体的剪应力公式；2023/2/6伯努力——定常不可压缩流体的伯努力定理；第四时期：二十世纪初叶至中叶。普朗特——边界层理论。欧拉——流体运动的描述方法和无粘性流体运动的方程组;拉格朗日——流函数；雷诺——雷诺实验、雷诺方程式；纳维－斯托克斯——粘性流体运动微分方程。第五时期：二十世纪中叶以后。流体力学开始研究气象、海洋、石油、化工、能源、环保和建筑等领域中的流体力学问题，并与有关邻近学科相互渗透，形成许多新分支。2023/2/61732年皮托发明了量测流体流速的皮托管2023/2/61738年伯努利给出理想流体运动的能量方程2023/2/61755年欧拉导出理想流体运动微分方程2023/2/61769年谢才建立了计算均匀流的谢才公式2023/2/61856年达西提出了线性渗流的达西定律2023/2/6五、如何学好流体力学

1.掌握从一般到特殊的学习方法从物体机械运动普遍规律出发，掌握一般形式的基本方程组，再根据具体条件分析具体问题，派生方程只是基本方程在不同条件下的简化应用。

2.在掌握“三基”上下功夫

掌握基本原理、基本概念、基本方法，反复训练，深刻理解。

3.认真听课，适当记笔记对自己认为的重点、难点认真听老师的讲解和处理方法，对典型的课堂例题，应记录分析问题的思路、解题步骤。2023/2/6

4.作好预习，有准备地听课对较难章节，一定要预习，看不懂的地方重点听老师讲解，要把70％的精力放在看书上，重要的是理解，不要死记硬背。

5.解题规范化，加强基本功训练作业最好抄题，便于复习时参考。坚持用物理方法解题，要拆题型，认真归纳，明确其中知识点，掌握解题思路和方法步骤，达到解题触类旁通，举一反三的目的。

6.重视实验，亲手去做对教学大纲中规定的实验都亲自认真去做，加强对所学知识的理解、应用和升华。培养独立的动手能力，也为将来进行科学实验研究奠定基础。2023/2/6一、质量力

质量力是作用在流体的每一个质点（或微团）上的力，与流体微团质量成正比并且集中作用在微团质量中心上。定义：

§1.2

作用在流体上的力⊿FB⊿m为单位质量的质量力，简称单位质量力。其单位为N/kg或m/s2，与加速度的单位因次相同。2023/2/6质量力重力直线运动惯性力离心惯性力

------质量力上式以向量形式表示。2023/2/6二、表面力表面力是作用在流体表面或截面上且与作用面的面积成正比的力，表面力又称面积力或接触力⊿P⊿T⊿F⊿A2023/2/6作用于单位面积上的切力称为切应力，以τ表示压强和切应力的单位：N/m2（Pa），KN/m2（KPa）作用于单位面积上的压力称为压强，以p表示表面力分为压力和切力2023/2/6§1.3

流体的主要力学性质一、惯性

惯性是物体保持其原有运动状态的一种性质。表征某一流体的惯性大小可以用该流体的(1)密度,(2)重度(容重)。对于均质流体的密度：对于非均质流体的密度：(1)密度2023/2/6重度（容重）是单位体积流体的重量，以符号γ表示，单位是N/m3对于均质流体的密度：对于非均质流体的密度：(2)重度（容重）2023/2/6水和空气的密度（一个标准大气压下）温度T(℃)水ρ（㎏/m3）空气ρ（㎏/m3）0510152025303540999.91000.0999.7999.1998.2997.1995.7994.1992.21.2931.2701.2481.2261.2051.1851.1651.1471.1282023/2/6

流体具有流动性，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）以反抗相对运动的性质（流体在流动状态下抵抗减切变形的性质）称为流体的粘性。

二、粘性2023/2/6牛顿内摩擦定律

2023/2/6流速梯度可以表示为流体的切应变率或角变形率

2023/2/6动力粘度μ的单位为N/m2·s运动粘度ν的单位为m2/s流体的粘度与流体的种类、温度和压强有关。但对某种流体而言，粘度值受温度的影响较大流体的运动粘度和动力粘度2023/2/6水和空气的物理性质温度T(℃)水的动力粘度μ（10-3N·s/m2）水的运动粘度ν（10-6m2/s）空气的动力粘度μ（10-3N·s/m2）空气的运动粘度ν（10-6m2/s）05101520253035401.7921.5191.3081.1001.0050.8940.8010.7230.6561.7921.5191.3081.1411.0070.8970.8040.7270.6610.01720.01780.01830.01870.019213.714.715.716.617.62023/2/6凡是满足牛顿内摩擦定律的流体，称为牛顿流体；反之为非牛顿流体2023/2/6例题两平行平板间隙δ=1cm，水温为20℃，下板固定不动，上板以u=2m/s的速度向右运动。设流速沿间隙δ按线性分布。试求：（1）切应力τ沿间隙的分布（2）薄板的面积为2m2，薄板的拖曳力。2023/2/6解：（1）查表得μ=1.005×10-3N·s/m2，

（2）F=T=τ·A=0.201×2=0.402N2023/2/6

四、压缩性和膨胀性

压缩性体积压缩系数E的单位为N/m2液体的压缩性很小，一般可将水作为不可压缩液体处理

β的单位为m2/N流体的弹性模量2023/2/6热胀性

a单位为T-1气体具有显著的压缩性和膨胀性当气体运动速度小于一定的速度，如50m/s，可不考虑其压缩性体积膨胀系数在供热通风工程中，所遇到的大多数气体流动，速度远小于音速，其密度变化不大（当速度等于68m/s时，密度变化为1%；当速度等于150m/s时，密度的变化也只有10%

），可当作不可压缩流体看待。2023/2/6

液体表层的分子受到上下两侧分子的引力不同，在合引力的作用下，液体表面仿佛是一张拉紧的弹性膜。从宏观上看，这种存在于液体表面上的拉力称为液体的表面张力液体表面张力的大小可用表面张力系数σ表示，σ的单位为N/m五、表面张力特性2023/2/6毛细现象

h由于表面张力的作用，管内的液体表面会高于或低于管外的液面，称为毛细管现象2023/2/6接触角PP0R液体气体接触角概念：当液体与固体壁面接触时，在液体与固体壁面接触处作液体表面的切面，此切面与固体壁面在液体内部所夹部分的角度称为接触角，当为锐角时，液体润湿固体，当为钝角时，液体不润湿固体。水与玻璃的=80—900

水银的=13802023/2/62023/2/6当温度为20℃时，水在玻璃管中的升高值的计算公式计算公式中的单位以mm计水银在玻璃管中的降低值的计算公式2023/2/6§1.4流体的力学模型连续介质流体的宏观特性和微观运动质点的概念：宏观看非常小，可视为空间的一个点；微观看又很大，每个质点包含足够多的分子并保持着宏观运动的的一切特性连续介质模型将流体看作由无数没有微观运动的质点组成的没有空隙的连续体，表征流体运动的各物理量在时间和空间上都是连续分布和连续变化的2023/2/6无黏性实际流体总是存在粘性，实际流体称为粘性流体为简化研究，忽略流体的粘性，引入理想流体的概念2023/2/6不可压缩2023/2/6

(1)空气的体积弹性模数E(a).P(b).T(c).(d).RT思考题(a)2023/2/6

(2)---------是非牛顿流体

(a).水(b).空气

(c).血液(d).沥青思考题(C)(D)2023/2/6

(3)流体的粘性与流体的------无关

(a).分子内聚力(b).