流体力学第1章绪论课件

1第1章绪论（Preface）目的：了解流体的基本物理性质(流动性、粘性、可压缩性)内容：连续介质假设流体的流动性、粘性、可压缩性等物理性质作用在流体上的力。21.1流体力学的研究对象及意义1.1.1

研究对象流体(Fluid),包括液体(Liquid)和气体(Gas)。1)流体与固体的区别：

固体：具有一定形状，不易变形，能承受法向应力，亦能承受切向力，可以通过应力、应变关系来描述其变形。

流体：无固定形状，只能承受压力，一旦受到剪切力，便连续不断变形，产生流动；它只能通过应变与速度变化率描述。31.1.1研究对象

液体——无形状，有一定的体积；不易压缩，存在自由（液）面。气体——既无形状，也无体积，易于压缩。

水动力学(Hydrodynamics)

空气动力学(Aerodynamics)2)液体与气体的区别：

3)流体力学的进一步分类：

江苏科技大学

理论研究方法：通过对流体物理性质和流动特征的科学抽象（近似）抽出合理的理论模型。对这样的理论模型，根据机械运动的普遍规律，建立控制流体运动的闭合方程组，将原来的具体流动问题转化为数学问题，在相应边界条件和初始条件下求解。理论研究方法的关键在于提出理论模型，并能运用数学方法求出理论结果。由于数学上的困难，许多实际问题还难以精确求解

——理论流体力学。

实验研究方法：将实际流动问题归结为相似的实验模型，根据实验过程和实验结果来推测实际问题结果

——实验流体力学。

数值研究方法：在计算机运用的基础上，采用各种离散方法（有限差分法，有限元法等），建立各种数值模型，通过计算机进行数值计算和数值实验，获得定量描述流动的数值解。近二三十年来这一方法得到很大发展，已形成专门的学科

——计算流体力学。1.1流体力学的研究对象及意义5）流体力学研究方法：理论方法、实验方法、数值方法。江苏科技大学

流体力学的萌芽，是自距今约2200年希腊学者阿基米德的《论浮体》一文开始的。他对静止流体的性质作了第一次科学总结。

流体力学的主要发展，是从牛顿时代开始的，1687年牛顿的名著《原理》讨论了流体的阻力、波浪运动等问题，使流体力学开始变为力学中的一个独立分支。此后，流体力学的发展主要经历了四个阶段：1、伯努利所提出的液体运动的能量估计及欧拉所提出的液体运动的解析方法，为研究液体运动的规律奠定了理论基础，在这一基础上形成了属于数学的古典“水动力学”（或古典流体力学）；2、在古典“水动力学”的基础上，Navier和stokes提出了著名的实际粘性流体的基本运动方程——N-S方程。从而为流体力学的长远发展奠定了理论基础。但是由于古典流体力学在理论上的假设，如理想流体与实际不尽相符，或数学上求解方程的困难，不能满意地解决工程问题，故而形成了以实验方法来制定经验公式的“实验流体力学”；1.1流体力学的研究对象及意义5）流体力学的发展史江苏科技大学3、从十九世纪末起，人们将理论分析方法和实验分析方法相结合以解决实际问题，“古典流体力学”和“实验流体力学”的内容也不断更新。在此基础上，最终形成了理论与实际并重的现代流体力学；这期间，英国工程师、物理学家雷诺阐明了相似原理，流体流动有层流和湍流两种形态，判别准数雷诺数，雷诺方程。英国物理学家、数学家瑞利提出了量纲分析求流动相似准则。

4、二十世纪六十年代以后，由于计算机的发明与普及，出现了在理论分析和实验观察的基础上拟定计算方案，利用计算机编程求解数值解的流体力学研究方法，即“计算流体力学“。现代测量技术如激光测速仪等的应用和计算机在实验数据的监测、采集等中的应用，都促进了工程流体力学的发展。

1.1流体力学的研究对象及意义江苏科技大学流体力学已广泛用于国民经济的各个领域。

在水利建设中：如防洪、灌溉、航运、水力发电、河道整治等；

在航空航天中：如航天飞机、人造卫星等;

在国民经济的其他技术部门中：如机械工程中的润滑、液压传动；船舶的行波阻力；市政工程中的通风、通水，高层建筑的受风作用；铁路、公路隧道中的压力波传播、汽车的外形与阻力的关系；血液在人体内的流动；污染物在大气中的扩散等。

1.1流体力学及流体力学课程概述1.1.3工程应用江苏科技大学1.2流体的连续介质假设

实际流体是由分子组成的，流体分子是有一定形状的，流体分子与分子之间存在间隙，每个分子不停地做无规则的热运动，从微观结构上来看，在空间和时间上都是不连续的，但是流体力学研究的是流体的宏观规律，一般不需要讨论流体分子的微观结构，客观上又是稳定和连续的。因此需要对流体的物理实体加以模型化。

1753年瑞士自然科学家欧拉首先提出了连续介质模型

为宏观的流体力学模型，即假定流体是由无数流体质点所组成，这些流体质点紧密接触,彼此没有间隙。流体质点宏观上足够小,以致于可以将其看成一个几何上没有维度的点；它的形状是任意的，因此流体质点之间可以紧密接触，彼此没有间隙。微观上足够大，它里面包含许许多多的流体分子，其行为已经表现出大量分子的统计学性质；江苏科技大学流体微团采用连续介质模型后，就可以把流体的一切物理性质如密度、压强、温度及宏观运动速度等表为空间和时间的连续可微函数，便于用数学分析工具来解决问题。！

通常将流体中任意小的一个微元部分称作流体微团。当流体微团的体积无限缩小并以一个坐标点为极限时，流体微团就成为位于该坐标点上的流体质点。1.2流体的连续介质假设江苏科技大学1.３流体的物理性质一、易流动性静止流体不能承受切应力，在切应力作用下流体能产生连续变形(流动)。141.3流体的物理性质

流体的密度重度密度(density)：

()intheSIunitsystem比容

(specificvolume)：重度（specificweight）：比重（specificgravity）：151.3.2粘性(viscosity)1)粘性的定义U流体运动时，对相邻两层流体间相对运动，即相对滑动速度具有抵抗剪切（力）变形的性质称为粘性或内摩擦。

171.3.2粘性(viscosity)3)粘性系数——动力粘性系数（Pa.s）。值越大，流体越粘，抵抗变形运动的能力越强。——运动粘性系数（m2/s）。常温常压下：粘性系数与温度的关系181.3.2粘性(viscosity)4)理想流体与粘性流体理想流体：的流体（无粘性流体）。5)牛顿流体和非牛顿流体

牛顿流体:

剪应力和变形速率满足线性关系。非牛顿流体：剪切应力和变形速率之间不满足线性关系的流体。

m<1m=1m>1图1.3.4牛顿流体和非牛顿流体O19压缩性定义：1.3.3压缩性（compressibility）

流体的密度或容积随压力或温度变化的性质。流体都是可压缩的。压缩系数

体积模量膨胀系数（体胀系数）：211.4流体的界面现象和性质1.互不掺混流体界面上存在表面张力（surfacetension）2.流体与固壁界面表面张力

毛细现象：气、液、固三种界面之间的浸润作用。3.流-固界面上速度的连续性粘性流体：界面上流体速度和固体运动速度相等。（无滑移条件）理想流体：界面上允许流体切向滑移，但不能穿透，即界面上流-固速度的法向投影相等（不可穿透条件）22

1.5作用在流体上的质量力和表面力

1.5.1质量力（体积力）：重力场中：单位质量质量力：质量力的合力：SV透过物质传递的力。分离体内任取一微元体积，其质量为，有231.5.2.表面力：表面力的合力SV外界通过接触传递的力，用应力来表示。25

压力是唯一的表面力，指向作用面的内法线方向；压力只是位置和时间的函数，与作用面的方位无关。

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