工程流体第一章

工程流体第一章1第1页，共35页，2023年，2月20日，星期一1、流体力学的概念：流体力学是力学的一个独立分支，是一门研究流体的平衡和运动规律及其实际应用的技术科学。研究速度分布、压强分布、能量损失及作用力。水利工程、造船工业、航空工业、机械工业、冶金工业、化学工业、石油工业、土木建筑、航海、人体的循环系统。2、流体力学的广泛应用：绪论电力：水电、火电、核电工作介质都是流体

2第2页，共35页，2023年，2月20日，星期一航空航天、船舶与海洋——applicationLiftV0G弧旋球

船舶运动地效翼艇

浮标

海洋平台

潜器

3第3页，共35页，2023年，2月20日，星期一机械与动力、生物运动——application发动机四冲程信天翁滑翔

WindTurbine建筑与环境

4第4页，共35页，2023年，2月20日，星期一3、流体力学的发展简史：流体力学的萌芽，是自距今约2200年以前，西西里岛的希腊学者阿基米德写的“论浮体”一文开始的。他对静止时的液体力学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年牛顿在名著《自然哲学的数学原理》中讨论了流体的阻力、波浪运动，等内容，使流体力学开始成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三个阶段：5第5页，共35页，2023年，2月20日，星期一1）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，在此基础上形成了一门属于数学的古典“水动力学”（或古典“流体力学”）。2）在古典“水动力学”的基础上纳维和斯托克思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。但由于其所用数学的复杂性和理想流体模型的局限性，不能满意地解决工程问题，故形成了以实验方法来制定经验公式的“实验流体力学”，但由于有些经验公式缺乏理论基础，使其应用范围狭窄，且无法继续发展6第6页，共35页，2023年，2月20日，星期一3）从19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，同时古典流体力学和实验流体力学的内容也不断更新变化，如提出了相似理论和量纲分析，边界层理论和紊流理论等，在此基础上，最终形成了理论与实践并重的研究实际流体模型的现代流体力学。在20世纪60年代以后，由于计算机的发展与普及，流体力学的应用更是日益广泛。其它重要科学家有：李冰、达·芬奇流体力学最新进展：电磁流体力学、两相流体力学、超音速空气动力学、高超音速空气动力学7第7页，共35页，2023年，2月20日，星期一4、我国水利事业的历史：4000多年前的“大禹治水”的故事——顺水之性，治水须引导和疏通秦朝在公元前256—前210年修建了我国历史上的三大水利工程（都江堰、郑国渠、灵渠）-明渠水流和堰流古代的计时工具“铜壶滴漏”——孔口出流清朝雍正年间，何梦瑶在《算迪》一书中提出流量等于过水断面面积乘以断面平均流速的计算方法。隋朝（公元587—610年）完成的南北大运河隋朝工匠李春在冀中蛟河修建（公元605—617年）的赵州石拱桥——拱背的4个小拱，既减压主拱的负载，又可宣泄洪水。8第8页，共35页，2023年，2月20日，星期一KeytowardsLearning数学模型的建立物理问题的提出数学问题的求解算例与应用公式的讨论formulationsolutiondiscussionapplicationEngineeringproject9第9页，共35页，2023年，2月20日，星期一5、学习流体力学所需基础知识：流体力学在研究流体平衡和机械运动规律时，要应用物理学及理论力学中有关物理平衡及运动规律的原理，如力系平衡定理、动量定理、动能定理，等等。所以物理学和理论力学的知识是学习流体力学课程必要的基础。高等数学中场论也是必须的基础。6、学习流体力学难点与对策：1）新概念多、抽象、不易理解主要概念汇总，多媒体辅助教学，结合实验观察分析2）推演繁难分析各种推导要领，掌握通用的推导方法，如控制体法，理解思路，不要求对各个过程死记硬背3）偏微分方程（组）名目繁多。

仅要求部分掌握。重在理解物理意义，适用范围、条件，主要求解方法。如对N-S方程，仅要求了解而已10第10页，共35页，2023年，2月20日，星期一《FluidMechanicswithEngineeringApplications》R.L.Daugherty,J.B.FranziniandE.J.Finnemore.8thEdition.NewYork:McGraw-HillBk.Co.《流体力学》鲁仲奇主编高等教育出版社《流体力学》江宏俊等编高等教育出版社《FluidMechanics》V.L.StreeterandE.B.Wylie.9thEdition.McGraw-HillBk.Co.参考书：11第11页，共35页，2023年，2月20日，星期一考核方法、学习要求、答疑考核方法：1.平时考勤、作业成绩占20％；2.期末考试占80％。学习要求：

1.重点掌握：基础流体力学的基本概念、基本方程、基本应用2.按时、独立、认真完成作业。作业要求画图，代入数据。答疑：1.随时、随地欢迎同学们交流；2.主楼F613热工教研室； 3.Tel:61772472(O) 4.Email:lwy@12第12页，共35页，2023年，2月20日，星期一主要内容：第一章流体及其物理性质（1）流体力学的研究内容、流体的力学定义（2）流体的连续介质模型、不可压缩模型、理想流体模型（3）流体的压缩性、膨胀性、粘性（4）作用在流体上的力：表面力、质量力13第13页，共35页，2023年，2月20日，星期一1、定义和特征：

力学定义：受任何微小剪切力都能连续变形的物质。

流体只能承受压力、但不能承受拉力与抵抗拉伸变形。

1-1

流体的定义、特征和连续介质假设14第14页，共35页，2023年，2月20日，星期一按集态分类：液体和气体

液体和气体区别：压缩性大小、体积有无

特征：流动性

自由表面(FreeSurface):气体和液体的交界面

2、连续介质模型：

微观看，流体由分子组成，分子间存在间隙，流体并不连续分布；但只研究流体的宏观机械运动

流体微团（流体质点）作为最小研究对象：（1）宏观上无限小（2）微观上足够大如在标准状况下，1mm3液体中含有3.4×1019个左右的分子，1mm3气体中含有2.7×1016个左右的分子，相邻分子间的距离约为3.2×10-7cm15第15页，共35页，2023年，2月20日，星期一

连续介质（continuum/continuousmedium）：流体质点连续地充满所占空间（3）有确定物理量

连续介质假设(continuum/continuousmediummodel)：把流体视为没有间隙地充满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：f

=f(t,x,y,z)。

特例：分子的自由行程和所涉及的最小有效尺寸可以相比拟时，如火箭在高空非常稀薄的空气中以及高真空技术16第16页，共35页，2023年，2月20日，星期一1、密度(Density)

定义：单位体积流体所具有的质量

1-2

密度如流体体积V—>0，流体的质量m，则在该点

如流体是均匀的流体，则流体的密度为

常用流体密度：一般取水的密度为1000kg/m3，水银的密度为13600kg/m3，空气为1.293kg/m3

17第17页，共35页，2023年，2月20日，星期一2、相对密度（比重）定义：流体的密度和4℃时水的密度的比值

3、流体的比容（比体积）4、混合气体的密度——各组分气体的密度——各组分气体的体积百分含量18第18页，共35页，2023年，2月20日，星期一1、压缩性（compressibility）一定温度下、压强增加体积缩小的性质

压缩系数（coefficientof

volumecompressibility）k：单位压强增大体积的相对减小值

体积模量（bulkmodulusofelasticity）K：

压缩系数的倒数1-3

压缩性和膨胀性K和流体种类、t、p有关，工程中水近似取K=2.0GPa19第19页，共35页，2023年，2月20日，星期一2、膨胀性（Expansibility）一定压强下、温度升高体积增大的性质

体胀系数

压强不变，单位温度增大流体体积的相对增加值20第20页，共35页，2023年，2月20日，星期一3、可压缩流体和不可压缩流体（compressiblefluid&incompressiblefluid）工程实际中是否考虑流体压缩性，视具体情况：

不可压缩流体模型：通常情况下液体

可压缩流体：水击现象（常数）

如空气流速小于102m/s，烟道

流速不高、压强变化小气体产生激波（冲击波）

吸收大量热量的气体，如爆炸

高速运动的气体，如音速附近21第21页，共35页，2023年，2月20日，星期一例

使水的体积减小0.1%及1%时，应增大压强各为多少？（K=2000MPa）

dV/V=-0.1%

p

=-2000×106×（-0.1%）=2×106Pa=2.0MPa

dV/V=-1%

p

=-2000×106×（-1%）=20MPa22第22页，共35页，2023年，2月20日，星期一1、粘性（Viscosity）

在运动的状态下，流体所产生的抵抗剪切变形的性质

粘性流体内摩擦实验1-4

粘性粘性流体内摩擦实验示意m动力粘度，简称粘度。与流体的种类、t和p有关。单位为Pa·s

录象1、录象223第23页，共35页，2023年，2月20日，星期一2、牛顿内摩擦定律单位面积上切向阻力，即切向应力推广到薄层，得

运动流体所产生的切向应力与速度梯度成正比，其比例系数为流体的动力粘度，适用于任意速度变化情况速度梯度也表示流体微团角变形速度的大小24第24页，共35页，2023年，2月20日，星期一3、粘度（1）动力粘度m：又称绝对粘度、动力粘性系数、粘度，反映流体粘性大小，单位：N•s/m2,Pa·s。

（2）影响粘度的因素：和种类、t和p有关

1）种类。一般，相同条件下，液体m大于气体m

。2）p。对常见的流体，如水、气体等，一般可忽略不计。

25第25页，共35页，2023年，2月20日，星期一

3）t。是影响粘度的主要因素。t升高，液体m减小，气体m增加

原因：a.液体：分子间吸引力是产生m的主要因素，当温度升高，分子间距离增大，吸引力减小，所以m值减小。（3）运动粘度：又称相对粘度、运动粘性系数。

b.气体：气体分子间距离大，m主要是由气体分子运动动量交换的结果所引起的。温度升高，分子运动加快，动量交换频繁，所以m值增加。

26第26页，共35页，2023年，2月20日，星期一27第27页，共35页，2023年，2月20日，星期一28第28页，共35页，2023年，2月20日，星期一

非牛顿流体（non-newtonianfluids）：不符合上述条件的均称为非牛顿流体。

牛顿流体（newtonianfluids）：是指任一点上的切应力都同速度梯度呈线性函数关系的流体，即遵循牛顿内摩擦定律的流体。4、牛顿流体和非牛顿流体牛顿流体：水、空气、汽油、煤油、苯、乙醇拟塑性流体：纸浆膨胀性流体：油漆、油墨理想塑性流体：牙膏29第29页，共35页，2023年，2月20日，星期一5、粘性流体和理想流体

粘性流体（实际流体、realfluid、viscousfluid）：

理想流体模型（idealfluid）：

完全气体（perfectgas）：

引入理想流体的意义：1）在粘性表现不出来的场合，完全可以当作理想流体2）粘性不起主要作用场合，先不计粘性影响，后考虑根据试验做必要的修正3）粘性起主要作用场合，先研究理想流体流动，再研究粘性流体的流动30第30页，共35页，2023年，2月20日，星期一1、表面力（surfaceforce）毗邻流体或其它物体作用在隔离体表面上的直接施加的接触力

表面力按作用方向可分为：

法向力：垂直于作用面P切向力：平行于作用面T

应力：单位表面积上的表面力单位：

法向应力p：切向应力：或Pa1-5作用在流体上的力31第31页，共35页，2023年，2月20日，星期一2、质量力（massforce）是指作用于隔离体内每一流体质点上的力，它的大小与质量成正比，在均匀流体中，质量力与流体体积成正比，又称体积力。单位为N

单位质量力：单位质量流体所受到的质量力，单位：m/s2